基于光纤传感器的钢球检测机设计说明书

济南大学毕业设计- 1 -目录目录 .11 前言 .21.1 课题背景及意义 .21.2 国内外研究现状 .21.2.1 国外研究现状 .21.2.2 国内研究现状 .41.2.3 国内外钢球缺陷检测的主要方法 .41.3 毕业设计的主要内容 .52 基于光纤传感器的钢球检测原理 .72.1 钢球表面缺陷分析 .72.2 光纤检测基本原理 .72.3 总体方案设计 .93 机械结构分析设计 .103.1 钢球直径分选机构分析设计 .103.1.1 带轮的设计 .103.1.2 调节旋钮的设计 .113.2 小球滚道的设计 .113.3 进球斜槽的设计 .123.4 传感器底座的设计 .123.5 电机的选型 .134 信号处理系统分析设计 .144.1 激励信号电路设计 .154.2 光电转换和前置放大电路设计 .154.3 带通滤波电路设计 .164.4 锁定放大电路设计 .174.4.1 移向电路设计 .184.4.2 相敏检波电路设计 .184.4.3 低通滤波电路设计 .194.5 除法运算电路设计 .195 结 论 .21参 考 文 献 .22济南大学毕业设计- 2 -1 前言1.1 课题背景及意义在现代化的生产过程中，随着科学技术的不断发展，球轴承变的越来越重要。其中钢球是球轴承的关键部分，轴承的运动性能、精度、寿命等都和钢球的质量有着重要的关系。近年来，随着我国机械自动化水平的不断提高，对机械零部件的质量标准也随之更加严格，要求轴承在规定的负荷和角速度下，应能长时间地保持旋转的精度，这就对轴承零部件的表面及内部缺陷精度有严格的要求。为此，钢球的质量是衡量轴承质量的一项重要指标。2002 年国家轴承质量监督检验中心对将国内和国外的多个型号深沟球轴承的寿命进行对比，试验结果显示，国内的生产厂家所提供的 77 套轴承中，其中有 17 套轴承为钢球失效，而国外轴承生产厂家所提供的 77 套轴承中，都未发生钢球失效。通过实验统计显示，在轴承失效的形式中，由于钢球表面的划痕、裂缝等缺陷而引起的轴承失效高达 42% 。因此，钢球表面缺陷的程度是影响轴承质量的一项非常重要因素，必须对钢球球进行严格的检测。目前虽然随着钢球制造工艺水平的不断提高，钢球缺陷的种类和数量在很大程度上得到了控制，但钢球生产厂家不能将全部钢球的质量通过提高加工工艺水平来保证，保证钢球表面质量最终是要靠质量检测环节来实现的，因此钢球表面质量检测一直为钢球行业的一个重要研究方向。我国的钢球制造业虽然经过几十年的发展，成为钢球制造大国，但还不是钢球制造强国，国产钢球的表面质量和国外同级别的相比仍然存在很大的差距。基于光纤传感技术的钢球表面质量检测课题的提出就是为了解决我国在钢球表面质量检测方面自动化程度低，效率低等问题，开发出具有自己独立知识产权的钢球表面检测仪，打破国外检测设备垄断格局，提高国内钢球在国际市场中的竞争力。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状据了解国外对钢球表面质量自动检测的研究已有几十年的历史，在国外的发达国家，钢球自动检测技术已被广泛推广应用。日本 Daio 公司研发的钢球自动检测机是通过非接触式的光学探伤法来检测钢球表面缺陷及其表面粗糙度，其依靠 32 个光电传感器对球面进行全面展开检测，并进行自动化振动分类， ，这种设备分为 S 型（干式）及 S-W 型（在油中检测的湿式）二种类型。其展开部分是由螺旋辊和圆筒辊组成的，螺旋辊是由合金铜加工而成的，圆筒辊是由尼龙制造而成的。钢球相对于传感器通过旋转来变换位置，即回转展开，济南大学毕业设计- 3 -32 个光电传感器同时捕捉钢球表面反射光的变化，然后通过集成电路来判断钢球质量的好坏，并通过振动进行自动分类。这种检测方法中展开机构较简单，但是用到的传感器较多，浪费严。近几年来，结合钢球检测的要求，世界各国都将钢球检测技术研究的方向不断的转向涡流检测技术，例如英国、捷克、日本等国就相继采用涡流原理进行钢球检测。