CN103776843A - 基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法，包括步骤1针对单个光纤发射，多组光纤接收散射光的传感器结构，采用光功率计测量得到检测入射光功率P₀和相应的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n；步骤2对步骤1得到的P₁,P₂,...,P_n利用多路高速同步数据采集板进行数据采集，得到n路光强的数字信号；对n组的光强求和，得到P＝P₁+P₂+P₃+...+P_n；步骤3对步骤2得到的P,P₁,P₂,...,P_n进行除运算，即用多组接收光强的和与每一组的接受光强相除，得到比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，此时获得了传感器与被测表面倾斜不同角度时的光强比值；步骤4建立间隙随比值变化的函数；步骤5确定系数a₀、a₁、a₂、…、a_n-1；步骤6将步骤5得到的系数值，带入公式（1）中，得到准确的间隙值。

Description

基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种强度调制型光纤位移传感器在钢球表面缺陷检测中的补偿方法。

背景技术

本发明提出的基于轴承是机械工业中重要的基础零部件，而钢球作为球轴承的滚动体，它的质量优劣对轴承的运动精度、寿命、性能等起决定性作用，其中钢球表面缺陷对钢球质量的影响尤为明显，加工后的部分钢球表面会存在麻点，斑点，烧伤，擦痕，划条，凹坑等缺陷，这些表面缺陷使球轴承在旋转运动时产生大的噪声和振动，是制约球轴承质量提高的关键因素。

在专利申请号（201320066563.1）公开了一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，该系统中采用了单光纤传光、多组光纤束接收散射光形式的光纤位移传感器结构，如图1、2所示。即中心光纤传光投射到被测钢球表面，周围有多组光纤束接收钢球表面的散射光，每一圈的光纤束作为一组接收光纤，由于被测物体为轴承钢球，其表面加工特征是一致的，对于表面完好的钢球来说，表面反射率可以认为是不变的。当表面出现凸起或凹坑等缺陷时会引起传感器与被测表面间隙的变化。

间隙的变化会导致接收光强增强和减弱，凸起缺陷引起的间隙变化使被测表面与探头之间的距离减小，这会导致接收光强有增加的趋势，通过接收光强的变化可以感知缺陷的存在。但是，光强的变化往往不是只受间隙的影响，很多因素会引起传感器接收光强的变化，如光源的波动、钢球表面亮暗程度等。同时，在间隙缺陷的判断中，由于钢球表面为曲面，不是理想的反射平面，因此，钢球表面微元面与传感器端面之间存在一定的倾斜角度，那么钢球表面的反射光强与理想反射平面的测量结果有所偏移，必须对此进行补偿，使得测量间隙中不受以上因素的影响，为此将建立钢球表面缺陷提取的光纤传感器模型。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺点，本发明具体公开了一种强度调制型光纤位移传感器实现钢球表面缺陷的测量补偿方法。

本发明采用的技术方案如下：

基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法,包括以下步骤：

步骤1针对单个光纤发射，多组光纤接收散射光的传感器结构，采用光功率计测量得到检测入射光功率P₀和相应的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n；

步骤2对步骤1得到的P₁,P₂,...,P_n利用多路高速同步数据采集板进行数据采集，得到n路光强的数字信号；对n组的光强求和，得到P＝P₁+P₂+P₃+...+P_n；

步骤3对步骤2得到的P,P₁,P₂,...,P_n进行除运算，即用多组接收光强的和与每一组的接受光强相除，得到比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，此时获得了传感器与被测表面倾斜不同角度时的光强比值；

步骤4建立间隙随比值变化的函数：

$d=a_0+a_1\frac{P}{P_1}+a_2\frac{P}{P_2}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{n-1}}---\left(1\right)$

