CN104390987B - 一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器及检测方法，该传感器主要由激光光源，光纤束和光纤固定填充物以及壳体组成的传感器探头，光电转换器组成；所述激光光源发射820纳米波长的红外光；所述的光纤束由19根光纤组成，包括1根发射光纤束和18根接收光纤，所述的发射光纤和接收光纤束呈紧密排列，构成一个二维等六边形阵列，轴心是发射光纤，由轴心依次向外是十字正交接收光纤，由6根光纤组成，分四路进行光电转换，呈十字正交排列，比值处理接收光纤束两路分别单独光电转换。本发明的有益效果是：将光纤传感技术应用到钢球表面缺陷检测中，能进行多参数自动化无损检测和实时处理，结构简单，体积小，测量精度高。

Description

一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器，尤其是能够实现一种传感器多个缺陷参数的测量，属于精密测量领域。

背景技术

根据机械行业标准《滚动轴承钢球表面缺陷图册及评定方法》，钢球表面缺陷划分为斑点、麻点、擦痕、划条和凹坑等，包括粗糙度检测、缺陷数目检测和缺陷尺寸的测量，缺陷尺寸包括缺陷长度尺寸、缺陷宽度尺寸以及缺陷深度尺寸，给钢球表面缺陷检测带来诸多不便，目前用于钢球表面缺陷检测的传感器大多仅能检测一个参数；工厂里广泛采用轮廓仪检查结合金相显微镜人工测量的方法，效率很低，对表面缺陷采用人工目检的传统方法，误检率高，或者引进国外钢球表面缺陷自动检测仪，价格昂贵。检测效率的限制以及国外核心技术的封锁导致国内钢球表面质量检测依靠按比例抽检，降低了钢球质量的可靠性，这已经成为制约我国钢球业发展一个瓶颈。

目前，在精密测量领域，一般传感器都是针对单一被测参数服务于专用仪器或装置，只能实现单项参数的测量，用反射式光纤传感器对钢球表面缺陷进行检测，还存在以下技术问题和不足：(1)钢球表面反射率的变化影响光学检测方法的性能；

(2)钢球球面的影响给传感器探头轴线与球心的安装定位带来不便；

(3)被测钢球倾斜面缺陷影响检测结果；

(4)钢球表面缺陷检测需要对多个参数进行评估。

发明内容

针对传统的钢球表面缺陷检测方法存在的问题，克服已有技术的不足，根据粗糙表面散射的理论以及双光束比较测量法以及反射式强度型光纤传感器工作特性，本发明提出了一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器，结构简单，体积小，测量精度高，能够实现多参数无损检测。

本发明采用的技术方案如下：

一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器，包括传感器探头和光电转换器，所述的传感器探头的光纤束由呈环状分布的19根光纤组成，其包括发射光纤和接收光纤束，所述的发射光纤和接收光纤束呈二维等六边形排列，轴心是发射光纤，由轴心依次向外圈是接收光纤，与发射光纤距离最近的6根接收光纤为十字正交接收光纤，其分为四路A₁，A₂，B₁，B₂分别各自与一个光电转换器相连，得到四路电信号；剩余12根接收光纤为比值处理接收光纤，且排布在同一圆周的6根比值处理接收光纤耦合为一路与一个光电转换器相连，得到两路信号C，D，传感器共输出六路电信号。

所述的十字正交接收光纤为等六边形排列，任选正六边形一条对应顶点的对角线作为Y轴，构建平面正交坐标系，与Y轴相交的两根光纤分别作为正半轴光纤与负半轴光纤，各与一个光电转换器相连；剩余四根接收光纤分别排列在X轴两侧，X轴正、负半轴各有两根光纤分别耦合为一路与一个光电转换器相连；最终形成了A₁，A₂，B₁，B₂四路信号；X轴光纤与Y轴光纤构成十字正交排列，X轴信号强度为Y轴信号强度的两倍，通过两个轴的信号强度区分两个参考轴。

