CN104849288A - 一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，运用光纤束传像原理，将传像光纤有规则地排列在一个同心圆周上，实现外圆柱表面一周的图像采集及缺陷检测。该装置主要包括球面聚光反射镜、点光源、聚焦透镜系统、传光光纤、自聚焦棒透镜、传像光纤、柱面透镜和线阵CCD。本发明一方面通过光纤将外界照明光引入，使被检测表面的环状检测区域被充分照明；另一方面利用传像光纤把被检测表面的反射光传递给CCD聚焦透镜系统；最后通过图像采集卡和计算机软件分析检测圆柱类物体外表面的缺陷。该装置结构简单，在对封闭回转表面进行检测时，不需要待测物体或线阵CCD的旋转，便可完成对圆柱表面整个圆周微痕缺陷的实时检测。

Description

一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统。

背景技术

随着现代化生产和加工技术的发展，对加工零件或其他产品的检测速度与精度有了更高的要求，检测技术也向着高速高精、非接触和在线检测的方向发展。目前国内外对基于光电检测的非接触圆周表面检测技术进行了一些研究，概括起来主要有激光投影法和CCD成像法。

激光投影法的工作原理是将待测物体置于平行光源中并投影到光电探测器接受面上，接受面上的明暗位置和光强度代表了待测物体的位置或外形尺寸信息。根据探测器输出电信号的大小，即可测出待测体尺寸或位置信息。如常德烟草机械有限责任公司研究所也提出了一种激光式在线烟支外圆柱面表面缺陷检测的新方法，激光式传感器通过发射器发出激光光束,光束经过烟支后在接收器产生阴影,传感器通过计算阴影长度便可得出烟支的直径。依据激光传感器的特性,在线烟支外圆柱面表面缺陷检测系统通过步进电机带动激光传感器探头围绕烟支来回180°转动,实现对烟支全方位的直径检测,从而可以得出烟支的平均圆周长和圆度(参见“基于激光传感器的在线烟支外圆柱面表面缺陷检测系统研究。洪杰，湖南文理学院学报，第24卷，第3期，2012”)。

成像法的工作原理是利用光学系统直接使被测件成像于CCD光电接受面上，然后通过图像处理得出物体表面缺陷信息。如重庆大学提出的轴类零件的高精度形状误差检测方法，采用步进电机带动零件旋转，以CCD摄像方式来逐场获取轴类零件的局部光学信息，然后对采集到的轴类零件图片进行图像拼合与处理,得到零件各处的特征信息,从而精确快速地检测出轴类零件各个位置的几何尺寸和形位公差,判断出被测零件是否为合格产品(参见“轴类零件的高精度形状误差检测方法研究。郭林等，重庆大学学报,重庆400044”)。

前面所提到的两种技术当中，虽然可以实现圆周检测，但是存在众多不足：①无论是激光投影法还是CCD成像法，每次均只能获取待测圆柱形物体的局部信息；前者激光传感器探头要围绕产品做来回180°的转动，后者CCD相机要沿着圆柱进行周向的扫描摄像，才能完成对零件的整个外圆柱表面的缺陷检测。这样的测量方式不仅效率低下，而且还需要相应的旋转机构以及复杂的控制系统，机械电气结构繁琐、操作复杂、协调控制困难，不能适应社会生产高效率、低成本以及高智能的需求；②上述测量方法得到的图像采集端均有光电转换器件(如CCD)，抗干扰性弱，在有磁场和电场等干扰的场合很容易引起信号的失真；③上述测量方法，特别是CCD成像法，很难适应光线不足的场合，在光线不足时会影响测量精度；④上述测量方法，特别是CCD成像法，当成像系统位于圆柱表面外侧时，由于圆柱面同一圆周上各点到成像系统距离不等，而距离越近的点所成的图像越清晰，这样不同的点将会产生不同的误差，大大降低了检测精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提高生产效率，本发明提供一种基于光纤图像传输的外圆柱表面微痕缺陷的检测系统，该检测系统操作简单，一次可检测零件的外圆周表面环状一圈的表面缺陷，检测效率高；同时，利用了光纤传像束技术，检测精度高，能适应不同工作场合。

