如今工业內窺鏡在众多领域都得到了广泛的应用，本文主要探讨在發動機孔探过程中使用工业內窺鏡进行大尺寸测量的相关问题。

一、概述

光学测量技术是發動機孔探技术的一个质的飞跃，其利用测量功能，通过依赖被检测对象上的已知尺寸做为參照物(即比较测量法) 或自身具有的测量体系(即绝对测量法) 可以对缺陷的尺寸大小进行测量，以便对缺陷进行定量的评估而达到视情维护的重要目的。

目前只有视频內窺鏡具有光学测量功能，其中比较测量法主要是单物镜比较测量法，而绝对测量法主要有单物镜阴影测量法、双物镜立体测量法、單物鏡激光測量法、單物鏡三維立體相位掃描測量法（以下简称 3D相位掃描测量）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展到今天，較小的缺陷已經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內窺鏡實用性的分析與探討。

二、如何實現大尺寸的精確測量

1. 标尺对比测量

通常情況下，對較大尺寸數據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。這種數據的獲得需要人的經驗和對結構的了解，所提供的估測數據可以作爲一定的參考。這種方法，其實就是最古老的比較測量法。

比如GE90發動機 HPC1级转子叶片前缘叶尖角弯曲（如图1），需要测量轴向和径向尺寸。这类损伤一般在20mm以上，起初只能根据厂家提供的叶片尺寸进行比例估算，差异很大。

後來，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，可以比較准確的比量尺寸，從而達到測量的目的。這類工作的難度在于如何將標尺准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。

 图1 GE90發動機HPC1级叶片叶尖弯曲

图2 标尺比较法测量径向长度L                             图3 标尺比较法测量轴向长度Y

2. 单物镜比较测量法

2012年6月28日，在B-2822飛機退租过程中，孔探检查发现右发ESN30837HPC2级通道涂层材料丢失。我们通过比例估算逐段累加后，预计材料丢失的总面積约为6.1平方英寸。租机方第一次测量总面積为10.434平方英寸，超过手册允许标准6.2平方英寸。测量图片如图4(a)、图4(b)：

图4(a) 比较法测量面積                                        图4(b) 比较法测量面積

根据AMM手册，HPC2级叶片间涂层面積：1.52 inch2，涂层宽度：1.42 inch。通过计算可以得到叶片间距为1.07 inch。

通过图片可知，其所用的测量方法为比较法测量，所用的參考尺寸为已知尺寸涂层宽度1.42 inch。 但第一次测量所选的尺寸应为叶片间距，因此我们判断该测量是錯誤的。通过对数据的分析，初步判断其误差为(1.42/1.07)2-1=76.12%，也就是这个结果应该比实际面積大了76.12%，反推实际结果约为：5.924 inch2 ,这个结果应该在标准范围内。但这仅仅是数量级性质的估测。

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次測得塗層材料丟失總面積7.984平方英寸，也超出手冊標准。

图5 比较法测量面積

兩次測量的結果都與我們的估測有較大的差異，到底問題在哪裏呢？

爲找出其中的原因，我們做了以下實驗（如圖6）：

    图6 实验模拟压气机叶片间涂层情况

图中，A区：平行四边形，高度为10mm=0.3937 inch，长度为叶片间距L=1.07 inch；B区：任意设置的四边形。按照图7所示的倾斜情况分别对A区和B区面積进行测量，如图8(a)~8(h)。

