检测钢球表面缺陷的双波长同轴光纤传感器及方法与流程

本发明涉及一种检测钢球表面缺陷的双波长同轴光纤传感器及方法。

背景技术：

轴承作为机械设备中非常重要的基础件应用极其广泛，在军工、国防、高精密仪器仪表等要求可靠性高的领域，要求产品要做到“零缺陷”在《中国制造2025》中“强基工程”将高速高精密轴承列为重点发展项目。钢球作为轴承的主要零件，它的质量对轴承的寿命、性能和精度等有着决定性的影响。实验统计表明由钢球表面缺陷造成的轴承失效率在58.8％以上，可知钢球的表面质量是影响轴承性能的关键因素之一。钢球表面缺陷按缺陷形态的不同可分为麻点、斑点、擦痕、划条、凹坑等几类。

目前，用于钢球表面缺陷检测的方法主要有光电检测法、机器视觉法、电涡流检测法、超声波探伤法等。每种单一的方法都有其特定的优点但也存在一定的不足之处，所用的每种传感器只能检测钢球表面的一个缺陷参数，效率较低。对钢球表面的完全检测通常需要多个传感器组合共同完成，这样仅就传感器部分就会引入多个误差，导致钢球的整体检测精度降低，而且多个传感器的安装调试等过程繁琐，增加工作难度，一旦有一个传感器发生故障，就会导致漏检或误检。国外先进的钢球表面缺陷检测仪，价格昂贵，而且许多元件都是易损件，需要定期更换才能保持检测精度，导致后续维护费用较高。我国作为钢球生产大国，普通钢球厂年产量达百亿粒，如果通过购置国外昂贵的检测设备进行钢球表面缺陷的检测，一般钢球厂家难以承担高额的设备费用。钢球表面缺陷检测是整个生产工艺流程的最后一道质量检测关卡，是成品钢球出厂精度的决定性工序。

我国现在已成为世界上钢球产量和出口量最大的国家，然而高端钢球却受制于日本、捷克等国家，主要是钢球生产中缺少高效率高精度的钢球表面缺陷检测设备。钢球表面缺陷的检测问题已经成为牵制企业发展的瓶颈。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种检测钢球表面缺陷的双波长同轴光纤传感器及方法，本发明把钢球的几类缺陷参数化为表面缺陷高度、表面缺陷深度和表面缺陷反射率，其中表面缺陷高度和表面缺陷深度为位移的变化，表面缺陷反射率为粗糙度的变化；同时，充分发挥光纤传感器外形细小、损耗低、精度高、非接触检测等独特的优点，而且可以进行位移、压力、温度、粗糙度等多种参数检测的特点。将光纤传感技术更好的应用于钢球表面缺陷检测中，为开发高精度、高效率、价格适中的钢球表面缺陷检测仪奠定基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种检测钢球表面缺陷的双波长同轴光纤传感器，包括两种波长的半导体光源，两种波长的半导体光源的光线经过光纤耦合器耦合到光纤束探头的发射光纤处发出，光照射到钢球表面后发生反射，反射回来的光由同轴的两个接收光纤束接收；

所述两个接收光纤束的光信号经过光纤耦合器耦合后再进行波长分离后，通过光电探测器进行光电转换，再对不同接收光纤束、不同波长下接收的光功率光电转换值进行比值运算，得出钢球表面的位移、粗糙度参数信息，进而判断判断钢球表面的缺陷情况。

进一步的，所述光纤传感器为双波长同轴光纤传感器。

进一步的，所述半导体光源，分别使用1310nm和1550nm两种波长的光。

进一步的，光纤束探头为中心具有一根发射光纤周围两圈接收光纤的同轴式结构，周围两圈接收光纤分别为六根和十二根，所有光纤紧密排列成六边形。

在光源与发射光纤连接处的光纤耦合器为二合一光纤耦合器。

在接收光纤输出端的光纤耦合器为六合一光纤耦合器，把光纤束探头的第一圈的六根接收光纤接收到的光用一个六合一光纤耦合器耦合到一根光纤中作为一个整体，第二圈十二根接收光纤用两个六合一光纤耦合器。