本发明所采用的技术方案是：将传像光纤的一端均匀地沿径向方向排布在一个圆周上，每根光纤传递物体圆周上每一个微小区域的图像信息，这样一圈的光纤正好可以传递物体整个圆周一圈的图像信息；同时，每束传像光纤周围都紧密排列着传光光纤用以照明视场，让足够的光线经被测物体反射后射入传像光纤。这样，当圆柱类物体穿过此圆周内部时，不需待测物体的旋转运动，传像光纤便可将圆柱外表面圆周一圈的图像信息传递给线阵CCD，然后经线阵CCD将光信号转变为电信号，传递到计算机。最后，利用PC机便可对零件整个圆周表面的缺陷进行实时分析与检测。

具体地，本发明提供了一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，该检测系统包括光纤传光子系统、检测端光纤照明子系统、传像子系统，以及图像数据采集与处理子系统，其中：

所述光纤传光子系统包括点光源、球面聚光反射镜、聚焦透镜系统和传光光纤，点光源发出的光经球面聚光反射镜反射后，聚集成一束平行光，再经过聚焦透镜系统传入传光光纤，用以照明被检测物体表面；

所述产品检测端光纤照明子系统包括检测环、传光光纤和传像光纤，传像光纤呈圆周形均匀地排布在检测环上，每根传像光纤传递被检测物体圆周上每一个小点的图像信息，排列在圆周一圈的传像光纤传递被检测物体整个圆周的图像信息；同时对于每一根传像光纤，其周围紧密的排列着一圈传光光纤，每根传光光纤的光照亮每根传像光纤的视场，一根传像光纤与其周围排列的传光光纤开成一条光纤束；

所述传像子系统包括自聚焦棒透镜、传像光纤和圆柱透镜，自聚焦棒透镜排列在传像光纤的光线采集端，用以聚焦光线到传像光纤，圆柱透镜排列在传像光纤的光路输出端，用以聚焦光线到线阵CCD；

数据采集与处理子系统，包括线阵CCD和计算机，传像光纤输出的图像经由圆柱透镜成像在线阵CCD的靶面上,由图像采集卡采集到计算机后显示并进行图像处理。

本发明的一个实施例中，所述光纤束的排列方式为：

每根传像光纤周围都有传光光纤围成一周，并且相邻的传像光纤共享与它们都相邻的传光光纤；

每根传像光纤周围排列的传光光纤数目n、传像光纤的总数M以及传光光纤的总数N分别为：

sin(π/n)＝d/(D+d)，M＝πΦ/[(D+d)cos(θ/2)]，N＝(n-2)×M，D为传像光纤的直径，d为传光光纤的直径，Φ为光纤束排列所在的圆周直径。

本发明的一个实施例中，所述光纤束的排列方式为：

传像光纤紧密的排成一周，传光光纤分别紧密的排列在这一圈传像光纤的上下两面上；

每根传像光纤周围排列的传光光纤数目n、传像光纤的总数M以及传光光纤的总数N分别为：

(n/2-1)*2arcsin(d/(D+d))+2arccos(D/(D+d))＝π，M＝πΦ/D，N＝(n-2)×M，D为传像光纤的直径，d为传光光纤的直径，Φ为光纤束排列所在的圆周直径。

与现有技术相比，本发明“一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统”具有以下有益效果：

(1)在零件检测的过程中，无需检测装置或待检测物体的转动，只需被检测物体的轴向平移，就可完成对待检测物体的圆周表面质量的实时非接触性检测，大大提高了检测效率，方便快捷；同时，本检测方法不同于现有的技术方案，省去了相应的旋转机构及控制系统，精简了结构、降低了成本、简化了操作；

(2)本系统利用光纤传像束技术，将成像系统与检测端分离，检测过程中传递的是光信号，实时性强、稳定性高，不容易受到外界电场、磁场等的干扰；同时，也使得检测端更加小巧灵活；

(3)本系统加入了传光系统，使得检测端光线均匀、充足，大大提升了检测精度的稳定性，在周围环境光的弱光条件下也可以正常工作，保证应有的检测精度的稳定性；

(4)本系统的检测端为圆环状，当被测圆柱的轴心与检测端轴心重合时，被测件表面各点到检测端的距离相等，因此各点的测量误差大致相同，精度更高；

(5)本检测方法的每一根细小的传像光纤对应一个很小的区域，可以很直观地对物体表面微小缺陷进行检测，数据处理更加方便；同时，测量精度与光纤直径密切相关，因此测量精度可达微米级别，分辨率高。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的产品检测端的光纤束排列示意图；