图7  镜头与涂层法线角度的变化（倾斜度）示意  

图8(a) 正对 參考尺寸为L=1.07inch                 图8(b) 正对 參考尺寸为W=1.42 inch

  图8(c) 倾斜30° 參考尺寸为L=1.07inch                图8(d) 倾斜30°參考尺寸为W=1.42 inch

图8(e) 倾斜45° 參考尺寸为L=1.07inch           图8(f) 倾斜45°參考尺寸为W=1.42 inch

 图8(g) 倾斜60° 參考尺寸为L=1.07inch              图8(h) 倾斜60°參考尺寸为W=1.42 inch

A区面積，预设此平行四边形宽度为H=10mm，按H×L=10 mm×1.07 inch=0.421 inch2

B区面積区正对条件下按不同的參照尺寸测量后的平均值，为（0.185+0.180）/2=0.183 inch2

同樣，我們對B區面積按此方法進行了測量，所得數據如表1：

表1  不同參考尺寸下的比较测量法测量结果

 對測量結果進行誤差分析（如表2），並將測量誤差繪制成趨勢圖（如圖11）：

                 表2  测量误差分析

图11 测量误差变化趋势

通過對數據及圖表分析，可以得出以下結論：

1. 比较法测量，镜头与被测物的垂直度直接影响测量结果的准确度，只有在垂直正对被测表面时，测量数据才准确，误差可以在5%以内；

2. 倾斜度对结果的误差影响极大，倾斜越大，误差越大；

3. 基准方向的选取对测量结果的影响有增大和减小两种趋势：基准方向在倾斜面时，测量数据偏大；而基准方向垂直于倾斜面时，测量数据偏小。

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。並且，由于基准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，比较法测量数据有很大的迷惑性，如果片面相信这类数据而忽视实际工作条件，将无可避免的造成錯誤的判断。

3. 单物镜阴影测量法

爲了避免比較法測量帶來的迷惑性，就需要使用工業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））。

  图12 长度的测量                                                     图13 面積的测量

然而，在实际工况下，探头穿插进入發動機内部，保证镜头与被测物表面垂直并不容易实现（否则仅能延着投射的阴影线上进行简单的距离测量），这就要求探头有较好的导向操作性能及操作人员对發動機的内部结构有全面的掌握。另外，阴影测量镜头的观察的焦距较短，因此工业內窺鏡在孔探工作中需要首先用视野、焦距相对较大的观察镜头查找到缺陷，然后再将探头取出，更换上阴影测量镜头以后，再度进入發動機找到该缺陷后进行测量。总之受操控难度限制，阴影测量法使用率并不高。

4. 双物镜立体测量

隨後工業內窺鏡出現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，進行多種測量功能並獲取精准的數據。也因此，雙物鏡測量法第一次被冠以“立體”二字。 

爲保證測量誤差在5%範圍內，在使用工業內窺鏡中雙物鏡立體測量時最低的放大倍數應不小于5倍，最佳放大倍數爲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，由于双物镜立体测量画面在工业內窺鏡显示屏上被分割成左右2个视窗，这也决定了相对于单物镜视窗该测量方法所能测得的尺寸范围比较小。一般认为，10mm以下的缺陷尺寸可以进行精确测量（误差保证在5%以内），而10~20mm缺陷尺寸的测量误差比较大，20mm以上的缺陷尺寸测量基本精度不可靠，仅作參考。 

但在發動機孔探过程中，如前文所述有时会发现一些比较大的损伤（尺寸在10mm以上）。在对这些大尺寸的损伤进行定量测量过程中，受位置的限制以及设备、测量精度等的影响，目前通常使用工业內窺鏡的双物镜立体测量法很难做到一次性准确的测量，只能进行分段或分区测量。而在实际过程中，分段或分区的位置难以把握，特征点位有时很难选，这也成为双物镜立体测量法技术条件下的一个难点。 

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爲20.3mm：

 图14 一次性测量

分段測量實例,如圖15(a)~15(d)：

图15(a) 分段测量 L1=3.21mm                  图15(b) 分段测量 L2=4.18mm 

 图15(c) 分段测量 L3=2.48mm                       图15(d) 分段测量 L4=2.65mm

此缺口離葉片葉尖的實際距離爲12.31861mm（精確數據）。一次性測量結果爲11.52mm，誤差爲：-6.48%；分段測量的結果爲：3.21+4.18+2.48+2.65=12.52mm，誤差爲：+1.63%。由此可見，分段測量可以滿足精度要求。

在很多情况下，分段的特征点和特征位置并不好找，比如RB211發動機HPC2级涂层材料丢失，边界点就不易确定，尤其在很多情况下为了分区，镜头角度需要不断的改变，特征点就更不清楚了。

此外与单物镜阴影测量法一样，由于观察的焦距较短，所以在工业內窺鏡孔探工作中同样需要先使用视野、焦距相对较大的观察镜头查找到缺陷，然后再将探头取出更换上双物镜立体测量镜头后，再度进入發動機找到该缺陷后进行测量。虽然如此，鉴于测量时测量镜头不需要垂直于被测量缺陷所在平面，双物镜立体测量法使用率还是远高于单物镜阴影测量法。

