北京韋林意威特工業(yè)內(nèi)窺鏡有限公司銷售韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡，美國進(jìn)口工業(yè)內(nèi)窺鏡品牌，主要產(chǎn)品包括手持式高清工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡、進(jìn)口內(nèi)窺鏡、原GE內(nèi)窺鏡、直桿內(nèi)窺鏡、光纖內(nèi)窺鏡、管道爬行機(jī)器人等。

如今工業(yè)內(nèi)窺鏡在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要探討在發(fā)動(dòng)機(jī)孔探過程中使用工業(yè)內(nèi)窺鏡進(jìn)行大尺寸測量的相關(guān)問題。

一、概述

光學(xué)測量技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)孔探技術(shù)的一個(gè)質(zhì)的飛躍，其利用測量功能，通過依賴被檢測對(duì)象上的已知尺寸做為參照物(即比較測量法) 或自身具有的測量體系(即絕對(duì)測量法) 可以對(duì)缺陷的尺寸大小進(jìn)行測量，以便對(duì)缺陷進(jìn)行定量的評(píng)估而達(dá)到視情維護(hù)的重要目的。

目前只有視頻內(nèi)窺鏡具有光學(xué)測量功能，其中比較測量法主要是單物鏡比較測量法，而絕對(duì)測量法主要有單物鏡陰影測量法、雙物鏡立體測量法、單物鏡激光測量法、單物鏡三維立體相位掃描測量法（以下簡稱 3D相位掃描測量）等。

其實(shí)很早以前，在光學(xué)測量技術(shù)還未形成的時(shí)候，孔探人員會(huì)用已知直徑的保險(xiǎn)絲去比量缺陷，這就是最早的比較法測量的一種應(yīng)用，當(dāng)然這肯定有著很大的局限性。隨著光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展到今天，較小的缺陷已經(jīng)能夠相對(duì)精確的測量了，但是對(duì)一些尺寸比較大的缺陷如何精確測量，反而無法很容易被掌握，下面嘗試就此問題結(jié)合具體案例進(jìn)行工業(yè)內(nèi)窺鏡實(shí)用性的分析與探討。

二、如何實(shí)現(xiàn)大尺寸的精確測量

1. 標(biāo)尺對(duì)比測量

通常情況下，對(duì)較大尺寸數(shù)據(jù)的獲得是通過與周邊已知物的尺寸進(jìn)行比例對(duì)比來獲得的。這種數(shù)據(jù)的獲得需要人的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)結(jié)構(gòu)的了解，所提供的估測數(shù)據(jù)可以作為一定的參考。這種方法，其實(shí)就是最古老的比較測量法。

比如GE90發(fā)動(dòng)機(jī) HPC1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片前緣葉尖角彎曲（如圖1），需要測量軸向和徑向尺寸。這類損傷一般在20mm以上，起初只能根據(jù)廠家提供的葉片尺寸進(jìn)行比例估算，差異很大。

后來，廠家提供專用的比量工具對(duì)此類損傷進(jìn)行比較（如圖2，圖3所示）。通過對(duì)比標(biāo)尺，可以比較準(zhǔn)確的比量尺寸，從而達(dá)到測量的目的。這類工作的難度在于如何將標(biāo)尺準(zhǔn)確的進(jìn)入需要檢查的部位，因此，標(biāo)尺對(duì)比測量僅適用于一些特定的項(xiàng)目。

 圖1 GE90發(fā)動(dòng)機(jī)HPC1級(jí)葉片葉尖彎曲

圖2 標(biāo)尺比較法測量徑向長度L                             圖3 標(biāo)尺比較法測量軸向長度Y

2. 單物鏡比較測量法

2012年6月28日，在B-2822飛機(jī)退租過程中，孔探檢查發(fā)現(xiàn)右發(fā)ESN30837HPC2級(jí)通道涂層材料丟失。我們通過比例估算逐段累加后，預(yù)計(jì)材料丟失的總面積約為6.1平方英寸。租機(jī)方第一次測量總面積為10.434平方英寸，超過手冊(cè)允許標(biāo)準(zhǔn)6.2平方英寸。測量圖片如圖4(a)、圖4(b)：