所述的比值处理接收光纤，是根据与轴心发射光纤距离不同区分的，比值处理接收光纤有两路，每路各有六根光纤排列在同一半径大小的圆周上。

所述的光纤束中的19根光纤紧密排列，构成二维的等六边形阵列。

所述的激光光源发射820纳米波长的红外光。

本发明中所述的接收光纤，十字正交接收光纤分四路输出，比值处理接收光纤分两路输出。

本发明所述的接收光纤每一路输出单独与一个光电转换器相连进行光电转换，共有六路电信号输出。

本发明所述的发射光纤与接收光纤均为多模光纤。

本发明的检测方法，如下：

步骤1.对装置进行矫正；

利用十字正交接收光纤输出信号计算倾斜角度，在相互垂直的两个方向测量方程定义为：

$\∠\mathrm{\α}=\frac{Q_{A_1}-Q_{A_2}}{Q_{A_1}+Q_{A_2}},\∠\mathrm{\β}=\frac{Q_{B_1}-Q_{B_2}}{Q_{B_1}+Q_{B_2}};$

其中:α为倾斜面在X轴方向的夹角，β为倾斜面在Y轴方向的夹角；Q_A1，Q_A2，Q_B1，Q_B2分别为A₁，A₂，B₁，B₂不同路输出光电转换电压值；

当α与β角度在误差设定的范围内时，装置不需要进行任何矫正；

当α与β角度超出误差设定的范围时，对装置的探头或钢球位置进行调整，使其在误差设定的范围内；

步骤2.测量钢球表面的粗糙度；

在步骤1对装置进行矫正之后，测量钢球表面的粗糙度：

Q＝Q_C+Q_D，

其中：Q_C，Q_D为比值处理接收光纤光电转换输出，Q值输出结果与钢球表面粗糙度成对应关系，经过标定能得到钢球的粗糙度值。

步骤3.测量钢球表面位移变化缺陷

测量钢球表面有位移变化的缺陷，对缺陷长度、缺陷宽度、缺陷深度以及缺陷高度变化敏感。

采取双光束比较测量法，把比值处理接收光纤束的输出信号做比值处理，比值是仅与传感器探头端面到被测钢球表面距离h有关的函数，而与光强的大小、钢球表面粗糙度以及光纤传输损耗等因素无关，通过这种方法消掉反射率的影响，从而提取缺陷特征中的位移信息，准确检测出粗糙表面的位移变化缺陷，传感器测量方程定义为：

$H\left(h\right)=\frac{Q_C-Q_D}{Q_C+Q_D}$

H(h)是光电转换输出电压值的比值，比值与位移变化呈对应关系，经过标定进行位移测量。

H(h)为仅与表面缺陷位移信息有关，可以有效检测有位移变化的缺陷，而不用考虑粗糙度的影响。经过标定可以进行位移测量，这种方法还可以应用到除钢球表面位移缺陷检测以外的其他有位移变化的场合。由于H(h)为检测光强信号的比值，减少了干扰因素的影响，提高测量精度。

通过十字正交接收光纤的角度测量，能够准确确定钢球表面缺陷倾斜情况，防止出现由于倾斜情况导致的定向反射光使测量结果出现偏差；通过这两个夹角，还可以方便探头定位安装。

本发明的有益效果是：

1.本发明采取了双光束比较测量法，把不同接收光纤束输出信号做比值处理，比值是仅与不同圈光纤端面到反射体的距离有关的函数，而与光强的大小、反射体的粗糙度以及光纤传输损耗等因素无关，因此这种方法通过可以消掉反射率的影响，从而提取缺陷特征中的位移信息。

2.利用十字正交接收光纤输出计算倾斜角度，使得传感器探头在钢球检测时安装定位方便准确。

3.充分考虑钢球球面，缺陷倾斜面等多因素的影响，测量精度高。

4.十字正交接收光纤分四路信号输出，A₁、A₂、B₁、B₂分别十字对称排列；此传感器探头结构，根据四路信号的差异决定探头轴心安装与钢球球心对中，探头安装确定以后，接收光纤A₁与A₂，B₁与B₂光强信号的变化可以计算出被测钢球表明倾斜面的角度。若探头安装存在对中不好，通过十字正交接收光纤的补偿作用可以消除。