5. 單物鏡激光測量法

其后工业內窺鏡出现的單物鏡激光測量法也是一种单视窗的、理论上可测量30~50mm大尺寸的方法，同样不需要垂直于被测量缺陷所在的平面，并且其测量镜头的焦距较长，可以直接用来查找缺陷然后进行拍照测量，因此其在面世之初曾受关注。但在实际应用中，由于散落在缺陷上的激光点的数量相对有限，导致检测同一缺陷的测量数值的重复性相对较差而无法确认有效数据，特别是针对较小缺陷时这种情况就更加明显，所以这种测量方法目前在民航领域应用不多，在此就不做进一步分析了。

6. 單物鏡三維立體相位掃描測量法

近几年工业內窺鏡出现的單物鏡三維立體相位掃描測量法（以下简称 3D相位掃描测量）是一种新型的绝对法光学测量技术，其测量镜头可将线形光栅交叉投射到表面，并用具有高质量光学器件的摄像机捕捉这个线形模式，再用专有算法处理图像，得到整个表面的三维点云图；最后将三维空间点坐标与测量结合使用，获得更多有关缺陷或者被测对象的精确信息，这是真正意义上的三维立体测量技术，并且数据重复性好，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，尤爲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爲一體，采用大視野單視窗視圖，檢測過程中發現缺陷即可拍照測量，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爲測量鏡頭的步驟，有效的提高檢測效率，同時也降低了工業內窺鏡探頭反複穿插帶來卡滯的風險。

例如，依据3D相位掃描测量，如图16(a)和图16(b)，此前讨论的HPC2级涂层材料丢失的总面積为6.48平方英寸。

图16(a) 3D测量法测量涂层丢失面積             图16(b) 3D测量法测量涂层丢失面積

2012年08月31日，该发进入大修厂分解。最终用双物镜立体测量分段测量拓片各分区（如图17、图18），所得涂层脱落总面積（共10处）为：6.5429平方英寸。3D相位掃描測量值结果与其对比误差为-0.96%，因在役使用3D相位掃描测量时少了一部分叶尖遮盖部分的面積，这也验证了3D相位掃描测量法测量大尺寸的相对准确性。 

 图17  發動機分解后的涂层丢失情况                               图18 拓片取涂层丢失情况分区测量

总体上，工业內窺鏡中的3D相位掃描测量数据误差小，大面積（叶片间距内）缺陷可以一次性测量；而如果使用双物镜立体测量大面積缺陷，则需要分段测量，但分段点不好把握。

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）爲保證測量精度，物距MTD應小于1.0inch；

6）對于不能精確建立點雲坐標系的區域（如高反光或較暗部位），系統會自動識別爲紅區並禁止放置測量點；如果其覆蓋範圍影響測量選點，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，且軟件取點較之現場取點視野範圍更大。

图19 3D测量选取画面的红区                                  图20 3D测量避开红区的取点

三、結論

在实际的發動機孔探检查过程中，受工业內窺鏡相应设备及使用条件限制，采用比较法测量大尺寸时，应特别考虑镜头与被测物的垂直情况；使用双物镜立体测量法进行测量时，应分段或分区测量以保证测量精度，但需要确定好特征点；激光测量法虽然对30~50mm的缺陷测量时精度相对更加准确一些，但航空發動機若有如此大的缺陷几乎也无测量的价值而直接换发了；在设备、条件允许的情况下，3D相位掃描测量法可以相对准确的一次性测量大尺寸缺陷，但应注意3D相位掃描测量法的限制条件。

技術的發展已經使CCD的像素可以做到更大，目前普遍使用的CCD像素爲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內窺鏡工具，才能幫助孔探工程師在黑暗世界裏准確可靠地探尋真實所在，並提高工作效率；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，並結合實際應用情況，才能盡可能地發揮設備的優勢，避免視情維護中的漏檢和誤判所帶來的經濟損失與安全隱患。

相關推薦：測量型內窺鏡選擇韋林MViQ，单物镜相位掃描三维立体测量，更高效更准确！