这其中研究最成功的要属捷克 SOMET 公司研发的 AVIKO 系列钢球表面质量自动检查仪。由于操作起来较方便，结构紧凑，检测效率较高，很快就被许多国家钢球生产厂家所采用，其次就是日本大旺钢球株式会社研发的钢球自动检测机。捷克 SOMET 生产的钢球表面质量自动检查仪中一个典型的 AVIKO 系统， ，一般由涡流探伤检测、信号采集、缺陷识别等几部分构成，其系统组成如图 1.1 所示。图 1.1 AVIKO 系统构成钢球的涡流探伤检测一般采用电涡流传感器，它可以检测出钢球的内部是否有缺陷（例如内部裂纹、缩孔等） 。通常在信号采集部分通过光源、接收光传感器等来获得钢球表面的相关信息。缺陷识别部分是由 DSP（digital signalprocessing）处理器和 AVIKO 软件共同组成，来完成对钢球内部缺陷的识别。AVIKO 系统的工作原理图：图 1.2 钢球涡流探伤自动检测仪原理图钢球 涡流检测 信号采集 缺陷识别内伤识别济南大学毕业设计- 4 -由图 1.2 知，当有钢球通过的时候，电涡流检测装置首先受到触发，发出钢球内部是否有质量缺陷的信号，然后通过光电检测装置的钢球由主动轮进行驱动，展开轮将钢球的表面全部展开，同时缺陷自动识别部分进行缺陷识别，并实时的将识别结果送至控制器后，控制器通过比较分析给出分类结果（合格品或是不合格品，其中不合格品中包含可修复钢球和不可修复钢球两类） 。综合观察此产品，在 AVIKO 检测系统中的所用到的关键技术应为：（1)展开轮的设计与加工；(2)表面缺陷类别的确定。通过 AVIKO 系列钢球表面质量检查仪的功能可知，安装不同的附件后该仪器就可以检测直径在 5.860mm 范围内的钢球。但它最大缺点是不可以检测成品球，只可以检测半成品球。随着科技的不断进步，捷克 Strojimport 公司研发的AVIKOK-E 型钢球自动检查仪，通过改进，设计采用了先进的子午线展开轮、转角电磁铁等结构，它的体积小、操作方便，而且通过涡流探头来检查内部微裂纹、红外激光来进行表面检查、振动来检查较大缺陷等功能，并且实现对钢球表面缺陷进行自动分选，是生产高可靠性钢球不可缺少的检查仪器。1.2.2 国内研究现状国内对钢球表面质量自动检测的研究起步较晚，在钢球检测方面的的研究还处于理论分析阶段，部分国内公司也研制出一些替代产品，但在检测速度和效率上要远低于国外的同类产品。现在国内许多钢球生产厂家还是采用传统的人工目测法进行钢球的检查，只有少数的钢球厂家进口国外先进的检测设备，国外设备价格极高，一般只用于抽检，不能满足全部检测需求。山东大学的徐淑琼等人研究了利用超声波检测技术对钢球表面进行无损检测，其工作原理是超声检测探头发出声波，经过一定传播距离后，一部分超声波能够在钢球表面缺陷处反射回来，另一部分声则能传至底面进行反射，通过对比反射波形，就可以判断钢球表面是否有缺陷以及缺陷的类型。这种检测方法不受钢球材质的影响，而且对钢球的表面粗糙度要求不高，可以实现对部分有缺陷球的自动识别，但该方法只能检测到表面裂纹和麻点，对于表面的擦伤和划痕无法进行检测。哈尔滨理工大学的刘献礼等人以及台湾的孙超等人通过基于图像检测技术对钢球表面缺陷进行图像序列获取、分析、跟踪与识别研究，并进行了钢球表面图像检测平台的设计开发，但此种图像处理方法每小时只能检测 920 粒钢球，与散射法16000-20000 粒/小时的检测速度相差甚远，另外国内应用的高水平动态摄像机还依赖进口，这也限制了图像技术在钢球检测上的应用。1.2.3 国内外钢球缺陷检测的主要方法目前国内外钢球质量自动检测的方法主要分为人工检测、涡电流检测、激光检济南大学毕业设计- 5 -测、图像处理检测、超声波检测等几种。1、人工检测：国内的钢球制生产厂家的钢球质量检测还是以人工按比例抽检为主，检测方法也是传统的灯检。其检查原理是：将钢球置于显微镜下放大 100 倍，再与标准照片目视对照，判断钢球存在缺陷的所属类别，这种方法无疑会受到工作过程中工人的责任心、技术水平、劳累程度等一些不稳定因素的影响，误检和漏检率高，效率低下。