其中，a₀、a₁、a₂、…,a_n-1是系数，d代表光纤传感器与被测钢球表面的间隙值；

步骤5确定系数a₀、a₁、a₂、…、a_n-1；

步骤6将步骤5得到的系数值，带入公式（1）中，得到准确的间隙值。

所述的步骤1所述的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_1(d,\mathrm{\θ})\\ P_2=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_2(d,\mathrm{\θ})\\ ...\\ P_n=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_n{(d,\mathrm{\θ})}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中P₀为发射光纤的出射光功率，ρ₀为激光光源的强度漂移对测量结果的影响系数，ρ_R为被测钢球表面反射率变化对测量结果的影响系数；f_k(d,θ)为k组光纤束相对接收光强与间隙大小d，及钢球表面球面微元法线与传感器端面法线间的夹角θ的函数关系。

所述的步骤2的所述的P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，具体表示如下：

P＝P₁+P₂+...+P_n-1+P_n              （3）

$\left\{\begin{array}{c}\frac{P}{P_1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_1(d,\mathrm{\θ})}=g_1(d,\mathrm{\θ})\\ \frac{P}{P_2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_2(d,\mathrm{\θ})}=g_2(d,\mathrm{\θ})\\ ...\\ \frac{P}{P_{n-1}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_{n-1}(d,\mathrm{\θ})}=g_{n-1}(d,\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，各组光纤束接收到的光功率的和与第k组光纤束接收光功率之比只与g_k(d,θ)有关，而g_k(d,θ)只与被测钢球表面散射特性及d,θ有关；钢球的表面散射特性与加工工艺和材料有关，因此对同种钢球，同一个结构的光纤传感器的g_k(d,θ)是确定的；由于g_k(d,θ)只与d,θ有关，即间隙测量结果中不再受到光源漂移、表面反射率变化的影响，通过除法电路消除了该因素的影响。

所述的步骤5的详细过程如下：

首先，在给定的间隙处测量传感器的光强比值，将不同间隙d处的测量比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1代入方程（1）中，得到关系式：

$d_j=a_0+a_1\frac{P}{P_{1j}}+a_2\frac{P}{P_{2j}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)j}}---\left(5\right)$

其中，d_j代表不同的测量间隙，P/P_ij代表不同组的接收光纤在d_j间隙时的比值，i=1，2，…，n-1，j=1，2，…，n-1；展开得到方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=a_0+a_1\frac{P}{P_{11}}+a_2\frac{P}{P_{21}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)1}}\\ d_2=a_0+a_1\frac{P}{P_{12}}+a_2\frac{P}{P_{22}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)2}}\\ d_3=a_0+a_1\frac{P}{P_{13}}+a_2\frac{P}{P_{23}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)3}}\\ ...\\ d_{n-1}=a_0+a_1\frac{P}{P_{1(n-1)}}+a_2\frac{P}{P_{2(n-1)}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)(n-1)}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

解方程组（6），求得系数a₀、a₁、a₂、…,a_n-1，获得间隙与比值的确定关系式；然后，对于在测量过程中任意位置得到的比值，代入得到相应的间隙值。

本发明的有益效果如下：

该系统可以针对钢球的表面因凸起或凹坑引起的缺陷进行快速检测，用光纤传感器进行补偿，消除光纤传感器在测量中的影响因素，如光源波动、钢球表面反射率变化、钢球表面微元的曲面等造成的接收光强的变化，实现钢球表面缺陷的快速判断。

附图说明

图1光纤传感器的组成原理；

图2光纤传感器的端面排列结构；

图3钢球表面缺陷测试系统；

图4钢球缺陷光纤测试系统基本组成；

图5传感器端面与被测金属表面不同倾角的测量结果。

具体实施方式

光纤传感器在钢球表面缺陷测量中的补偿方法,包括以下步骤：

步骤1针对单个光纤发射，多组光纤接收散射光的传感器结构，采用光功率计测量得到检测入射光功率P₀和相应的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n；

步骤2对步骤1得到的P₁,P₂,...,P_n利用多路高速同步数据采集板进行数据采集，得到n路光强的数字信号，根据图2的光纤传感器的结构可以看出，不同组的接收光纤接收的反射光强来自于不同的球面微元面上，由于钢球表面为曲面，那么不同的微元面与传感器端面的倾角不同。对n组的光强求和，得到P＝P₁+P₂+P₃+...+P_n,再进行除运算，即用多组接收光强的和与每一组的接受光强相除，得到比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，此时获得了传感器与被测表面倾斜不同角度时的光强比值。

