基于光电传感技术钢球表面质量检测.doc

济南大学毕业设计- 30 -第一章 前言1.1 课题背景我国是一个钢球生产和消费大国，钢球被广泛应用于国民经济的各个行业。而钢球表面质量水平是影响轴承的精度、运动性能及使用寿命的一个重要因素。随着科学技术的发展进步，各行业对钢球的制造精度及表面质量要求不断提高，而国内广泛应用手选来进行钢球检测，钢球检测环节成为制约我国钢球业发展一个瓶颈，因此迫切需要研制开发一套高效的自动检测系统。光学检测具有无损检测的优点，这无疑会成为未来钢球表面质量检测研究的首选方向。1.2 国内外研究现状对于钢球表面质量检测，在国内大部分厂家还在用机械探针或人工检测的传统方法，存在劳动强度大，测量效率低等缺陷，对于光电传感技术虽然已经有许多报道，但都尚处于理论研究阶段。在国外，许多发达的国家已经采用光纤传感技术，大多数是通过测量反射光强度来确定粗糙度的大小。此种检测仪器对被测材质和光学元件的安装精度等因素比较敏感，许多研究机构都在致力于减少这些缺陷的研究。当然也有一些比较成熟的激光检测技术，但还未用于钢球表面质量的检测。在国外，钢球表面自动检查仪的研究已经有几十年的历史。美国、前苏联、英国、日本、瑞典、德国和捷克等国相继进行了这方面的研究工作。从1945-1947年英国的岗森索特克斯公司开发研制成的第一台光电分选机到1966年制成的可处理50-150mm粒度的811M型光电分选机，再到1968年冈森索特克斯公司和戴比尔公司联合研制的处理粒度为1-10mm的XR-11型光电分选机，国外的自动检测技术发展迅速。其中研究最为成功的是捷克SOMET公司的AVIKO系列钢球表面自动检测仪，它利用振动、光电、涡电流传感器进行检测，能够检测钢球表面和亚表面，以及材料的非均匀质等缺陷，由于其结构紧凑、操作方便、检测效率高，可以对各种缺陷进行分类统计，形成信息化，因此它也是得到最成功应用的产品；其次是日本大旺钢球株式会社生产的钢球自动检测机。国内在这方面的研究虽然起步较晚，但进展速度很快，已有很多公司研究并制造出了一系列的光电检测仪，如西安精密仪器制造有限公司、常州华盛天龙机械有限公司、廊坊的标普纳米测控技术股份有限公司、吉林省稳恒磁能研究所、南京尊莱科技有限公司等。但就分选技术精度和速度而言，仍有待于进一步研究和提高。1.3 主要研究内容本课题研究的钢球光电检测系统能够检测公称直径在36.35mm之间的钢球。主要检测钢球表面存在的凹坑、麻点、裂纹、污物等缺陷，对于直径大小不符合要求的钢球可通过外部的直径分选装置分选出，检测的工作温度范围为1828，检测的主要参数为表面粗糙度，检测速度要达3粒/秒。1.对钢球表面质量检测的光学方法进行归类和优缺点比较，提出一种快速有效的方案。 2.对系统中的光电传感器进行结构设计，并对检测影响因素进行分析。确定一个能够快速精确地检测钢球表面质量的总体方案。3.对信息处理系统中的模拟信号处理电路和数字信号处理电路进行硬件设计。4设计调试电路，数据采集，结果分析，确定各种因素或者参数对其的影响。第二章 表面质量检测方法及原理2.1 光电法质量检测方法分类测量与评定表面粗糙度的光学仪器和方法很多，有几种不同的分类方法：1. 按测量性质，可分为定量测量法和定性检验法。 定性检测法只判别该零件属于哪个表面粗糙度的等级或范围，估计零件的一般使用性能，但不能得出表面粗糙度的具体参数值。定量测量法按照一定的测量方法，用一定的测量仪器，把被测表面的微观几何形状的大小与一个已知的物理量进行直接或间接的比较，从而得出表面粗糙度的具体参数值。2. 按测量机理，可分为直接测量法和间接测量法。直接法扫描光束点到点表面高度，它是严格按照粗糙度的定义来测量表面粗糙度。间接法通过建立检测结果与表面粗糙度评价指标的关系模型从而检测面反射散射的光学特性。2.1.1 表面探针法表面探针法根据测量原理的不同，可以分为以下四类：1、临界角法1临界角法主要是利用围绕临界角全反射的急剧反射变化来实现对比测量的。