图3是本发明的光纤束周向排列示意图；

图4是本发明的传像原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-球面聚光反射镜、2-点光源、3-聚焦透镜系统、4-传光光纤、5-检测环、6-自聚焦棒透镜、7-待测圆柱物体、8-传像光纤、9-圆柱透镜、10-线阵CCD、11-计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

近年来,光纤传像和光电检测在各个领域得到了十分广泛的应用。目前，用来传递图像的方式主要有传统光学系统、光纤束传像、CCD以及新兴的CMOS方法。传统光学系统(如显微镜，望远镜等)的重量和体积均不易减小、所需元器件数量较多、系统结构复杂且刚度高不易弯曲。CCD和CMOS都是用一种高感光度的半导体材料制成，能把光的亮度转变成电荷的大小，通过模数转换器芯片转换成数字信号，并借助于计算机的数据采集及处理手段，根据需要来修改图像。但是，由于成像过程涉及到光电转换，因而不能在电磁、核辐射和高温易腐蚀的场合下工作。用以传像的光纤束是一种可以任意弯曲、可以直接传输大量光信号的纤维光学元件，它将多根一定长度的光纤有规则地集合成束而达到能传递图像的目的。每根光纤都有良好的光学绝缘，其独立传光面不受邻近其它光纤的影响。光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以光信号为载体，以光电器件为基础，通过对载有被测物体几何量或物理量的光信号进行检测、分析，而得到被测物体的几何参数及表面的缺陷，即通过光电检测器件接收光信号并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经A/D变换接口输入计算机，进行运算与处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量等参数。

如图1所示，为本发明基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统示意图，所述检测系统可分为光纤传光子系统、检测端光纤照明子系统、传像子系统，以及数据采集与处理子系统，各部分具体组成结构如下：

(1)光纤传光子系统

光纤传光子系统主要由点光源2、球面聚光反射镜1、聚焦透镜系统3和传光光纤4组成。点光源2发出的光经球面聚光反射镜1反射后，聚集成一束平行光，再经过聚焦透镜系统3传入传光光纤4，用以照明被检测物体表面。光纤传光子系统中的传光光纤,不仅要求其直径尽量小,还应有较高的数值孔径,才能达到较高的耦合效率,进而提高成像视场的光照度。

(2)检测端光纤照明子系统

如图2所示，在产品检测端，传像光纤8呈圆周形均匀地排布在检测环5上，每根传像光纤8传递物体圆周上每一个小点的图像信息，这样排列在圆周一圈的传像光纤正好可以传递物体整个圆周的图像信息；同时，对于每一根传像光纤8，其周围都紧密的排列着一圈传光光纤4，这样每根传光光纤的光就可以照亮每束传像光纤束的视场，一根传像光纤与其周围排列的传光光纤开成一条光纤束；排列成一圈的光纤束就可以很清晰地将被测物体表面信息传输出去。

在每一根光纤束中，传像光线8和传光光纤4的具体排列(沿检测环圆周展开)如图3所示，假设传像光纤8的直径为D，传光光纤4的直径为d，每根传像光线8周围有n根传光光纤4与其直接接触(一根传光光纤周围有多根传光光纤包围),传光光纤4的总数为N，传像光纤8的总数为M,光纤束排列所在的圆周直径为Φ，则有：

①排列a，每根传像光纤周围都有传光光纤围成一周，并且相邻的传像光纤共享与他们都相邻的传光光纤，具体排列见图3-排列a：

对于排列a，设每根传像光纤周围有n根传光光纤围成一周，故有θ＝2π/n,又根据几何关系，sin(θ/2)＝d/(D+d),所以在排列时n、D和d的约束关系为：

sin(π/n)＝d/(D+d)  ①

将光纤束沿检测环周长方向展开，得M和Φ的关系约为：

πΦ＝M×(D+d)cos(θ/2)，即M＝πΦ/[(D+d)cos(θ/2)]  ②

由传光光纤和传像光纤的排列关系，易得N和M的关系约为：

N＝(n-2)×M  ③

因此，若D、d和Φ已知，则由①、②和③可得每根传像光纤周围排列的传光光纤数目n、传像光纤的总数M以及传光光纤的总数N。

②排列b，传像光纤紧密的排成一周，传光光纤分别紧密的排列在这一圈传光光纤的上下两面上：

对于排列b，假设对于每一根传像光纤的上半圆周,有(n/2-1)θ+2α＝π,又根据几何关系sin(θ/2)＝d/(D+d),cos(α)＝D/(D+d),所以在排列时n、D和d的约束关系为：

