如今工業(yè)內窺鏡在眾多領域都得到了廣泛的應用，本文主要探討在發(fā)動機孔探過程中使用工業(yè)內窺鏡進行大尺寸測量的相關問題。

一、概述

光學測量技術是發(fā)動機孔探技術的一個質的飛躍，其利用測量功能，通過依賴被檢測對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(即絕對測量法) 可以對缺陷的尺寸大小進行測量，以便對缺陷進行定量的評估而達到視情維護的重要目的。

目前只有視頻內窺鏡具有光學測量功能，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。

其實很早以前，在光學測量技術還未形成的時候，孔探人員會用已知直徑的保險絲去比量缺陷，這就是最早的比較法測量的一種應用，當然這肯定有著很大的局限性。隨著光學測量技術發(fā)展到今天，較小的缺陷已經(jīng)能夠相對精確的測量了，但是對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合具體案例進行工業(yè)內窺鏡實用性的分析與探討。

二、如何實現(xiàn)大尺寸的精確測量

1. 標尺對比測量

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

比如GE90發(fā)動機 HPC1級轉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行比例估算，差異很大。

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

 圖1 GE90發(fā)動機HPC1級葉片葉尖彎曲

圖2 標尺比較法測量徑向長度L                             圖3 標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飛機退租過程中，孔探檢查發(fā)現(xiàn)右發(fā)ESN30837HPC2級通道涂層材料丟失。我們通過比例估算逐段累加后，預計材料丟失的總面積約為6.1平方英寸。租機方第一次測量總面積為10.434平方英寸，超過手冊允許標準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，HPC2級葉片間涂層面積：1.52 inch2，涂層寬度：1.42 inch。通過計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為葉片間距，因此我們判斷該測量是錯誤的。通過對數(shù)據(jù)的分析，初步判斷其誤差為(1.42/1.07)2-1=76.12%，也就是這個結果應該比實際面積大了76.12%，反推實際結果約為：5.924 inch2 ,這個結果應該在標準范圍內。但這僅僅是數(shù)量級性質的估測。

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

圖5 比較法測量面積

兩次測量的結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，我們做了以下實驗（如圖6）：

    圖6 實驗模擬壓氣機葉片間涂層情況

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)：任意設置的四邊形。按照圖7所示的傾斜情況分別對A區(qū)和B區(qū)面積進行測量，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 參考尺寸為L=1.07inch                 圖8(b) 正對 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，預設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B區(qū)面積按此方法進行了測量，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果

 對測量結果進行誤差分析（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

通過對數(shù)據(jù)及圖表分析，可以得出以下結論：

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

2. 傾斜度對結果的誤差影響極大，傾斜越大，誤差越大；

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

在實際工作中很難保證鏡頭正對被測表面，因而也就無法保證測量精確度。并且，由于基準值方向的選取對測量結果的影響，會造成相應的比實際值增大或減小，這對實際判斷有完全兩種不同的結論。

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)而忽視實際工作條件，將無可避免的造成錯誤的判斷。

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)內窺鏡中的絕對測量方法。單物鏡陰影測量法是內窺檢測行業(yè)第一種絕對法測量模式。

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系的三角幾何計算，測量精度最高可達97%以上(如圖12，圖13））。

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

然而，在實際工況下，探頭穿插進入發(fā)動機內部，保證鏡頭與被測物表面垂直并不容易實現(xiàn)（否則僅能延著投射的陰影線上進行簡單的距離測量），這就要求探頭有較好的導向操作性能及操作人員對發(fā)動機的內部結構有全面的掌握。另外，陰影測量鏡頭的觀察的焦距較短，因此工業(yè)內窺鏡在孔探工作中需要首先用視野、焦距相對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，再度進入發(fā)動機找到該缺陷后進行測量?？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法測量模式，其測量鏡頭利用左右2個物鏡成像的夾角差異的識別與計算，它可以實現(xiàn)以任何角度拍攝被測物表面，采集圖像信息，進行多種測量功能并獲取精準的數(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，在使用工業(yè)內窺鏡中雙物鏡立體測量時最低的放大倍數(shù)應不小于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。 