当被测表面在焦点位置时，到达两个检测器的入射光通量是相等的。但是，如果表面不处于焦点位置，则其中一路将会因为非全反射而损失部分光通量。因此，从两个检测器的不同输出就可得出表面高度变化，从而得出表面粗糙度的各项参数值。 1物镜 2全反射棱镜 D、E 光敏探测器图2.1 临界角法原理图2、 傅科聚焦法2-4激光经过分光棱镜、1/4玻片和透镜聚焦到被测物体表面，反射光束按原路返回到分光镜发生全反射，经过透镜将光汇聚为聚集光束，把挡光片放在反射光束最细的位置，当入射光线聚焦在光滑被测表面时，挡光片恰好不会阻挡光束，光电检测器的输出值偏差为零。当被测表面发生高度变化时，反射光束偏离焦点，挡光片偏离光束最细位置，从而挡住部分光，光电检测器输出偏差信号反馈回驱动电机，以驱动悬置的物镜L1移动，促使光线聚焦在被测表面上，同时使聚焦误差信号减小到零。通过电机的位移量就能计算出表面粗糙度。 图2.2 傅科聚焦法原理图3、像散法5像散法光学系统使用柱面透镜，借助于象限二极管，就能得到大致和检测器与两束散射光交线的距离差成比例的信号。 1激光二极管 2成像透镜 3光阑 4偏振分光镜 51/4波片 6显微物镜 7被测面 8分光镜 9、10柱面透镜 A、B光敏接收器 图2.3 像散法原理图4、三角法6三角法基本结构如图2.4 所示。激光器的轴线、成像物镜的光轴以及CCD线阵，三者位于同一个平面内。激光光源将光束投射在被测物体表面上。该光束将随着投射点的位置变化而沿着激光器的垂直方向作同样的移动。同时光点又在成像物镜作用下在CCD线传感器上成像，在CCD线传感器上的成像位置与光点的深度位置有严格对应关系，通过测量CCD上成像的位置，用几何光学的计算方法就能计算出光束在此刻的投射深度。用此光束扫描被测物体表面就可以得到物体的表面粗糙度。 图2.4 三角法原理图2.1.2 干涉法1、 光干涉条纹扫描法7光干涉条纹扫描法测量，是用相干光照射表面，然后与参考光相比较，参考镜面放在Twyman Green干涉仪或多光束干涉仪内部的被检表面上方，由显微镜将被测面的微观轮廓起伏转换为放大了的平面干涉条纹，然后通过测量干涉条纹的相对变形来简单完成表面轮廓的测量。 图2.5 垂直扫描白光干涉仪的系统结构图华中科技大学根据此原理，研制了一种利用垂直位移台实现钢球表面形貌测量的垂直扫描白光干涉系统8。它能够精确有效地测量Ra 值为0. 0082. 0m 的钢球三维表面形貌。2、外差干涉法自1960年Crane首先提出光外差干涉技术以来，外差干涉仪在位移、振动及表面测量等领域得到了广泛的应用。外差干涉是利用双光束外差干涉原理测量表面形貌的。经过频率调制的两束干涉光其中一束作为测量光束经过物镜聚集在被测物体表面上，而另一束作为参考光。近年来，外差测量法发展快速9：主要有波长调制法，双频激光法，双焦激光仪，参考面压电振动法，双波长法，和声光调制法等。外差干涉法中双频干涉法应用较为广泛，清华大学研制的在线测量表面粗糙度的激光外差干涉仪纵向和横向分辨率分别为0.39 nm和0.73m，上海交通大学研制的光学外差法检测系统对表面粗糙度测量精度均方根值小于1 nm，但双频干涉法它们光路都比较复杂，并且需要额外的聚焦设备，限制了它们的应用。2.1.3 散射法10当一束光入射到粗糙物体的表面时,入射光会发生散射,一部分散射光将会遵循几何光学反射规律,这部分散射光既为镜面反射光束,另一部分光则会发散到空间的各个方向。散射光强分布与物体表面的不均匀性有很大的关系。所有的散射光在空间范围内形成中心反射光斑和两侧散射光束。射出一束光，总光能是一定的，当物体表面粗糙度值较小时,镜面方向反射光斑的光能较强,则在其它方向上的散射光带宽度较窄;反之,当物体表面粗糙度值较大时,镜面方向反射光斑的光能较弱,而其它方向的散射光带则较宽既光能较强。通过这一现象能定性的说明被照射物体表面粗糙度的大小与散射光能分布间存在着一定的对应关系。散射法是利用散射光强及其分布来测量表面粗糙度的一种方法。通常按光检测器安放的位置不同，可以得到不同的检测方法和评定标准。