(n/2-1)*2arcsin(d/(D+d))+2arccos(D/(D+d))＝π  ④

将光纤束沿检测环周长方向展开，得M和R₀的关系约为：

πΦ＝M×D，即M＝πΦ/D  ⑤

由传光光纤和传像光纤的排列关系，易得N和M的关系约为：

N＝(n-2)×M  ⑥

同样，若D、d和Φ已知，则由④、⑤和⑥可得每根传像光纤周围排列的传光光纤数目n、传像光纤的总数M以及传光光纤的总数N。

总之，对于以上两种排列，通过以上公式便可确定光纤束的尺寸规格，以及光纤束的数量。

(3)传像子系统

如图1所示，传像子系统是由自聚焦棒透镜6、传像光纤8、圆柱透镜9组成。自聚焦棒透镜6排列在传像光纤8的光线采集端，用以聚焦光线到传像光纤8，圆柱透镜9排列在传像光纤8的光路输出端，用以聚焦光线到CCD感光原件。传像子系统的设计是体现系统性能的关键部分,它的合理设计可以保证系统具有理想的视场角、分辨率和景深。系统的景深主要与入瞳尺寸和成像透镜的焦距有关,本工作所用的成像透镜为近年来发展起来的自聚焦棒透镜,这种透镜不同于传统的球面透镜,其折射率由透镜中心沿径向梯度分布。棒透镜尺寸和焦距可以小到毫米量级,并具有较大的数值孔径和较小的像差。

传像光纤束的传像原理图如附图4示，传像光纤束是将多根一定长度的光纤有规则地集合成束而达到能传递图像的纤维光学元件。每根光纤都有良好的光学绝缘，其独立传光面不受邻近其它光纤的影响。在本发明中，每根传像光纤8还与一个自聚焦帮透镜6对应，自聚焦透镜6能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点，聚焦给传像光纤，自聚焦棒透镜6的直径应大于传像光纤的直径，一般为D+2d。这样，光纤的传光面(即光纤芯层)就可看作为1个取样孔，在独立的传光过程中携带着1个像元。像元的大小为取样孔的大小，像元的数目等于端面上光纤的根数。传像束两端必须相关排列，一一对应。

(4)数据采集与处理子系统

该部分与通用图像采集系统类似，由线阵CCD 10和计算机11组成。传像光纤输出的图像经由圆柱透镜9成像在线阵CCD 11的靶面上,由图像采集卡采集到计算机后进行图像处理并实时显示。在本工作的传像子系统中,图像不仅被实时采集显示，而且可存储到计算机中以备后期处理,进而可以大大地提高诊断的可靠性。同时可利用计算机进行图像数据的管理,为以后实现诊断系统的智能化打下基础。

下面结合附图3(排列a)对本发明的检测方法用实例作详细说明。

假设光纤束所在圆周直径为Φ＝100mm，则周长C＝πΦ＝100πmm。就排列a而言，若选取传像光纤直径(外径)D＝640um，传光光纤直径(外径)d＝280um，因为每根传像光纤对应一个自聚焦帮透镜，所以取自聚焦棒透镜的直径d1＝D+2d＝1.1mm，这样就可以采用直径为1mm的自聚焦帮透镜。

由公式①，得：

$n=\frac{\mathrm{\π}}{\left(\frac{d}{D+d}\right)}=7.88,$ 取整数7

即每根传像光纤周围的传光光光纤个数n＝7，这样排列方案便可确定便可确定。

又根据公式②，有：

M＝πΦ/[(D+d)cos(θ/2)]＝370.55,近似取整370

即传像光纤需要370根。

根据公式③，有：

N＝(n-2)×M＝1850

即传光光纤需要1850根。

至此，检测端的光纤束的排列已经确定。对于照明系统，在点光源2的一端，把这1850根传光光纤紧密地排列成圆柱状，组成一束照明光线束4，排列在聚焦透镜系统3右面，构成照明系统。

在检测产品时，点光源2发出的光经球面聚光反射镜1后变成一束平行光，然后经过聚焦透镜系统3聚焦到传光光纤4，在传光光纤4内，经过一系列的全反射，最终传到检测端，即传像光纤8与传光光纤4耦合而成的光纤束簇的一端。