2、图像处理检测：一种基于机器视觉钢球表面缺陷识别方法，它利用计算机图像处理技术采集钢球表面图象符号，采用图像比对法对图像信号进行缺陷识别分析。3、超声波检测：从探头发出的超声波，经过指定距离的液层传播后，一部分声能在钢球表面缺陷处反射，另一部分声能传至钢球表面缺陷底面进行反射，通过观察对比反射波形，可以判断成品钢球是否有缺陷以及缺陷的类型。4、涡电流检测：在交变磁场中，由于电磁感应，在钢球的亚表面产生涡电流，同时，钢球中的涡电流又感应产生涡流磁场，该涡流磁场与原外部交变磁场方向相反，并阻碍原磁场的变化。钢球的导磁率、硬度、表面缺陷及残余应力等都将影响涡电流的大小和方向，从而可以判断钢球的质量。5、激光检测：光电传感器照射在钢球上的激光经反射送回到光核信息处理电路和光环信息处理电路，通过对两者的对比，即可得知钢球的表面粗糙度，使光电传感器能够检测出钢球的表面质量。1.3 毕业设计的主要内容通过查阅国内外文献及借鉴相关先进技术，分析了钢球质量检测仪的整体结构及各执行机构的控制方法。钢球表面检测系统的机构一般包括：进料机构、钢球表面展开机构、质量检测系统、自动分选系统和电气控制系统。本课题从机械结构和光纤检测信息处理系统两部分进行分析设计，由于钢球外观检测仪机构非常复杂，为此本文机械部分只设计其主要机械结构部分，主要包括钢球直径分选机构分析设计、钢球搅拌送料机构分析设计、带轮及所用电机的选型。其主要工作内容为：1、光纤检测技术的基本工作原理分析：钢球外观检测仪测量钢球表面粗糙度是基于激光散斑原理，其工作原理是：光电传感器照射在钢球上的光经反射送回到光核信息处理电路和光环信息处理电路，通过对两者的对比，即可得知钢球的表面粗糙度，使光电传感器能够检测出钢球的济南大学毕业设计- 6 -表面质量。而基于光纤传感器器的检测技术不仅能够进行表面粗糙度的测量，而且还能够测量因位移引起的钢球缺陷。2、钢球直径分选机构的分析设计：钢球直径分选机构是用于确定检测探伤钢球的品种，防止规格不同的钢球混淆进入钢球检测机构，确保进入检测系统的钢球尺寸相同，在此采用过桥棍子机构。3、小球滚道、进球斜槽的分析设计：在整个送料的系统中，通过钢球分选机构分选出来的小于规定尺寸的钢球通过小球滚道落入回收装置中，符合规定尺寸的钢球通过进球斜槽进入下一步被检测，因此进球斜槽是被测钢球的关键通道之一。4、光纤质量检测系统硬件电路设计在采用光纤传感器检测钢球的时候，影响检测结果的因素很多，而且不同的钢球的缺陷类型不同、传感器的激励频率和幅值大小也会影响检测的质量。因此在光纤传感器质量检测信号的提取过程中要综合考虑到各因素的影响，使提取出的信号更利于后续分析处理。由于影响传感器输出信号的因素很多，干扰也较多，致使输出信号相对较弱，所以要对输出信号进行处理，去伪取真，提取有用信号，以便于计算机识别处理 。本设计安排如下框图所示：第一章 前言第二章 基于光纤传感器的钢球检测机第三章 机械结构分析第四章 信息处理系统分析设计钢球表面缺陷分析 光纤检测基本原理 总体方案设计钢球直径分选机构分析设计 小球滚道、进球斜槽分析设计济南大学毕业设计- 7 -2 基于光纤传感器的钢球检测原理2.1 钢球表面缺陷分析钢球表面的缺陷是由于钢球原材料的质量、工装的调整以及设备的加工精度、储存等影响因素而造成的实际表面的单元体、成组的单元体及不规则体。按照国家标准滚动轴承钢球表面缺陷图册及评定方法以及缺陷产生特征，钢球表面缺陷一般分为以下六大类：斑点、 、麻点、擦痕、划条、烧伤、凹坑。不同于人工检测，自动检测的时候必须提取一些可以定量分析的特征，为此就需要找到可以衡量钢球表面缺陷的参数，参照产品几何量技术规范本课题拟评价的表面缺陷参数主要有：表面缺陷长度 (SIMe)、表面缺陷宽度 (SIMw)、表面缺陷深度(SIMd)或者表面缺陷高度 (SIMh)、表面缺陷数(SIMn)和表面缺陷反射率（SIMr） 。