圖4(a) 比較法測量面積                                        圖4(b) 比較法測量面積

根據(jù)AMM手冊(cè)，HPC2級(jí)葉片間涂層面積：1.52 inch2，涂層寬度：1.42 inch。通過計(jì)算可以得到葉片間距為1.07 inch。

通過圖片可知，其所用的測量方法為比較法測量，所用的參考尺寸為已知尺寸涂層寬度1.42 inch。 但第一次測量所選的尺寸應(yīng)為葉片間距，因此我們判斷該測量是錯(cuò)誤的。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，初步判斷其誤差為(1.42/1.07)2-1=76.12%，也就是這個(gè)結(jié)果應(yīng)該比實(shí)際面積大了76.12%，反推實(shí)際結(jié)果約為：5.924 inch2 ,這個(gè)結(jié)果應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。但這僅僅是數(shù)量級(jí)性質(zhì)的估測。

第二次，他們采用了正確的參考尺寸，再次進(jìn)行了比較法測量（如圖5）。第2次測得涂層材料丟失總面積7.984平方英寸，也超出手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 比較法測量面積

兩次測量的結(jié)果都與我們的估測有較大的差異，到底問題在哪里呢？

為找出其中的原因，我們做了以下實(shí)驗(yàn)（如圖6）：

    圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)M壓氣機(jī)葉片間涂層情況

圖中，A區(qū)：平行四邊形，高度為10mm=0.3937 inch，長度為葉片間距L=1.07 inch；B區(qū)：任意設(shè)置的四邊形。按照?qǐng)D7所示的傾斜情況分別對(duì)A區(qū)和B區(qū)面積進(jìn)行測量，如圖8(a)~8(h)。

圖7  鏡頭與涂層法線角度的變化（傾斜度）示意  

圖8(a) 正對(duì) 參考尺寸為L=1.07inch                 圖8(b) 正對(duì) 參考尺寸為W=1.42 inch

  圖8(c) 傾斜30° 參考尺寸為L=1.07inch                圖8(d) 傾斜30°參考尺寸為W=1.42 inch

圖8(e) 傾斜45° 參考尺寸為L=1.07inch           圖8(f) 傾斜45°參考尺寸為W=1.42 inch

 圖8(g) 傾斜60° 參考尺寸為L=1.07inch              圖8(h) 傾斜60°參考尺寸為W=1.42 inch

A區(qū)面積，預(yù)設(shè)此平行四邊形寬度為H=10mm，按H×L=10 mm×1.07 inch=0.421 inch2

B區(qū)面積區(qū)正對(duì)條件下按不同的參照尺寸測量后的平均值，為（0.185+0.180）/2=0.183 inch2

同樣，我們對(duì)B區(qū)面積按此方法進(jìn)行了測量，所得數(shù)據(jù)如表1：

表1  不同參考尺寸下的比較測量法測量結(jié)果

 對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析（如表2），并將測量誤差繪制成趨勢圖（如圖11）：

                 表2  測量誤差分析

圖11 測量誤差變化趨勢

通過對(duì)數(shù)據(jù)及圖表分析，可以得出以下結(jié)論：

1. 比較法測量，鏡頭與被測物的垂直度直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，只有在垂直正對(duì)被測表面時(shí)，測量數(shù)據(jù)才準(zhǔn)確，誤差可以在5%以內(nèi)；

2. 傾斜度對(duì)結(jié)果的誤差影響極大，傾斜越大，誤差越大；

3. 基準(zhǔn)方向的選取對(duì)測量結(jié)果的影響有增大和減小兩種趨勢：基準(zhǔn)方向在傾斜面時(shí)，測量數(shù)據(jù)偏大；而基準(zhǔn)方向垂直于傾斜面時(shí)，測量數(shù)據(jù)偏小。