所述波分复用器为一分二波分复用器，将接收到的光分成1310nm和1550nm两路。

第二圈接收光纤连接的两个六合一光纤耦合器，经波分复用器后输出两路1310nm和两路1550nm的光，再由光电探测器分别转换成四路模拟电压值，将相同波长的两路光转换成的电压值进行相加，作为一个整体。

一种检测钢球表面缺陷的方法，两个半导体光源发出两种波长的光，通过光纤耦合器耦合到一根发射光纤中，由传感器探头中心发出，光照射到钢球表面后发生反射，反射回来的光由同轴的第一圈和第二圈接收光纤束接收，所接收反射光强的大小与钢球表面的缺陷情况有关，第一圈接收光纤和第二圈接收光纤的光信号进行耦合和波长分离后把每一路光进行光电转换；再对不同圈、不同波长下接收的光功率光电转换值进行比值运算，得出钢球表面的位移、粗糙度参数信息，进而判断判断钢球表面的缺陷情况。

通过检测位移和粗糙度来表征钢球表面缺陷。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用光纤传感技术可进行多参量检测的特点，设计的双波长同轴光纤传感器可同时测量钢球表面缺陷的位移和粗糙度参数，改变了目前一个传感器只能检测单一参数的局限，简化了以往对一个钢球检测需要多个传感器进行多次测量的繁杂过程，降低了漏检、误检率和测量误差，使用双波长法测粗糙度、同轴双光束法测位移，两个参数单独检测互不影响，对位移和粗糙度的检测均采用比值法，可以消除光源波动、表面反射率、信噪比等干扰的影响，增加检测的准确性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的双波长同轴光纤传感器探头端面结构图。

其中，1.1310nm半导体光源，2.1550nm半导体光源，3.二合一光纤耦合器，4.发射光纤，5.传感器探头，6.第一圈接收光纤(6根)，7.第二圈接收光纤(12根)，8.六合一光纤耦合器，9.波分复用器，10.光电探测器，11.钢球。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

由于现有技术中存在对钢球表面的完全检测通常需要多个传感器组合共同完成，这样仅就传感器部分就会引入多个误差，导致钢球的整体检测精度降低，而且多个传感器的安装调试等过程繁琐，增加工作难度，一旦有一个传感器发生故障，就会导致漏检或误检的不足。

为了解决上述问题，本发明提供一种用于钢球表面缺陷检测的双波长同轴光纤传感器，充分发挥光纤传感器外形细小、损耗低、精度高、非接触检测等独特的优点，而且可以进行位移、压力、温度、粗糙度等多种参数检测的特点。将光纤传感技术更好的应用于钢球表面缺陷检测中，为开发高精度、高效率、价格适中的钢球表面缺陷检测仪奠定基础。

如图1、图2所示，一种用于钢球表面缺陷检测的双波长同轴光纤传感器包括半导体光源1、2，二合一光纤耦合器3，发射光纤4，传感器探头5，第一圈接收光纤6，第二圈接收光纤7，六合一光纤耦合器8，波分复用器9，光电探测器10，钢球11。