附图说明

图1是光纤传感器探头横截面示意图；

图2是光纤传感器外观示意图；

图3是光纤传感器探头钢球缺陷检测示意图；

图中1.发射光纤，2.十字正交接收光纤，3.比值处理接收光纤束C，4.比值处理接收光纤束D，5.光纤固定填充物，6.壳体，7.激光光源，8.光电转换器，9.光纤束，10.传感器探头，11.钢球表面缺陷，12.被测钢球。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明用于被测钢球12的表面缺陷11检测，包括激光光源7、光电转换器8、传感器探头10，传感器探头10由光纤束9、光纤固定填充物5以及壳体6组成。

光纤束9包括19根光纤，其包括发射光纤和接收光纤束，所述的发射光纤和接收光纤束呈二维等六边形排列，轴心是发射光纤，由轴心依次向外圈是接收光纤，与发射光纤距离最近的六根光纤十字正交接收光纤2分为四路A₁，A₂，B₁，B₂分别与所述的光电转换器相连得到四路信号，且A₁，A₂，B₁，B₂为十字对称排列；剩余12根接收光纤为比值处理收光纤束C3和比值处理收光纤束D4，是根据与发射光纤距离的不同，排布在同一圆周的6根光纤耦合为一路与一个光电转换器相连，得到两路信号C，D；传感器共输出六路电信号，分别为Q_A1，Q_A2，Q_B1，Q_B2，Q_C，Q_D。

十字正交接收光纤为等六边形排列，任选正六边形一条对应顶点的对角线作为Y轴，构建平面正交坐标系，与Y轴相交的两根光纤分别作为正半轴光纤与负半轴光纤，各与一个光电转换器相连；剩余四根接收光纤分别排列在X轴两侧，X轴正、负半轴各有两根光纤分别耦合为一路与一个光电转换器相连；最终形成了A₁，A₂，B₁，B₂四路信号；X轴光纤与Y轴光纤构成十字正交排列，X轴信号强度为Y轴信号强度的两倍，通过两个轴的信号强度区分两个参考轴。

比值处理接收光纤，是根据与轴心发射光纤距离不同区分的，比值处理接收光纤有两路，每路各有六根光纤排列在同一半径大小的圆周上。

本发明所述的光纤束中的19根光纤紧密排列，构成二维的等六边形阵列。

所述的激光光源发射820纳米波长的红外光。

该传感器在钢球表面缺陷检测上，由传统的检测反射率来判断缺陷存在具体化为从缺陷深度、缺陷高度和缺陷反射率多参数评价缺陷，实现对表面缺陷检测的量化。缺陷深度、缺陷高度反映了位移量的变化，缺陷反射率反映了表面粗糙程度的变化，进而结合缺陷长度、宽度、以及缺陷数将钢球表面缺陷归类，判断出属于哪种缺陷和缺陷等级。

当钢球表面存在倾斜面时，测量会受到影响，可以利用十字正交接收光纤输出计算倾斜角度，在相互垂直的两个方向测量方程定义为：

$\∠\mathrm{\α}=\frac{Q_{A_1}-Q_{A_2}}{Q_{A_1}+Q_{A_2}},\∠\mathrm{\β}=\frac{Q_{B_1}-Q_{B_2}}{Q_{B_1}+Q_{B_2}}.$

根据这两个角度可以保证传感器探头的安装定位，传感器探头安装位置固定以后，角度值的变化反映出钢球表面形貌的变化，从而实施检测；

当α与β角度在误差设定的范围内时，装置不需要进行任何矫正；

当α与β角度超出误差设定的范围时，对装置的探头或钢球位置进行调整，使其在误差设定的范围内；

粗糙度测量，传感器测量方程定义为：

Q＝Q_C+Q_D，钢球表面粗糙程度不同，反射光强不同，经过标定就可以进行粗糙度测量。

在对单一位移量或反射率的变化进行检测时，比较容易测量，当这两个参数同时变化时，它们引起的光强变化趋势会叠加在一起，叠加效果出现不确定性，因此必须实现位移和粗糙度的分离提取，该发明采取了双光束比较测量法，把比值处理接收光纤束的输出做比值处理，比值是仅与传感器探头端面到被测钢球表面的距离h有关的函数，而与光强的大小、钢球表面粗糙度以及光纤传输损耗等因素无关，因此这种方法通过可以消掉反射率的影响，从而提取缺陷特征中的位移信息，准确检测出这种复合型缺陷，此时传感器测量方程定义为：