在實(shí)際工作中很難保證鏡頭正對(duì)被測表面，因而也就無法保證測量精確度。并且，由于基準(zhǔn)值方向的選取對(duì)測量結(jié)果的影響，會(huì)造成相應(yīng)的比實(shí)際值增大或減小，這對(duì)實(shí)際判斷有完全兩種不同的結(jié)論。

因此，比較法測量數(shù)據(jù)有很大的迷惑性，如果片面相信這類數(shù)據(jù)而忽視實(shí)際工作條件，將無可避免的造成錯(cuò)誤的判斷。

3. 單物鏡陰影測量法

為了避免比較法測量帶來的迷惑性，就需要使用工業(yè)內(nèi)窺鏡中的絕對(duì)測量方法。單物鏡陰影測量法是內(nèi)窺檢測行業(yè)第一種絕對(duì)法測量模式。

它采用單視窗檢測視圖，這有利于測量較大缺陷的尺寸。在確保陰影測量鏡頭與被測物表面垂直的狀況下，通過在缺陷所在平面上投射的一條陰影線而建立的坐標(biāo)系的三角幾何計(jì)算，測量精度最高可達(dá)97%以上(如圖12，圖13））。

  圖12 長度的測量                                                     圖13 面積的測量

然而，在實(shí)際工況下，探頭穿插進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，保證鏡頭與被測物表面垂直并不容易實(shí)現(xiàn)（否則僅能延著投射的陰影線上進(jìn)行簡單的距離測量），這就要求探頭有較好的導(dǎo)向操作性能及操作人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有全面的掌握。另外，陰影測量鏡頭的觀察的焦距較短，因此工業(yè)內(nèi)窺鏡在孔探工作中需要首先用視野、焦距相對(duì)較大的觀察鏡頭查找到缺陷，然后再將探頭取出，更換上陰影測量鏡頭以后，再度進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)找到該缺陷后進(jìn)行測量?？傊懿倏仉y度限制，陰影測量法使用率并不高。

4. 雙物鏡立體測量

隨后工業(yè)內(nèi)窺鏡出現(xiàn)的雙物鏡立體測量法是第一種真正擺脫了鏡頭垂直于被測物表面限制的絕對(duì)法測量模式，其測量鏡頭利用左右2個(gè)物鏡成像的夾角差異的識(shí)別與計(jì)算，它可以實(shí)現(xiàn)以任何角度拍攝被測物表面，采集圖像信息，進(jìn)行多種測量功能并獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。也因此，雙物鏡測量法第一次被冠以“立體”二字。 

為保證測量誤差在5%范圍內(nèi)，在使用工業(yè)內(nèi)窺鏡中雙物鏡立體測量時(shí)最低的放大倍數(shù)應(yīng)不小于5倍，最佳放大倍數(shù)為10倍以上，這也決定了鏡頭離被觀測物體表面的距離一般在15mm以內(nèi)。 

另外，由于雙物鏡立體測量畫面在工業(yè)內(nèi)窺鏡顯示屏上被分割成左右2個(gè)視窗，這也決定了相對(duì)于單物鏡視窗該測量方法所能測得的尺寸范圍比較小。一般認(rèn)為，10mm以下的缺陷尺寸可以進(jìn)行精確測量（誤差保證在5%以內(nèi)），而10~20mm缺陷尺寸的測量誤差比較大，20mm以上的缺陷尺寸測量基本精度不可靠，僅作參考。 

但在發(fā)動(dòng)機(jī)孔探過程中，如前文所述有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些比較大的損傷（尺寸在10mm以上）。在對(duì)這些大尺寸的損傷進(jìn)行定量測量過程中，受位置的限制以及設(shè)備、測量精度等的影響，目前通常使用工業(yè)內(nèi)窺鏡的雙物鏡立體測量法很難做到一次性準(zhǔn)確的測量，只能進(jìn)行分段或分區(qū)測量。而在實(shí)際過程中，分段或分區(qū)的位置難以把握，特征點(diǎn)位有時(shí)很難選，這也成為雙物鏡立體測量法技術(shù)條件下的一個(gè)難點(diǎn)。 