常用的光学散射测量方法有：积分散射法、漫射法、镜面反射法、角分布法以及反射散射比法等。1、全累积散射法全累积散射法(TIS)是以全部漫散射光的总光强作为评价物体表面粗糙度的标准。普遍定义全累积散射法为镜面反射光的总功率(光强)与全散射功率(光强)之比，也可由镜面散射平率(光强)表示。其优点与镜面反射法一致，测量的参数与粗糙度的关系更直接一些，但是实验装置要求比镜面反射法所要求的更为精密，而且要把收集光线的球面镜靠近被测物体表面。2、核环比法当物体表面分布在一个比较大的粗糙度范围时，散射光随表面粗糙度值的增大而更加的发散。散射光的漫射法是通过分别测量镜面反射光强和分布在某散射角度上漫散射强度后，以它们的比值来作为评价表面粗糙度的参数。减少了由于入射光源的变化和工件材质的不同对测量结果的影响，提高了测量精度，因而适用于各种材料的表面粗糙度测量。3、角分布法角分布法是把散射图样中的光强按在空间角度的分布全部测量出来。该方法是利用散射光光强及其空间分布来测量表面粗糙度参数。一束光投射到被测物体表面上后，反射光和散射光分布在同一个半球内，半球面内不同位置的光强度不同。当表面粗糙度较小时，光强主要分布在镜面方向。表面粗糙度越大，分布在镜面方向的反射光光强就越弱，分布在其它点的散射光光强则越强。用光探测器来接受这些光强分布后，用统计学和光谱分析，就能够得到被测表面的粗糙度参数。4、镜面反射法镜反射法是将光检测器安放在入射光的反射方向上，通过测量镜反射方向的光强，确定被测表面的粗糙度。在实际应用中多数情况是测得镜面反射方向的光强和入射光的光强的比值作为测量参数。测量速度快，一次测量就能求得。可研究各向同性和各向异性的表面，分辨率较高，可达1nm 以下。但是测量数据离散性比较大同时为了减少进入探测器的漫散射光成分，探测器的孔径要很小，这使光学系统的调整要求更高，仪器对表面的振动敏感。2.1.4散斑法11当表面粗糙度值是照明光波波长数量级的或者更粗糙一些时，从任一适当远处的点发出的光波照到被测表面，表面单元都会引起许多相干子波，这些子波两两之间的光程可以有几个波长的差别。带有相差并且相干的二次球面子波相遇产生了强度分布为粒状的斑纹，称为散斑。散斑计量技术主要包括直接激光散斑照相术和散斑（剪切）干涉测量术，用于表面粗糙度测量的普遍采用激光散斑照相技术。一般地，散斑法可以分为以下两类：1、 散斑对比度法测量原理如图2.6所示：由激光器L2发出的激光束经过反射镜M反射到扩束系统L0进行平行光扩展。经过光阑P1，由聚光镜聚集到试件P2上。物体表面受到相干光束照射后，反射光束形成亮暗点构成的斑点图案。在测量时，试件P2可上下移动，反射光斑径小孔P3，由光电管P0接收，将信号传送到分析系统进行处理。通过的激光散斑粗糙度计对光学系统信号分析，可很快测量试件图像散斑的平均对比度。在一定的范围内散斑对比度和表面粗糙度两者间存在线性关系，利用此关系可以测出粗糙度Rq值。对于完全相干的单色光照射Q比R大得多的表面，光斑对比度是1。这样，子波的相位在0-27r范围内为均匀分布。相应当反射表面变得更光滑或发生更小的完全相消干涉时，对比度向零靠近。图2.6 散斑对比度法测量原理图散斑对比度技术可以用于同种材料的工件进行简单的加工过程中表面的分类，经过进一步的研究可以用于在线测量。该方法存在缺点是测量范围较小，一般用于Ra小于0.25m范围内表面粗糙度的测量，优点是可改变激光入射角度和激光波长来增大测量范围。2、散斑相关法散斑相关测量法是在两种不同的条件下得到两个散斑图像，在同一照像底板上经过二次曝光，来记录这两幅图像，用光电检测器检测两幅图像后来研究两个散斑图像的相关特性。一般可改变入射角度或者将被测表面旋转过微小角度，通过记录改变前后两幅散斑图样的不同来获取信息，这种方法成为角度散斑相关法。还可以采用不同波长的相干光照射被测表面，记录不同波长产生的散斑图样，这种方法称为光谱散斑相关法。在两个这样相关的散斑图样间所得到的干涉条纹或相关条纹的相关程度能给出表面粗糙度的某种信息。