$H\left(h\right)=\frac{Q_C-Q_D}{Q_C+Q_D}$

由于H(h)为检测光强信号的比值，减少了干扰因素的影响，提高测量精度。

H(h)是光电转换输出电压值的比值，比值与位移变化呈对应关系，经过标定进行位移测量。

H(h)为仅与表面缺陷位移信息有关，可以有效检测有位移变化的缺陷，而不用考虑粗糙度的影响。经过标定可以进行位移测量，这种方法还可以应用到除钢球表面位移缺陷检测以外的其他有位移变化的场合。由于H(h)为检测光强信号的比值，减少了干扰因素的影响，提高测量精度。

将光纤传感技术应用到钢球表面质量检测中，实现了钢球表面缺陷的实时处理和自动化无损检测，并且能够同时测量多种缺陷。

Claims (3)

1.一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器，其特征在于：包括传感器探头和光电转换器，所述的传感器探头的光纤束由呈环状分布的19根光纤组成，其包括发射光纤和接收光纤束，所述的发射光纤和接收光纤束呈二维等六边形排列，轴心是发射光纤，由轴心依次向外圈是接收光纤，与发射光纤距离最近的6根接收光纤为十字正交接收光纤，其分为四路A₁，A₂，B₁，B₂分别各自与一个光电转换器相连，得到四路电信号；剩余12根接收光纤为比值处理接收光纤，且排布在同一圆周的6根比值处理接收光纤耦合为一路与一个光电转换器相连，得到两路信号C，D，传感器共输出六路电信号；

所述的十字正交接收光纤为等六边形排列，任选正六边形一条对应顶点的对角线作为Y轴，构建平面正交坐标系，与Y轴相交的两根光纤分别作为正半轴光纤与负半轴光纤，各与一个光电转换器相连；剩余四根接收光纤分别排列在X轴两侧，X轴正、负半轴各有两根光纤分别耦合为一路与一个光电转换器相连，最终形成了A₁，A₂，B₁，B₂四路电信号；且X轴光纤与Y轴光纤构成十字正交排列，X轴信号强度为Y轴信号强度的两倍；

所述的传感器探头还包括一个激光光源，其发射820纳米波长的红外光。

2.如权利要求1所述的检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器，其特征在于：所述的发射光纤与接收光纤均为多模光纤。

3.利用如权利要求1所述新型光纤传感器进行数据采集的方法，如下，其特征在于：

步骤1.对装置进行矫正；

利用十字正交接收光纤输出信号计算倾斜角度，在相互垂直的两个方向测量方程定义为：

$\∠\mathrm{\α}=\frac{Q_{A_1}-Q_{A_2}}{Q_{A_1}+Q_{A_2}},\∠\mathrm{\β}=\frac{Q_{B_1}-Q_{B_2}}{Q_{B_1}+Q_{B_2}};$

其中:α为倾斜面在X轴方向的夹角，β为倾斜面在Y轴方向的夹角；Q_A1，Q_A2，Q_B1，Q_B2分别为A₁，A₂，B₁，B₂不同路输出光电转换电压值；

当α与β角度在误差设定的范围内时，装置不需要进行任何矫正；

当α与β角度超出误差设定的范围时，对装置的探头或钢球位置进行调整，使其在误差设定的范围内；

步骤2.测量钢球表面的粗糙度；

在步骤1对装置进行矫正之后，利用下述功能公式测量钢球表面的粗糙度Q：

Q＝Q_C+Q_D，

其中：Q_C，Q_D为比值处理接收光纤光电转换输出；

步骤3.测量钢球表面位移变化缺陷

采用双光束比较测量法，把比值处理接收光纤束的输出信号做比值处理，比值是仅与传感器探头端面到被测钢球表面距离h有关的函数，而与光强的大小、钢球表面粗糙度以及光纤传输损耗等因素无关，通过这种方法消掉反射率的影响，提取缺陷特征中的位移信息，准确检测出粗糙表面的位移变化缺陷，传感器测量方程定义为：

$H\left(h\right)=\frac{Q_C-Q_D}{Q_C+Q_D}$

H(h)是光电转换输出电压值的比值，比值与位移变化呈对应关系，经过标定进行位移测量。