通过表面缺陷深度(SIMd)、表面缺陷高度(SIMh)和表面缺陷反射率（SIMr）三个参数可以将缺陷分为以下三类如图 2.1 所示：由于粗糙程度而引起的缺陷；由于位移变化而引起的缺陷；由于粗糙程度和位移变化共同引起的缺陷。图 2.1 钢球表面缺陷分类本课题主要对围绕这三类缺陷进行检测分析。2.2 光纤检测基本原理针对从上述钢球表面缺陷分类方法，分别分析他们的检测机理：第一类缺陷仅仅使表面反射率（SIMr）发生变化和第二类缺陷仅仅使从表面缺陷深度(SIMd)或表面缺陷高度(SIMh)发生变化，因此他们都属于单一参数测量，比较容易检测；而对济南大学毕业设计- 8 -于第三类缺陷，评价的两个参数都发生了变化，并且他们引起光强变化趋势可能不一致，如图 2.2（d）中所示缺陷，位移变化使被测表面与探头间距减小，这会导致接收光强有增加的趋势，但同时缺陷引起粗糙度减小会导致接收光强有减小的趋势，两者的叠加效果不确定，因此说从单纯的光强减弱来是不能做到 100%判断是否存在缺陷的，必须采取措施实现位移和粗糙度的分离提取，实现参数的独立评价。为此本课题引入了 Beckmann(1963)粗糙表面散射的理论以及 Suganuma Shimamoto，Tanaka 提出的双光束比较测量设想进行检测Beckmann(1963)提出的粗糙表面散射的理论：激光投射到试件表面上后，其镜面方向的反射光和散射光受表面质量的影响，如图 2.2（a） ， （b）所示：若表面光滑则光强主分布在反射方向；若表面粗糙反射光减弱散射光增强。因此对于第一类缺陷，只要测出表面反射或散射变化量，就能确定出缺陷的严重程度，这种测量技术和光电测量区别不大，在这里采用光纤检测技术来代替传统的光电检测，大大简化了传感器结构。Suganuma，Shimamoto，Tanaka 提出的设想：在双光束比较测量中，两接收光纤的光强比即图 2.2（c ） ， （d）中散射光 1 和散射光 2 的比值是仅与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，准确检测出第二、三类缺陷。图 2.2 钢球表面缺陷检测机理济南大学毕业设计- 9 -2.3 总体方案设计钢球检测机的工作流程为：钢球由搅拌送料机构落到过桥辊子上，两过桥辊子以不同的转速不停的转动，小于规定尺寸的钢球在过桥辊子的大端被分选出去，大于规定尺寸的钢球在过桥辊子的末端被分选出去，符合规定尺寸的钢球经过桥辊子的小端进入进球斜槽。经尺寸分选后的钢球会在进球斜槽中排队，在进球斜槽中排队的钢球经送球电磁铁动作而送入检测机构，当钢球落入展开机构时，带有光纤探头的支撑轮靠近以支撑钢球，同时喂球电磁铁动 将钢球喂到展开机构中。喂球完成后，单片机就会给上位处理机发信号，告诉上位机钢球检测开始。检测完毕后，上位机将发给单片机一个钢球类型标识码，该标识码根据检测结果将钢球分为三类，即合格球、可修复球、不可恢复球。至此，光纤检测完毕，探头及支撑轮移开，同时分球磁铁会根据钢球类型标识码而动作，为钢球打开相应的通道。然后送球电磁铁又开始送球，开始下一个球的检测，如此循环往复直至将待检钢球检测完毕。其工作流程如图 2.3 所示：微型计算机进球料斗 过桥辊子 直径分选机构 进球斜槽钢球计数分球器钢球表面展开光纤检测分球机构小直径球大直径球合格球不可修复球可修复球图 2.3 钢球检测流程图由于该钢球外观检测仪机构及检测系统都非常复杂，为此本文机械部分只设计其外围系统，主要包括钢球直径分选机构、带轮和电机选型，检测系统部分只分析设计了模拟信号的处理电路。济南大学毕业设计- 10 -3 机械结构分析设计3.1 钢球直径分选机构分析设计在进球搅拌机构之后安排了几何尺寸分选机构，该分选机构主要是在线检测确定的尺寸规格的钢球进入进球斜槽，防止不同尺寸的钢球进入，它的组成由一对带阶梯的辊子、电机、带轮、支架、调整机构和底版等组成。几何尺寸分选机构采用了一对辊子，如图 3.1 所示。图 3.1 拒球辊子示意图辊子由两截直径不等的圆柱组成，两辊子前端高、后端低，和水平方向成 5角的平行安装。