从而求得表面粗糙度。2.2表面质量检测方法的优缺点比较及确定 用表面探针法制造的测量仪类似于机械轮廓仪，灵敏度高，体积小，技术成熟。但是需要一套结构复杂的高精度机械扫描机构。分辨率和测量精度易受机械振动、电路噪声及机械扫描机构运动误差的影响。 用干涉法制造的测量仪易测量轮廓微观不平度高度小于1m的表面粗糙度，测量精度很高，对机械振动等外界干扰以及扫描机构的运动误差不敏感，具有良好的抗干扰特性。对于光干涉条纹扫描法，可直接判读干涉条纹序号来确定被测量，方法传统，测量直接。但是同时也存在一些缺点，光路复杂，光学系统的调整时间长，很难应用于在线测量，受激光波长的限制测量范围小。散射法测量仪为面测量，测量速度快而且较直接，非常适合于在线测量，分辨率较高，既能测垂直方向的参数，又可以获得横向参数。对于镜面反射法与积分散射法的缺点可改用角分布法或核环比法克服。散斑法可以用于在线测量，测量范围较大。但多采用CCD传感器来获得散斑图像，进行图像处理时间较长。从上述比较中我们不难发现：直接测量法虽然测量精度较高，读数可达千分之几微米，并且技术相对来说比较成熟，但是仪器机构调整比较费事，并且是逐点测量因此效率很低，不适合在线测量；间接测量法的测量范围较宽，且适用于在线快速检测。而间接法中的散射法和散斑法比较来说，虽然散斑法也能用于在线测量，但是由于存在图像处理环节，因而后期处理需要时间较长，所以在测量速度上要逊于散射法，对于散射法来说目前表面粗糙度光学测量方法其信号的提取主要分为两种：一种是提取强度积分信号，另一种是提取空间分布频谱信号。由于受到激光光源波长的限制，对于检测不同的工程表面来说，其测量的灰度区别并不十分明显，并且提取空间分布频谱信号需要时间较长，鉴于本课题高速，高频的测量目的，选择散射强度积分法中的核环比法和积分散射法作为最终的测量方法。 第三章 钢球表面展开机构及传感器设计3.1钢球表面展开机构设计12-16在实现钢球表面检测过程中，钢球应在表面展开机构作用下，连续高效完整的将待测钢球表面各处，在一定时间内送至传感器的有效探测区域内，并且尽可能做到无死区，较少重合区，提高钢球检测效率，因此我们必须合理设计钢球表面展开机构，使之满足以上要求。钢球表面为一球面要想完全展开并不容易，展开轮驱动被测钢球做旋转运动，若只做单纯回转运动不能展开钢球表面。钢球必须做变轴旋转运动，沿展开轮轮廓做空间定心的扰动滚动。子午线展开轮是目前钢球表面质量检测过程中普遍使用的展开零件。子午线展开轮是由两端非对称圆锥滚轮组成的零件实体，每一侧圆锥滚轮的母线与中心轴线的夹角都是不同的角度值，且角度随滚轮相位的不同作正弦规律变化，在任意位置轮两侧母线夹角为90度。 图3.1 展开轮工作原理图 钢球由进料机构传递到检测位置以后，由展开轮、支撑轮和驱动轮共同作用，固定在空间特定位置，在驱动轮驱动下，钢球旋转，在摩擦力下沿展开轮轮廓做定心的扰动滚动，传感器中心法线正对被测钢球球心，这样便可以扫描整个钢球表面，从而实现钢球全表面展开和信息获取。钢球与子午线展开轮以及驱动轮、支撑轮之间是通过摩擦力，由滚动摩擦和滑动摩擦决定的，被测钢球在展开轮与驱动轮之间作纯滚动。检测完成后在电磁继电器作用下支撑轮有一抬起动作，钢球在重力及主动轮作用下，完成排料。 3.2光电传感器的设计 3.2.1 散射原理17 物体表面不是理想的光滑表面,因此当一束光照射到物体表面上时,除一部分光被反射外,另一部分光被散射,形成一束离散光。研究表明,由被测物体表面反射、散射的离散光的强度呈高斯分布。 图 3.2 光带光能变化与表面粗糙度的定性关系 当一高斯光束投射在随机起伏表面上发生漫反射后，在远场接收面上衍射图谱的光强数学期望值，为分布函数的二项之和，表示为简化的数学模型: (3-1)式中：Is对应于理想表面的规则变量即反映镜反射方向光强度的光核项；Id与表面起伏的统计性质有关的随机变量即漫散射方向的光强度的光环项。他随散射角作缓慢变化的，是与表面微观不平度的统计性质有关的随机变量，它在某个区间内以一定的概率分布出现，包括微观不平度信息(粗糙度)。