步骤3对步骤2得到的比值数据建立拟合方程，由于比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1消除了光源漂移对测量结果的影响，以及钢球表面反射率变化对测量结果的影响，那么间隙变化即是间隙随比值变化的函数可以表示为：

$d=a_0+a_1\frac{P}{P_1}+a_2\frac{P}{P_2}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{n-1}}---\left(1\right)$

其中，a₀、a₁、a₂、…,a_n-1是系数，d代表光纤传感器与被测钢球表面的间隙值。实际测量时，钢球在传感器端面下沿子午线展开。在钢球滚动测量时，若表面无凸凹缺陷，那么间隙值将不发生变化。若存在凸凹缺陷，间隙值将增大或减小，光纤传感器的各圈光纤接收的光强值也会变化，光强比值随之变化。此时的间隙只包含了钢球表面的缺陷信息，即钢球表面的凸起或者凹坑。

为了确定该方程的解函数，即是确定系数a₀、a₁、a₂、…,a_n-1，首先，在给定的间隙处测量传感器的光强比值，将不同间隙d处的测量比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1代入方程（1）中，得到关系式：

$d_j=a_0+a_1\frac{P}{P_{1j}}+a_2\frac{P}{P_{2j}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)j}}---\left(5\right)$

其中，d_j代表不同的测量间隙，P/P_ij代表不同组的接收光纤在d_j间隙时的比值，i=1，2，…，n-1，展开得到方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=a_0+a_1\frac{P}{P_{11}}+a_2\frac{P}{P_{21}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)1}}\\ d_2=a_0+a_1\frac{P}{P_{12}}+a_2\frac{P}{P_{22}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)2}}\\ d_3=a_0+a_1\frac{P}{P_{13}}+a_2\frac{P}{P_{23}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)3}}\\ ...\\ d_{n-1}=a_0+a_1\frac{P}{P_{1(n-1)}}+a_2\frac{P}{P_{2(n-1)}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)(n-1)}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

解方程组（3），求得系数a₀、a₁、a₂、…,a_n-1，可以获得间隙与比值的确定关系式。然后，对于在测量过程中任意位置得到的比值，代入可以得到相应的间隙值。

所述的步骤1所述的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_1(d,\mathrm{\θ})\\ P_2=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_2(d,\mathrm{\θ})\\ ...\\ P_n=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_n{(d,\mathrm{\θ})}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中P₀为发射光纤的出射光功率，ρ₀为激光光源的强度漂移对测量结果的影响系数，ρ_R为被测钢球表面反射率变化对测量结果的影响系数；f_k(d,θ)为k组光纤束相对接收光强与间隙大小d，及钢球表面球面微元法线与传感器端面法线间的夹角θ的函数关系。

所述的步骤2的所述的P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，具体表示如下：

P＝P₁+P₂+...+P_n-1+P_n

$\left\{\begin{array}{c}\frac{P}{P_1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_1(d,\mathrm{\θ})}=g_1(d,\mathrm{\θ})\\ \frac{P}{P_2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_2(d,\mathrm{\θ})}=g_2(d,\mathrm{\θ})\\ ...\\ \frac{P}{P_{n-1}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_{n-1}(d,\mathrm{\θ})}=g_{n-1}(d,\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，各组光纤束接收到的光功率的和与第k组光纤束接收光功率之比只与g_k(d,θ)有关，而g_k(d,θ)只与被测钢球表面散射特性及d,θ有关；钢球的表面散射特性与加工工艺和材料有关，因此对同种钢球，同一个结构的光纤传感器的g_k(d,θ)是确定的；由于g_k(d,θ)只与d,θ有关，即间隙测量结果中不再受到光源漂移、表面反射率变化的影响，通过除法电路消除了该因素的影响。

Claims (4)

1.基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤1针对单个光纤发射，多组光纤接收散射光的传感器结构，采用光功率计测量得到检测入射光功率P₀和相应的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n；

步骤2对步骤1得到的P₁,P₂,...,P_n利用多路高速同步数据采集板进行数据采集，得到n路光强的数字信号；对n组的光强求和，得到P＝P₁+P₂+P₃+...+P_n；