检测时，圆柱状零件应自上而下穿过检测环5，且尽量保持圆柱轴心与检测环5轴心重合。当零件进入分布有光纤束的检测环5区域内时，经传光光纤4传来的光便照射到整个零件的圆周表面上，经过一系列反射，大部分光线会经过传像光纤8前端的自聚焦棒透镜6，最后聚焦到传像光纤8，在传像光纤8内，经过一系列全反射，最终到达圆柱透镜9，经过聚焦成像在线阵CCD10上，最后由图像采集卡采集到计算机后显示并进行图像处理，圆柱状物体的整个圆周的图像便可实时的显示出来，用以检测。

本发明涉及光学、激光技术、精密机械、电子学、光电传感技术和计算机技术等多学科技术领域，是光、机、电、算一体化检测仪器和设备，具有高速度、高精度、非接触、便于数字化、便于计算机实时数据处理和控制、抗干扰能力强、可实现在线检测等特点，可满足现代工业生产发展的需要，其应用领域几乎可以覆盖所有制造业，应用前景十分广阔，对提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、提高经济效益具有重要意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，其特征在于，该检测系统包括光纤传光子系统、检测端光纤照明子系统、传像子系统，以及数据采集与处理子系统，其中：

所述光纤传光子系统包括点光源(2)、球面聚光反射镜(1)、聚焦透镜系统(3)和传光光纤(4)；点光源(2)发出的光经球面聚光反射镜(1)反射聚焦后，经过聚焦透镜系统(3)，形成一束平行光导入传光光纤(4)，传光光纤(4)在出射端围绕外圆柱面轴线同心地均匀排列，并将照明光传递到被检测的外圆柱周围，形成环状的均匀照明区域，用以照明被检测外圆柱的外表面；

所述检测端光纤照明子系统包括检测环(5)、传光光纤(4)、自聚焦棒透镜(6)和传像光纤(8)；传光光纤(4)及传像光纤(8)呈圆周状均匀地排布在检测环(5)上，每根传像光纤(8)传递被检测物体圆周上某一个对应位置的微小区域的图像信息，排列在圆周一圈的传像光纤(8)的组合将传递被检测圆柱外表面一圈环形区域的图像信息；对于每一根传像光纤(8)，其周围紧密的有规律地排列着一组传光光纤(4)，若干根传光光纤(4)的组合，便可照亮每根传像光纤(8)的视场，一根传像光纤(8)与其周围排列的传光光纤(4)形成一条光纤束，有规律整齐地排列安放在检测环(5)上；

所述传像子系统包括自聚焦棒透镜(6)、传像光纤(8)和圆柱透镜(9)；自聚焦棒透镜(6)排列在传像光纤(8)的光线采集端，用以聚焦由被测表面反射回来的光线到传像光纤(8)中，圆柱透镜(9)排列在传像光纤(8)的光路输出端，用以聚焦光线到线阵CCD(10)上，以得到被测表面的图像；

所述数据采集与处理子系统，包括线阵CCD(10)和计算机(11)，传像光纤(8)输出的图像经由圆柱透镜(9)成像在线阵CCD(11)的靶面上,由图像采集卡采集并传输到计算机后(11)显示并进行图像处理。

2.如权利要求1所述的基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷检测系统，其特征在于，所述光纤束的排列方式为：

每根传像光纤(8)周围都有传光光纤(4)围成一周或半圈，并且相邻的传像光纤(8)共享与它们都相邻的传光光纤(4)；

每根传像光纤周围排列的传光光纤(4)数目n、传像光纤(8)的总数M以及传光光纤(4)的总数N分别为：

sin(π/n)＝d/(D+d)，M＝πΦ/[(D+d)cos(θ/2)]，N＝(n-2)×M，D为传像光纤(8)的直径，d为传光光纤(4)的直径，Φ为光纤束排列所在的圆周直径。

3.如权利要求1所述的基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，其特征在于，所述光纤束的排列方式为：

传像光纤(8)紧密的排成一周，传光光纤(4)分别紧密的排列在这一圈传像光纤(8)的上下两面上；

每根传像光纤周围排列的传光光纤(4)数目n、传像光纤(8)的总数M以及传光光纤(4)的总数N分别为：

(n/2-1)*2arcsin(d/(D+d))+2arccos(D/(D+d))＝π，M＝πΦ/D，N＝(n-2)×M，D为传像光纤(8)的直径，d为传光光纤(4)的直径，Φ为光纤束排列所在的圆周直径。