一次性測量實(shí)例如圖14，測量缺口邊緣到葉尖的距離，物距Z為20.3mm：

 圖14 一次性測量

分段測量實(shí)例,如圖15(a)~15(d)：

圖15(a) 分段測量 L1=3.21mm                  圖15(b) 分段測量 L2=4.18mm 

 圖15(c) 分段測量 L3=2.48mm                       圖15(d) 分段測量 L4=2.65mm

此缺口離葉片葉尖的實(shí)際距離為12.31861mm（精確數(shù)據(jù)）。一次性測量結(jié)果為11.52mm，誤差為：-6.48%；分段測量的結(jié)果為：3.21+4.18+2.48+2.65=12.52mm，誤差為：+1.63%。由此可見，分段測量可以滿足精度要求。

在很多情況下，分段的特征點(diǎn)和特征位置并不好找，比如RB211發(fā)動(dòng)機(jī)HPC2級(jí)涂層材料丟失，邊界點(diǎn)就不易確定，尤其在很多情況下為了分區(qū)，鏡頭角度需要不斷的改變，特征點(diǎn)就更不清楚了。

此外與單物鏡陰影測量法一樣，由于觀察的焦距較短，所以在工業(yè)內(nèi)窺鏡孔探工作中同樣需要先使用視野、焦距相對(duì)較大的觀察鏡頭查找到缺陷，然后再將探頭取出更換上雙物鏡立體測量鏡頭后，再度進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)找到該缺陷后進(jìn)行測量。雖然如此，鑒于測量時(shí)測量鏡頭不需要垂直于被測量缺陷所在平面，雙物鏡立體測量法使用率還是遠(yuǎn)高于單物鏡陰影測量法。

5. 單物鏡激光測量法

其后工業(yè)內(nèi)窺鏡出現(xiàn)的單物鏡激光測量法也是一種單視窗的、理論上可測量30~50mm大尺寸的方法，同樣不需要垂直于被測量缺陷所在的平面，并且其測量鏡頭的焦距較長，可以直接用來查找缺陷然后進(jìn)行拍照測量，因此其在面世之初曾受關(guān)注。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于散落在缺陷上的激光點(diǎn)的數(shù)量相對(duì)有限，導(dǎo)致檢測同一缺陷的測量數(shù)值的重復(fù)性相對(duì)較差而無法確認(rèn)有效數(shù)據(jù)，特別是針對(duì)較小缺陷時(shí)這種情況就更加明顯，所以這種測量方法目前在民航領(lǐng)域應(yīng)用不多，在此就不做進(jìn)一步分析了。

6. 單物鏡三維立體相位掃描測量法

近幾年工業(yè)內(nèi)窺鏡出現(xiàn)的單物鏡三維立體相位掃描測量法（以下簡稱 3D相位掃描測量）是一種新型的絕對(duì)法光學(xué)測量技術(shù)，其測量鏡頭可將線形光柵交叉投射到表面，并用具有高質(zhì)量光學(xué)器件的攝像機(jī)捕捉這個(gè)線形模式，再用專有算法處理圖像，得到整個(gè)表面的三維點(diǎn)云圖；最后將三維空間點(diǎn)坐標(biāo)與測量結(jié)合使用，獲得更多有關(guān)缺陷或者被測對(duì)象的精確信息，這是真正意義上的三維立體測量技術(shù)，并且數(shù)據(jù)重復(fù)性好，可靠性高。

其測量鏡頭同樣不需要垂直于被測量缺陷所在的平面，尤為特別的是它將不同焦距段（極近、近焦和中焦）的觀察鏡頭和測量鏡頭合為一體，采用大視野單視窗視圖，檢測過程中發(fā)現(xiàn)缺陷即可拍照測量，不僅適合于較大尺寸缺陷的測量，而且較之雙物鏡立體測量，省去了從觀察鏡頭更換為測量鏡頭的步驟，有效的提高檢測效率，同時(shí)也降低了工業(yè)內(nèi)窺鏡探頭反復(fù)穿插帶來卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