其中： (3-2) (3-3)式中：1光束的入射角；Rq轮廓均方根偏差；光波长度。 图3.3 光核能量与光环能量与粗糙度的关系从上图可以看出：当被测表面粗糙度较小时，中心光核项的光能量占整个衍射图样的比重就越大，而光环项占的比重越小。当随着表面粗糙度值的增大，光核项光能占的比重减小，光环项光能占的比重增加。我们可以看出光核部分光能量Is与散斑部分光能量Id的比值G=Is/Id，与被测表面的粗糙度值呈单值对应关系，是被测表面粗糙度的函数。因此在被测表面衍射图样光强区域中，可用光核区光能量与光环区光能量的比值来评定表面粗糙度。即： （3-4）粗糙度Rq与核环比G的关系曲线大致为：图3.4 核环比G与粗糙度Rq的关系由上图可以看出，该方法适用于测量表面质量精度比较好的表面，当表面粗糙度Ra值大于0.16m时，G曲线已趋于垂直，这时用G值来测量评定表面粗糙度就比较困难。这是因为随粗糙度的增大，大部分光发生散射，为此我们可以用全积累散射法作为补充，以增大测量范围。据Beckman电磁波散射原理可知，当物体表面不平度的高度和斜率分布为Gauss型条件时，Rq/0.16m）时，则将Id+Is/ I0作为被参数，从而判别钢球的表面质量。通过以上分析可知：首先要对滤波、检波、放大电路等模拟电路部分进行设计，最后再对A/D转换电路，CPU周边电路等数字处理部分进行设计。4.2 滤波电路设计24-254.2.1 光核滤波电路设计 反馈光单元与光核单元的信息处理电路一致。光核的光电传感器接收到的信号除了镜像反射的有用信号外，还有一些较高频率的干扰信号。信号首先需要进入一级滤波电路，一级滤波电路的通过频率不高于2Hz，通带带宽不大于10Hz，即只允许通过低于2Hz的低频信号，见图4.2，它将干扰信号滤除，完成信号的第一次滤波放大。图4.2 光核单元和反馈光单元的一级滤波电路一阶低通滤波器的主要关系式有： （4-1） 在此电路中取R31=100KV，R32=15KV，R33=22KV，R34=220V，R35=220V，C16=10nf，C17=100nf，C18=6.8mf，C19=100nf，C20=100nf。由公式（4-1）可知：通带=1/（R32C18）=1/0.102=9.80rad/s截止频率=1/(23.140.102)=1.56Hz图4.3 光核和反馈光单元的二级滤波电路由于系统对信号的质量要求较高，信号从一级滤波电路中处理完毕后，进入下一级滤波电路，完成第二次滤波处理。电路如上图所示。在处理电路中，要求截止频率不能高于5Hz，通带不大于40Hz，采样频率不高于-10Hz。主要滤除信号中的高频干扰信号。在二级滤波电路的同相输入端加入了一个可调变阻器，可以通过调节电阻阻值的大小来适应检测不同直径钢球时的系统要求。在此电路中取R38=4700V，C22=6.8mf，R37=470V。由公式（4-1）可知，基本关系式为：通带=1/R38C22=1/0.032=31.29rad/s截止频率=1/(23.140.032)=4.98Hz=-R32/R31=-R38/R37=-104.2.2 光环滤波电路设计在光环信息处理单元中的滤波电路和光核的类似，也需要对来自散斑光电传感器的信号进行两级滤波，除去高频干扰信号。在散斑信息单元中的二级滤波电路的同相输入端设置了一个可选择电阻阻值大小的模块，通过选择电阻阻值的大小，可以适应检测不同直径钢球的需要。要求电路的截止频率不高于5Hz，通带不大于40Hz，采样频率带宽不大于2Hz。电路设计如图4.4所示。图4.4 光环单元第二次滤波电路在此电路中取R72=4700V，C36=6.8mf，R71=235V。由公式（4-1）可知，基本关系式为：该滤波电路的通带=1/R72C36=1/=31.29rad/s截至频率=31.29/23.14=4.98Hz=-R/R71=-470/235=-24.3信号放大电路与功率放大电路4.3.1光核及反馈光的信号放大电路与功率放大电路信号经二次滤波后，进入三级电压放大电路，并且进行检波，将前面两级滤波处理的信号进行信号放大，以便于后面电路的模/数转换。