半导体光源1是发射光波长为1310nm的光源，半导体光源2是发射光波长为1550nm的光源。

二合一光纤耦合器3把半导体光源1、2发出的两种波长的光耦合到一根发射光纤中。

发射光纤4、第一圈接收光纤6、第二圈接收光纤7尺寸均为105/125um的多模光纤，数值孔径na＝0.22。

传感器探头5把发射光纤4、接收光纤6、7集成一束同轴光纤，中心一根为发射光纤4，周围两圈为接收光纤6、7，其端面结构排列方式如图2所示。

六合一光纤耦合器8把第一圈接收光纤6、第二圈接收光纤7中每相间隔的6根光纤接收到的光耦合到一根光纤中。

波分复用器9把接收到的反射光分成两路，分别为1310nm和1550nm两种波长。

光电探测器10把光信号转换成电信号，第一圈接收光纤6输出的1310nm波长的光转换成的电信号为p11，第一圈接收光纤6输出的1550nm波长的光转换成的电信号为p12，第二圈接收光纤7与光纤a相间隔的6根光纤经六合一光纤耦合器8耦合后输出的1310nm波长的光转换成的电信号为p21a，第二圈接收光纤7与光纤a相间隔的6根光纤经六合一光纤耦合器8耦合后输出的1550nm波长的光转换成的电信号为p22a，第二圈接收光纤7与光纤b相间隔的6根光纤经六合一光纤耦合器8耦合后输出的1310nm波长的光转换成的电信号为p21b，第二圈接收光纤7与光纤b相间隔的6根光纤经六合一光纤耦合器8耦合后输出的1550nm波长的光转换成的电信号为p22b，如图1所示。

钢球11为直径4mm～10mm的成品钢球。

工作过程如下：

两个半导体光源1、2发出两种波长的光，通过二合一光纤耦合器3耦合到一根发射光纤中，由发射光纤4从传感器探头5的中心发出照射到钢球表面，反射回来的光由同轴接收光纤束6、7接收，用3个六合一光纤耦合器8对其耦合，耦合后输出的3个单根光纤把光信号分别传输到3个波分复用器9中进行波长分离，每个波分复用器9分离出1310mn和1550nm两种波长的光，再把每一路光送入光电探测器10进行光电转换，然后把输出的电信号进行分析、加和运算、比值运算等，得出钢球表面缺陷的位移、粗糙度变化情况，完成检测。

根据反射式强度调制型光纤传感器的测量原理得到接收光纤所接收的光功率为：

p＝i0·ρ·δ·γ·s·f(d)(1)

式中，i0为入射光强，ρ为光纤传输产生的损耗，δ为光源漂移波动系数，γ为表面反射率系数，s为接收光纤接收光的面积，f(d)为光纤纤芯半径r1和r2、数值孔径na等光纤参数，传感器探头到钢球表面的距离d、纤芯间距a等传感器结构参数的复合函数，当光纤参数确定时，f(d)是只关于检测距离d的函数，当使用两圈接收光纤接收到的光信号进行比值处理时，可以消除光纤传输损耗、光源漂移波动、表面反射率等干扰因素的影响，该比值是仅与传感器探头端面到被测钢球表面的距离d有关的函数，因此可以通过这种方法准确得到钢球表面的位移变化情况，从而判断钢球表面的位移缺陷，位移计算公式为：

式(2)和式(3)分别是对于1310nm和1550nm两种波长光的位移计算公式，还可以通过对这两种波长下所得位移的差异进一步分析，去除误差，提高测量精度。

接收光纤所接收的光功率又可表示为：

式中，i0为入射光强，λ为入射光波长，σ为被测元件表面轮廓均方根偏差，β(λ)为非系统误差，s为接收光纤接收光的面积，通过σ与粗糙度的关系即可反映表面粗糙度情况，同一传感器光纤传输路径、传输损耗等相同，可认为使用两种波长的光检测时产生的非系统误差β(λ1)与β(λ2)相同，当使用双波长比值法进行处理时可以消除非系统误差的影响，提高检测精度，因此可以通过这种方法准确的得到钢球表面的粗糙度变化情况，从而判断钢球表面的粗糙度缺陷，计算公式为：

式(5)和式(6)分别是第一圈接收光纤和第二圈接收光纤接收的光信息与σ的关系，式(7)是表面轮廓算数平均偏差即粗糙度ra与表面轮廓均方根偏差σ的关系，通过以上公式便可计算出表面粗糙度值，对内外两圈接收的光计算所得粗糙度的差异分析对比，可进一步提高测量精度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。