小端间隙以被检测钢球校准（通常比被检测的钢球大 0.100.25） ，两辊轮以不同的转速转动。当钢球从辊轮间隙上方滚动通过时，小于规格定尺寸的钢球（称小球）在辊轮前端尺寸处已经从辊轮间隙中跌落，进入辊轮前端下方的小球滚道，小球被剔除；大于被检钢球规定尺寸的钢球（称大球）则不论在辊轮前端还是后端都不能从辊轮间隙中跌落下来，只能从后端的尾部滚落到大球滚道中被剔除；检测后只有从辊轮小端间隙中跌落下来的钢球才能进入进球斜槽，随后进入检测机构进行检测。3.1.1 带轮的设计由电机带动过桥辊子转动，在两过桥辊子的前端分别安装大带轮和小带轮，电机的输出轴安装电机带轮（在此电机带轮与大带轮相同） 。两辊子由电机统一带动，由于大带轮直径 19，小带轮直径 12mm，所以两拒球辊子旋转速度不同，使得其上钢球两边所受的摩擦力不同，钢球就可以沿与水平方向成 5的辊子顺利到达下一个通道。大带轮、小带轮结构尺寸如图 3-2、3-3 所示。济南大学毕业设计- 11 -图 3.2 小带轮 图 3.3 大带轮3.1.2 调节旋钮的设计过桥辊子通过一带有正反螺纹的调节旋钮连接，调节旋钮结构如图 3.4 所示。其中旋钮杆上有两段螺纹，一段右旋螺纹，一段左旋螺纹。当调节旋钮被旋转时，安转在右旋螺纹上的辊子向外或向里运动，与此同时安装在左旋螺纹上的辊子向外或向里运动，两过桥辊子相对于中心同时向外或向内，它们之间的空隙也跟着变大或变小，以用于筛选不同规定尺寸钢球。图 3.4 正反螺纹调节旋钮3.2 小球滚道的设计小球滚道安装于钢球检测机工作台上，小球滚道的作用是使从过桥辊子上滚落下来小于规定尺寸的钢球，在小球滚道的末端圆孔处落入回收装置中，它的总长度为173.5mm，高度为 38mm，宽度为 12mm。制造时，要保证滚道粗糙度，保持洁净光滑，没有划痕，以免造成误检，如图 3.5 所示：济南大学毕业设计- 12 -图 3.5 小球滚道3.3 进球斜槽的设计在整个送料的系统中，通过钢球分选机构分选出来的符合规定尺寸的钢球通过进球斜槽，进入下一步被检测，因此进球斜槽是被测钢球的关键通道之一，装配时要保证进球斜槽的洁净光滑，无划痕，以免影响钢球的正常检测。进球斜槽全长为193mm，高度为 30mm，宽度为 10mm,其结构如图 3.6 所示。图 3.6 进球斜槽3.4 传感器底座的设计传感器底座通过主视图中的通孔和三个 M2 螺纹孔与检测仪机构相连接。传感器底座的作用是将计数器固定在钢球检测机的机体上，传感器底座的设计如图 3.7所示，底座的总长度为 80mm，宽度为 12mm，加工完毕后应该去除毛刺，保持表面干净无划痕，以等待装配。济南大学毕业设计- 13 -图 3.7 传感器底座3.5 电机的选型在钢球表面质量检测设备中，自动送料系统的搅拌上料机构和过桥机构对电机的功能要求主要是：经常启停、反应速度快、运行稳定，基于以上几点在此设计中我选用 24V 单相交流同步电机 RSM63/8F。它直径为 60mm、64mm。因为扭矩大，噪音低，效率高，转速分 250、300、375、500，电压为 24V、10V 、220V，因此具有性价比高、转速可控、运行稳定等优点。图 3.8 电机济南大学毕业设计- 14 -4 信号处理系统分析设计在钢球检测系统中，钢球支撑件以及传感器周期性微弱振动对信号的影响非常大，这会使信号很容易被这种环境噪声所淹没，导致光电转换后的测量信号信噪比非常小，因此说仅仅对信号进行前置放大是远远不够的，必须采取微弱光电信号处理方法来增强信号，减弱噪声，改善信噪比。常用的改善信噪比方法有：取样积分技术、光子计数技术、锁相放大技术 56。其中锁相放大技术，处理电路比较简单，它只对被测信号与参考信号相同频率相同相位的信号分量有响应，可以很大程度上抑制无用的噪声，从而提高信噪比，本章将利用锁相放大技术设计钢球表面缺陷信号处理系统。1、总体方案：图 4.1 总体方案如图 4.1 脉冲驱动电路激励发光二极管发出光由发射光纤传输到转动的钢球表面，反射回来的光由多组同轴接收光纤接收，其光强量与钢球表面的缺陷有关，经接收光纤传输的光信号进入 PIN 光电二极管，实现光电转换，然后进行锁相放大A/D转换，最后由 CPU 进行信号提取和数据处理。