具体电路设计如图4.5所示。图4.5 光核单元及反馈光单元信号放大及检波电路此处电路为反相交流放大电路。要求下限截止频率不高于3.5KHz。反相交流放大电路的输入端应接电容，如图4.5所示。图中C21是隔直流电容，减小输出信号的失真。基本关系式为 （4-2）式中为放大电路下限截至频率。由公式（4-2）可得该电路中C2110000pf，R424.7KV，R40470V。该放大电路的下限截止频率1/23.14C21(R42+R40)=3.08KHz。处理完毕的信号送至三极管功率放大电路。在此电路中R14700V，R4747V，R481000KV。此处选用的三极管为2N222A型三极管，主要参数有：集电极基极VCBO=75V，集电极发射极电压VCEO40V，发射极基极电压VEBO6 V，总功率消耗Ptot（TC25）=1.8W，Ptot（TA25）=500mW，集电极电流IC=0.8A。图4.6 光核单元三极管功率放大电路4.3.2 光环信号放大电路与功率放大电路 经两级滤波后，信号进入信号放大电路，在此处的放大器，要求该电路的下限截止频率不小于3KHz。图4.7 光环单元信号放大电路由公式（4-2）可得该电路中C3710000pf，R584.7KV，R57470V。该放大电路的下限截止频率1/23.14C37(R58+R57)=3.08KHz。经过两级滤波、信号放大后，再对信号进行功率放大处理。 图4.10 光环单元信号功率放大电路图4.10中，T6选用的三极管为2N222A型三极管，主要参数有：集电极基极VCBO=75V，集电极发射极电压VCEO40V，发射极基极电压VEBO6V，总功率消耗Ptot（TC25）=1.8W，Ptot（TA25）=500mW，集电极电流IC=0.8A。三极管T6是射极输出器，原理与光核单元以及反馈光的功率放大相同。第五章 CPU周围电路及激励信号电路设计5.1 CPU周围电路设计 采用C8051F020混合信号系统级单片机25，含有一个12位AD转换器和一个8位AD转换器以及一个双12位DA转换器、8个IO端口共64根IO口线、4352B的RAM、5个16位通用定时器。C8051F020单片机支持双时钟。5.1.1 电源电路由于外部电源为220 V，所以，要选用ACDC开关电源将交流220 V变成直流9V，然后经过低压差线性稳压芯片AS1117-3，可以将直流+9V电压转化为+3V直流电压作为VDD给JTAG调试接口和单片机供电，另外，此电路还提供模拟电AV+，以及显示器的供电。同时，另一路经过低压差线性稳压芯片AS1117-5后，输出的是+5V信号作为RS232串口的电源，具体的电路如图5.1所示：（图中电容的作用为了提高抗涟波能力）图5.1 电源电路5.1.2晶振电路C8051F020单片机有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能产生系统时钟。外部晶振需要一个外部谐振器或者并行方式的晶振或电容或RC网络连接到XTAL1和XTAL2引脚之间，必须在OSCXCN寄存器中为这些外部振荡器源中的某一配置振荡器电路。要注意的是，引脚XTAL1和XTAL2不耐5V电压，XTAL1和XTAL2电压应保持在AV+和AGND之间。由于计算机运行速度非常快，检测仪每小时检测28000粒，所以本晶振采用中心频率为20MHz的DIP插脚型封装。电路图如图5.2所示。 图5.2 外部晶振电路串口通讯单片机的串口是TTL电平，在实际应用时，需要将TTL电平转换成RS232电平。RS232的接口芯片很多，如最著名的当然是maxim公司的max232；在本设计中我选用了芯片MAX232ACPE(16)。MAX232ACPE(16)芯片供电为+5V，需要额外供电；另外此芯片含有有两路输入输出，但在此设计中只用一路即可，电路如下图所示。