滚动轴承作为机械设备中常用的重要基础零件应用非常广泛。作为球轴承的滚动体,钢球的质量对轴承的运动性能、精度及寿命均有重要影响。据统计显示,在引起轴承失效的因素中,由钢球表面缺陷而导致的失效比例在58.8%以上。由此可知,钢球表面质量是关乎轴承综合性能的关键因素。所以,严格控制钢球表面缺陷检测过程是提高成品钢球表面质量的关键环节。目前,国产钢球表面缺陷检测设备,在测量精度、检测效率、准确率等方面与国外设备相比有较大差距。本文通过对光学法检测钢球表面缺陷原理进行深入研究,旨在设计一种检测钢球表面缺陷的新型光纤传感器。根据钢球表面缺陷种类并结合机械行业钢球表面缺陷评定标准,对缺陷进行参数化分析,确定了使用位移和粗糙度两个特征参数进行缺陷的评定。对光学法检测缺陷特征参数的原理及可行性进行分析,并结合光纤传感器类型、用途和检测原理,确定使用反射式强度调制型光纤传感器模型。根据检测需要,提出并制定双波长同轴光纤传感器检测钢球表面位移和粗糙度特征参数的整体研究方案。分析光纤出射光强分布模型、接收光纤有效受光面积、传感器探头结构等影响光强调制特性的因素。选择了发射光纤光强为准高斯分布模型,确定光纤传感器探头为双圈同轴式结构。对光纤传感器球面检测进行分析,建立了位移和粗糙度测量模型和光强调制函数表达式,为光纤传感器建立模型和仿真分析奠定了理论基础。基于光强调制函数使用Matlab软件建立传感器数学模型,对发射光纤芯径、接收光纤芯径、数值孔径、光纤间距等因素进行仿真分析。确定了发射、接收光纤使用相同尺寸参数,纤芯/包层直径为105/125μm,数值孔径为0.11,传感器探头端面各圈光纤呈紧密排列结构,初始安装距离0.8mm。分析波长及粗糙度参数对光强调制特性的影响,选用1310nm与1550nm两种波长光源。制作光纤传感器。分别搭建了传感器标定测试平台和钢球检测平台进行双波长同轴光纤传感器的测试实验。通过对光纤传感器位移和粗糙度标定实验的分析,最大误差分别为1.67%和2.32%,有较好的测试效果。在钢球检测实验中,不同类型缺陷球其位移及粗糙度输出曲线不同,根据曲线的差异性即可判断钢球表面情况。使用神经网络对检测数据进行处理,结果显示缺陷球的分类识别率为88.5%,可以满足自动化检测时数据后续处理和缺陷球比例统计的要求。为钢球表面缺陷检测仪的研制奠定了基础。