步骤3对步骤2得到的P,P₁,P₂,...,P_n进行除运算，即用多组接收光强的和与每一组的接受光强相除，得到比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，此时获得了传感器与被测表面倾斜不同角度时的光强比值；

步骤4建立间隙随比值变化的函数：

$d=a_0+a_1\frac{P}{P_1}+a_2\frac{P}{P_2}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{n-1}}---\left(1\right)$

其中，a₀、a₁、a₂、…,a_n-1是系数，d代表光纤传感器与被测钢球表面的间隙值；

步骤5确定系数a₀、a₁、a₂、…、a_n-1；

步骤6将步骤5得到的系数值，带入公式（1）中，得到准确的间隙值。

2.如权利要求1所述的基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法,其特征在于，所述的步骤1所述的多组光纤接收的光功率P₁,P₂,...,P_n如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_1(d,\mathrm{\θ})\\ P_2=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_2(d,\mathrm{\θ})\\ ...\\ P_n=P_0{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\ρ}}_R{f}_n{(d,\mathrm{\θ})}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中P₀为发射光纤的出射光功率，ρ₀为激光光源的强度漂移对测量结果的影响系数，ρ_R为被测钢球表面反射率变化对测量结果的影响系数；f_k(d,θ)为k组光纤束相对接收光强与间隙大小d，及钢球表面球面微元法线与传感器端面法线间的夹角θ的函数关系。

3.如权利要求1所述的基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法,其特征在于，所述的步骤2的所述的P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1，具体表示如下：

P＝P₁+P₂+...+P_n-1+P_n             （3）

$\left\{\begin{array}{c}\frac{P}{P_1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_1(d,\mathrm{\θ})}=g_1(d,\mathrm{\θ})\\ \frac{P}{P_2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_2(d,\mathrm{\θ})}=g_2(d,\mathrm{\θ})\\ ...\\ \frac{P}{P_{n-1}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(d,\mathrm{\θ})}{f_{n-1}(d,\mathrm{\θ})}=g_{n-1}(d,\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，各组光纤束接收到的光功率的和与第k组光纤束接收光功率之比只与g_k(d,θ)有关，而g_k(d,θ)只与被测钢球表面散射特性及d,θ有关；钢球的表面散射特性与加工工艺和材料有关，因此对同种钢球，同一个结构的光纤传感器的g_k(d,θ)是确定的；由于g_k(d,θ)只与d,θ有关，即间隙测量结果中不再受到光源漂移、表面反射率变化的影响，通过除法电路消除了该因素的影响。

4.如权利要求1所述的基于光纤传感的钢球表面缺陷测量系统的补偿方法,其特征在于，

所述的步骤5的详细过程如下：

首先，在给定的间隙处测量传感器的光强比值，将不同间隙d处的测量比值P/P₁,P/P₂,...,P/P_n-1代入方程（1）中，得到关系式：

$d_j=a_0+a_1\frac{P}{P_{1j}}+a_2\frac{P}{P_{2j}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)j}}---\left(5\right)$

其中，d_j代表不同的测量间隙，P/P_ij代表不同组的接收光纤在d_j间隙时的比值，i=1，2，…，n-1，j=1，2，…，n-1；展开得到方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=a_0+a_1\frac{P}{P_{11}}+a_2\frac{P}{P_{21}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)1}}\\ d_2=a_0+a_1\frac{P}{P_{12}}+a_2\frac{P}{P_{22}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)2}}\\ d_3=a_0+a_1\frac{P}{P_{13}}+a_2\frac{P}{P_{23}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)3}}\\ ...\\ d_{n-1}=a_0+a_1\frac{P}{P_{1(n-1)}}+a_2\frac{P}{P_{2(n-1)}}+...+a_{n-1}\frac{P}{P_{(n-1)(n-1)}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

解方程组（6），求得系数a₀、a₁、a₂、…,a_n-1，获得间隙与比值的确定关系式；然后，对于在测量过程中任意位置得到的比值，代入得到相应的间隙值。

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