图5.3 RS232的接口JTAG 接口电路图5.4为JTAG 接口电路，图中JTAG 接口是4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品期间就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。图5.4 JTAG接口电路 5.2 激励信号电路设计此部分电路作用是为光电管提供激励信号图5.5 激励信号（窄脉冲）由于所选激光器正常工作需要一个类似于脉冲式的激励信号，如上图所示，其高低电平的时间比为1:9，单片微型计算机可输出稳定的方波，所以需要用这个方波来产生符合我们要求的波型。同时由于微处理器的输出电流十分小，所以导致输出的方波若直接加在光电管上，会因功率不足而不能推动光电管发射出完整的讯号，因此必须设计一个功率放大器连接8051F020方波输出端与发射器输入端，提高功率输出，因此我们可以用以下电路对方波进行调制放大处理，从而产生出符合要求的激励信号。 图5.6 激励信号调制电路第六章 总 结基于光电传感技术的钢球表面质量检测研究是一个集光、机、电一体化的设计课题，能够很好的把知识融合在一起。本课题对钢球表面质量检测的光学方法做了较为系统的归类，总结了当前钢球表面质量检测方法的优缺点，并通过对各种方法的比较，提出了一种在理论上快速有效的方案，对基于此方案的光电传感器进行了结构设计。用本传感器值测量表面粗糙度，当粗糙度小于0.16m时，可以用核环比法来测量，这样可以消除激光器输出功率变化的影响，消除工件材料或加工方法不同导致的测量误差，消除仪器周围环境杂散光的影响等 ，当表面粗糙度Ra值大于0.16m时，可以用散射积分法来测量表面粗糙度，从而将两种方法融合于同一种传感器中，因此该传感器具有较高的精度，较宽的应用范围。对钢球表面展开机构进行了设计，克服了球面展开困难这一难题，应用子午展开轮、支撑轮、驱动轮把钢球固定在空间指定位置进行检测。应用电磁继电器，使支撑轮有一抬起动作，完成排料。电磁继电器每秒吸合最快可达10次，因此完全可满足快速检测的要求。对光电信号处理系统部分进行了总体方案设计，对模拟电路和数字电路分别进行了硬件设计，主要包括滤波，检波，放大电路的设计以及A/D转换电路和CPU外围电路的设计。初步建立了一套能满足在线钢球检测要求的信息处理硬件系统。但没有对模拟电路进行仿真和实验。在光电传感器设计过程中，通过查阅了大量相关的资料文献，对华中科技大学研制的白光干涉仪，捷克SOMET公司生产的AVIKO系列钢球表面自动检测仪有了比较直观形象的了解，从而对钢球检测系统的设计有了宏观的认识。通过对李国平老师、张永奎学长钢球表面质量光电检测装置专利的学习了解，从而对光电传感器的设计有了思路。尽管已经做了大量的工作，基本在理论上实现了系统各模块的功能。但由于本人能力及条件所限，难免会存在不妥之处，在具体实现上也还需要许多细致深入的工作。虽然从理论上具有很高的可行性，但缺少具体实验的证实。参 考 文 献1 刘笑明,单圭庆.非接触表面粗糙度测量技术J.世界机电技术.1991(1):19-20.2 陈继涛.表面粗糙度检测方法发展史及研究现状概述J.中国科技信息.2007(17):305-306.3 郑俊丽,赵学增,周莉莉.表面粗糙度的激光非接触检测方法J.激光与红外.2005,35(3):148-150.4 付风岚,谭海艳.零件表面粗糙度的激光在线测量J.激光与红外.2007,37(5):412-414.5 邱丽荣,丁雪梅,赵维谦,等.测量非连续曲面的偏振光差动像散传感技术J.光电子激光.2005,16（5）:586-587.6 卢晋人,黄元庆.激光三角法测量表面形貌J.厦门大学学报.2004,43（1）:50-53.7 李金泉,藤村贞夫.表面粗度的研究动向J.天津理工学院学报.1994,10（1）:21-27.8 常素萍,谢铁邦.钢球表面粗糙度的白光干涉非接触测量法J.轴承.2006（3）:28-3