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的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄，概括起来主要有激光投影法和 CCD成像法。
[0003] 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宄 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 系统研宄。洪杰，湖南文理学院学报，第24卷，第3期，2012"）。
[0004] 成像法的工作原理是利用光学系统直接使被测件成像于(XD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宄。郭林等，重庆大学学报，重庆 400044"）。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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;
[0012] 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。
[0013] 本发明的一个实施例中，所述光纤束的排列方式为：
[0014] 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；
[0015]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：
[0016] sin (Jr/n) = d/(D+d)，M = Jr C>/[ (D+d) cos ( 9/2) ]，N = (n_2) XM，D 为传像光 纤的直径，d为传光光纤的直径，〇为光纤束排列所在的圆周直径。
[0017] 本发明的一个实施例中，所述光纤束的排列方式为：
[0018] 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；
[0019] 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：
[0020] (n/2-1) *2arcsin (d/ (D+d))+2arccos (D/ (D+d)) =jt, M =nO/D, N = (n-2) XM，D为传像光纤的直径，d为传光光纤的直径，〇为光纤束排列所在的圆周直径。
[0021] 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：
[0022] (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；
[0023] (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；
[0024] (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；
[0025] (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；
[0026] (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】
[0027] 图1是本发明的系统结构示意图；
[0028]图2是本发明的产品检测端的光纤束排列示意图；
[0029]图3是本发明的光纤束周向排列示意图；
[0030]图4是本发明的传像原理图；
[0031] 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：
[0032] 卜球面聚光反射镜、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(XD、11-计算机。
【具体实施方式】
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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