例如，依據(jù)3D相位掃描測量，如圖16(a)和圖16(b)，此前討論的HPC2級(jí)涂層材料丟失的總面積為6.48平方英寸。

圖16(a) 3D測量法測量涂層丟失面積             圖16(b) 3D測量法測量涂層丟失面積

2012年08月31日，該發(fā)進(jìn)入大修廠分解。最終用雙物鏡立體測量分段測量拓片各分區(qū)（如圖17、圖18），所得涂層脫落總面積（共10處）為：6.5429平方英寸。3D相位掃描測量值結(jié)果與其對(duì)比誤差為-0.96%，因在役使用3D相位掃描測量時(shí)少了一部分葉尖遮蓋部分的面積，這也驗(yàn)證了3D相位掃描測量法測量大尺寸的相對(duì)準(zhǔn)確性。 

 圖17  發(fā)動(dòng)機(jī)分解后的涂層丟失情況                               圖18 拓片取涂層丟失情況分區(qū)測量

總體上，工業(yè)內(nèi)窺鏡中的3D相位掃描測量數(shù)據(jù)誤差小，大面積（葉片間距內(nèi)）缺陷可以一次性測量；而如果使用雙物鏡立體測量大面積缺陷，則需要分段測量，但分段點(diǎn)不好把握。

在使用3D相位掃描測量法進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)關(guān)注以下的特點(diǎn)：

1）拍照時(shí)不需要與被測表面垂直；

2）觀察到測量過程不需要更換鏡頭，視野比雙物鏡立體測量大；

3）拍照時(shí)要求保持鏡頭有2~3秒的靜止；

4）被測物表面不能有太強(qiáng)烈的的反光；

5）為保證測量精度，物距MTD應(yīng)小于1.0inch；

6）對(duì)于不能精確建立點(diǎn)云坐標(biāo)系的區(qū)域（如高反光或較暗部位），系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別為紅區(qū)并禁止放置測量點(diǎn)；如果其覆蓋范圍影響測量選點(diǎn)，需要調(diào)整角度重新拍攝圖片（如圖19、圖20）；

7）檢測圖片可以使用電腦軟件二次取點(diǎn)測量，且軟件取點(diǎn)較之現(xiàn)場取點(diǎn)視野范圍更大。

圖19 3D測量選取畫面的紅區(qū)                                  圖20 3D測量避開紅區(qū)的取點(diǎn)

三、結(jié)論

在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查過程中，受工業(yè)內(nèi)窺鏡相應(yīng)設(shè)備及使用條件限制，采用比較法測量大尺寸時(shí)，應(yīng)特別考慮鏡頭與被測物的垂直情況；使用雙物鏡立體測量法進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)分段或分區(qū)測量以保證測量精度，但需要確定好特征點(diǎn)；激光測量法雖然對(duì)30~50mm的缺陷測量時(shí)精度相對(duì)更加準(zhǔn)確一些，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)若有如此大的缺陷幾乎也無測量的價(jià)值而直接換發(fā)了；在設(shè)備、條件允許的情況下，3D相位掃描測量法可以相對(duì)準(zhǔn)確的一次性測量大尺寸缺陷，但應(yīng)注意3D相位掃描測量法的限制條件。

技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使CCD的像素可以做到更大，目前普遍使用的CCD像素為40萬左右，未來新的技術(shù)條件可以使CCD像素達(dá)到100萬或更高。這樣的條件下，即使在同樣的物距狀況下，可以對(duì)被觀察的物體進(jìn)行放大處理，或者可以在比較大的物距條件下對(duì)缺陷進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)大尺寸的測量。

民航孔探檢查事無巨細(xì)且責(zé)任重大，只有找到趁手的工業(yè)內(nèi)窺鏡工具，才能幫助孔探工程師在黑暗世界里準(zhǔn)確可靠地探尋真實(shí)所在，并提高工作效率；此外，還要充分了解內(nèi)窺鏡的性能特點(diǎn)，尤其是各種測量方法的應(yīng)用特點(diǎn)和局限性，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，才能盡可能地發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢，避免視情維護(hù)中的漏檢和誤判所帶來的經(jīng)濟(jì)損失與安全隱患。

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