2、模拟信号处理：图 4.2 模拟信号处理济南大学毕业设计- 15 -如图 4.2 信号通道由前置放大电路、 带通滤波电路及选频放大电路组成， 其作用是将伴有噪声的输入信号放大， 并经选频放大对噪声作初步处理。参考通道由方波发生电路和移相电路组成， 其作用是提供一个与输入信号同相的方波，调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致， 从而信噪比改善为最佳。 相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算，得到二者的和频与差频的谐波信号，经过低通滤波器滤掉高次谐波和高频信号成分，这时的等效噪声带宽很窄， 从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号。 4.1 激励信号电路设计此部分电路是用来为光电管提供激励信号，同时经移向电路为相敏检波电路提供参考信号。由于所选激光器它正常工作需要一个类似于脉冲式的激励信号，如图4.3 所示，其高低电平的时间比为 1:9，这里选用 NE555 组成占空比可调的脉冲振荡电路，7 端和 6/2 端上下分别为电阻 R 和电容 C，中间为电阻 R 和电位器 RP 并联。其占空比 T1/T2，频率的计算如式 4.1 所示：（4.1）1324 66112170.69*.693*720.15*0.3/ABABZRTCSFRKHNE555 芯片 3 脚输出电流大约 20mA 左右 不能直接驱动发光二极管 15X7 故要加入驱动级或者功放级，在这里是门驱动电路 75451 来实现，经过驱动级后输出电流为 100mA 左右，然后接入放光二极管，通过调节电位器可以调节发光的强弱。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 24-Feb-2011 Sheet of File: D:MyDesign3.ddb Drawn By:TRIG2Q 3R4CVolt5 THR 6DIS 7VCC8GND1U1NE555C10.01uF C51nFD1DIODED2DIODER2620R1620VCCAN1 CATH2GND3GND 5GND 8GND4U315X712 3U2ADS75451R62K R727R5 100C710uF方方R3100R4100图 4.3 激励信号电路4.2 光电转换和前置放大电路设计光电转换采用的 HFBR-25X6 接收器件，他包含一个 PIN 光电二极管和跨阻前济南大学毕业设计- 16 -置放大电路，可以接直径 1 毫米塑料光纤或 200 微米硬包石英光纤。通过 HFBR-25X6 接收的光信号转换为模拟电压信号，然后信号通过采用 T 型反馈网络的反相比例放大电路，采用 T 型反馈网络，是为了取代反向比例放大电路的 Rf，防止大阻值电阻稳定性差带来放大比例不稳。其等效阻值为：（4.2）2434fRR放大比例为：（4.3）243401iU1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-Feb-2011 Sheet of File: D:MyDesign3.ddb Drawn By:SIG 1GND2GND 3GND5GND8 VCC 4C?25X7R?4.7 C?0.47uFC?0.1uFR?4.7C?0.01uFR?2K32 184U?AAD825C?0.1uF R?100V+C?0.1uF R?100 V-R?1KR?1KR?1K图 4.4 光电转换和前置放大电路4.3 带通滤波电路设计相对于噪声的功率谱密度，有用信号功率谱密度很窄，而带通滤波器会让只让一部分噪声通过，因此说带通滤波器可以在很大程度上提高信噪比，在此本论文选用了实现起来比较简单的无限增益多端反馈二阶带通滤波器 59，如图 4.5 所示。