另外，由于雙物鏡立體測量畫面在工業(yè)內窺鏡顯示屏上被分割成左右2個視窗，這也決定了相對于單物鏡視窗該測量方法所能測得的尺寸范圍比較小。一般認為，10mm以下的缺陷尺寸可以進行精確測量（誤差保證在5%以內），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)動機孔探過程中，如前文所述有時會發(fā)現(xiàn)一些比較大的損傷（尺寸在10mm以上）。在對這些大尺寸的損傷進行定量測量過程中，受位置的限制以及設備、測量精度等的影響，目前通常使用工業(yè)內窺鏡的雙物鏡立體測量法很難做到一次性準確的測量，只能進行分段或分區(qū)測量。而在實際過程中，分段或分區(qū)的位置難以把握，特征點位有時很難選，這也成為雙物鏡立體測量法技術條件下的一個難點。 

一次性測量實例如圖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際距離為12.31861mm（精確數(shù)據(jù)）。一次性測量結果為11.52mm，誤差為：-6.48%；分段測量的結果為：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，分段的特征點和特征位置并不好找，比如RB211發(fā)動機HPC2級涂層材料丟失，邊界點就不易確定，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)內窺鏡孔探工作中同樣需要先使用視野、焦距相對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，再度進入發(fā)動機找到該缺陷后進行測量。雖然如此，鑒于測量時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行拍照測量，因此其在面世之初曾受關注。但在實際應用中，由于散落在缺陷上的激光點的數(shù)量相對有限，導致檢測同一缺陷的測量數(shù)值的重復性相對較差而無法確認有效數(shù)據(jù)，特別是針對較小缺陷時這種情況就更加明顯，所以這種測量方法目前在民航領域應用不多，在此就不做進一步分析了。

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）是一種新型的絕對法光學測量技術，其測量鏡頭可將線形光柵交叉投射到表面，并用具有高質量光學器件的攝像機捕捉這個線形模式，再用專有算法處理圖像，得到整個表面的三維點云圖；最后將三維空間點坐標與測量結合使用，獲得更多有關缺陷或者被測對象的精確信息，這是真正意義上的三維立體測量技術，并且數(shù)據(jù)重復性好，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，同時也降低了工業(yè)內窺鏡探頭反復穿插帶來卡滯的風險。

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相位掃描測量值結果與其對比誤差為-0.96%，因在役使用3D相位掃描測量時少了一部分葉尖遮蓋部分的面積，這也驗證了3D相位掃描測量法測量大尺寸的相對準確性。 

 圖17  發(fā)動機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）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，但分段點不好把握。

在使用3D相位掃描測量法進行測量時，應關注以下的特點：

1）拍照時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）拍照時要求保持鏡頭有2~3秒的靜止；

4）被測物表面不能有太強烈的的反光；

5）為保證測量精度，物距MTD應小于1.0inch；

6）對于不能精確建立點云坐標系的區(qū)域（如高反光或較暗部位），系統(tǒng)會自動識別為紅區(qū)并禁止放置測量點；如果其覆蓋范圍影響測量選點，需要調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測量，且軟件取點較之現(xiàn)場取點視野范圍更大。

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

三、結論

在實際的發(fā)動機孔探檢查過程中，受工業(yè)內窺鏡相應設備及使用條件限制，采用比較法測量大尺寸時，應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行測量時，應分段或分區(qū)測量以保證測量精度，但需要確定好特征點；激光測量法雖然對30~50mm的缺陷測量時精度相對更加準確一些，但航空發(fā)動機若有如此大的缺陷幾乎也無測量的價值而直接換發(fā)了；在設備、條件允許的情況下，3D相位掃描測量法可以相對準確的一次性測量大尺寸缺陷，但應注意3D相位掃描測量法的限制條件。

技術的發(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，未來新的技術條件可以使CCD像素達到100萬或更高。這樣的條件下，即使在同樣的物距狀況下，可以對被觀察的物體進行放大處理，或者可以在比較大的物距條件下對缺陷進行測量，從而實現(xiàn)大尺寸的測量。

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

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