在窄带滤波电路中，通带宽度 BW 等于高端截止频率与低端截止频率的差值。品质系数 Q 等于中心频率 与通带宽度 BW 的比值，用来衡量一个滤波器选择性。0Q 值越高，相对带宽越窄；Q 值越低，相对带宽越宽。在此取中心频率 f 为100KHZ，品质系数 Q 等于 5，增益等于 2二阶带通滤波器传递函数的典型公式为：(4.4)0220/KSVK增益；Q品质系数； 中心频率济南大学毕业设计- 17 -将上面选择的品质系数和增益带入到式(4.3)中得：(4.5)0221.4SV又因为二阶带通滤波器传递函数的典型公式也可表示为：(4.6)0221SV所以， .4,.,1根据二阶带通滤波的设计规则选定：（1） 10/()/(0*)0.1CfFFn（2） 以便保证 R2 为正值。2因此任何值都能满足，选定 21.C（3）根据上面选定参数可以计算出：（4.7） 10120301239.7.4*.0.21.6.1.4*1*059.*.RKCKnknKk 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNum ber RevisionSizeBDate: 22-Feb-2011 Sheet of File: D:My Design3.ddb Drawn By :32184U?AAD825C?0.1uF R?100V+C?0.1uF R?100 V-C?1nFR?130KC?1nFR?39KR?390图 4.5 带通滤波电路4.4 锁定放大电路设计济南大学毕业设计- 18 -锁相放大技术是基于互相关原理的一种微弱信号检测技术，锁相放大器由输入信号通道，参考信号通道以及相敏检波三部分组成。输入信号通道首先对初始信号进行初步的选频放大和窄带滤波，参考信号通道通过移相和锁相提供与输入信号相同频率和相同相位的参考信号，然后由乘法器实现输入信号和参考信号的相乘，得到两者的和频等差，经过低通滤波器后得到与输入信号幅值正相关的直流输出信号。4.4.1 移向电路设计移相电路是锁相放大技术关键电路之一，它的作用是改变参考信号（方波信号）的相位，由于输入的信号 Us 与参考信号 Uc 虽然具有相同频率但存在一定相位差时，输出信号的大小与相位差随相位差的余弦而变化：Uo=Usm/2cos。因此通过移相电路可以让输出信号达到最大。它的工作原理是：在锁相环的环路滤波器输出上叠加一个外加的控制电压,再作用于压控振荡器上,得到输出信号，在环路锁定的情况下,改变控制电压,可以使得输入/输出信号的相移与控制电压成线性关系。它的相位模型如图 4.6 所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Feb-2011 Sheet of File: D:MyDesign3.ddb Drawn By:VCO IN9 COMP IN3SIGN IN14VCO OUT 4PC1 OUT 2PC2 OUT 13ZENER 15DEM OUT 10C1(1)6 C1(2) 7INH5 PHASE PULSES 1R111 R212U?CD4046BCN(16)C?1nFR?130K32 184U?AAD825R?10KR?10KR?10KR?10KR?10KR?10KR?10K -12+1232 184U?AAD825R?10KC?0.01uFR?10KR?POT2图 4.6 移相电路4.4.2 相敏检波电路设计在以 AD630 组建的开关型相敏检波器中，参考方波信号接 9 管脚，它与 10 管脚的恒定电压做比较来控制电子驱动开关 C，参考信号电平为高时候，电子驱动开关 C 接通 X（t） ；参考信号电平为低的时候，电子驱动开关 C 接通-X （t ） ，从而完成输入信号 X（t）与参考方波信号 R（t）相乘运算。济南大学毕业设计- 19 -1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Feb-2011 Sheet of File: D:MyDesign3.ddb Drawn By:Rin A 1CH A+2DO ADJ 3DO ADJ 4CM ADJ5CM ADJ 6CS B/A 7-Vs8SEL B 9SEL A 10CH A-20 CH B-19 CH B+18Rin B17 R A16 R F15R B14 Vout13 COMP12+Vs11C?AD630+12C?0.47uF C?0.47uF-12R? POT2R? POT2+2.5图 4.7 相敏检波电路4.4.3 低通滤波电路设计低通滤波器选用了 RC 滤波电路与同相比例放大电路组成的二阶压控电压源低通滤波电路，反相输入端加入负反馈，同相输入端加入正反馈，信号为直流时候，C1 电抗则趋向于无穷大；信号频率越大，C2 电抗越小，Up（s ）就越小，因此可以保证 f=f0 时，使电压放大倍数数值增大，又不会因为正反馈过强而引起自激振荡。其传递函数(4.8)202/nASQS（其中 ）1nRC340R1/3A1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Feb-2011 Sheet of File: D:My Design3.ddb Drawn By :R?20K32184U?AAD825C?0.01nFR?80KR?20KC?0.01uFR?80K图 4.8 低通滤波电路4.5 除法运算电路设计通过锁定放大之后，可以得到两路直流信号，接下来将其送入除法器实现双光济南大学毕业设计- 20 -纤补偿法，得到最后的信号。本论文选用了单芯片激光调整四象限乘法器/除法器AD534 构成除法运算电路。电路图如图 4.9 所示：图中 SC1 为第一圈接收光路相敏检波后 1 的信号，与芯片 X1 管脚相连；SC2为第二圈接收光路相敏检波后 1 的信号，与芯片 Z1 管脚相连。将 AD534 芯片的 Y2 输入管脚与 OUT 输出管脚相连，则输出信号就满足以下关系：（4.9）21210()/()outVZXY然后将 Z2/X2 管脚接地，输出信号变为：（4.10）11/out从而实现了两路信号的相除运算，将 Y1 管脚外接可调电压可实现输出信号幅值的调整，从 OUT 管脚输出的信号再经过后续放大就可以作为 CPU 的输入信号。1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBATitleNumber RevisionSizeA2Date: 27-Mar-2011 Sheet of File: C:Documents and SetingsAdministrator方方HBRT.ddbDrawn By:X11 X22Y16 Y27Z111 Z210OUT 12NC 3NC 5NC 9NC 13SF 4U12AD534R71235R59100C35100nFR56100C34100nFV+V-C366.8pFRx4.7K32 6U5 AD825 R271K C420.01uF32 1411U9ATL074AC+12-12C280.1uFC290.1uFOFFSETSC1SC2图 4.9 除法运算电路济南大学毕业设计- 21 -5 结 论随着现代科技的发展，球轴承应用越来越广泛，而球轴承的关键部分在于钢球，钢球的好坏直接影响轴承的质量。本文在分析我国钢球表面质量检测研究现状的基础上，参照国内外相关资料，对钢球检测进行了分析设计。本课题包含主要机械结构的分析设计和模拟信号处理电路的设计，其中机械部分主要设计了过桥辊子机构，其作用就是对钢球进行初步筛选;大、小球滚道，其作用是将不符合规定尺寸的钢球送入回收装置；进球斜槽，其作用是将规定尺寸的钢球送入检测机构。光纤检测系统部分主要设计模拟信号处理电路，其包括激励信号电路的分析设计、前置放大和光电转换电路分析设计、带通滤波电路的分析设计、锁定放大电路的分析设计和除法电路的分析设计。在设计过程中我查阅参考了大量的相关资料，通过绘制装配图和零件图，让我对此