視頻內窺鏡測量技術在民航維修中的應用和發展

摘要：高精度視頻測量內窺鏡使內窺鏡成為能夠準確定量的檢測手段，拓寬了其在民航維修中的應用，對發動機維護具有重要意義。

關鍵詞：內窺鏡  視頻測量  誤差  發動機監控

內窺鏡檢測是指使用專用的光學儀器（工業內窺鏡）對肉眼無法直接接近的區域進行檢查，廣泛應用于航天、航空、船舶、電力、石油及安全保衛等部門。

在民用航空器維護中，內窺鏡檢測通常也稱為“孔探”（因其檢查時須將內窺鏡探頭通過接近孔到達合適的觀察位置），它作為唯一一種能夠不需分解發動機而在航線維護中了解其內部狀況的檢查手段，起著非常關鍵的作用。

內窺鏡設備可分類為剛性內窺鏡和柔性內窺鏡。剛性內窺鏡通過探頭端部的棱鏡實現光學成像、通過內部的光纖進行照明和圖像傳輸。柔性內窺鏡又可分類為光纖內窺鏡和視頻內窺鏡，柔性光纖鏡也是光學成像，類似于剛性內窺鏡。

視頻內窺鏡是通過探頭端部的CCD（光電耦合器件）成像，視頻圖像信號通過電纜傳輸到顯示和輸出端。柔性光纖內窺鏡和剛性內窺鏡通常不具備測量功能。具備測量功能的視頻內窺鏡稱為視頻測量內窺鏡。

視頻測量內窺鏡檢測在民航的應用是隨著歐美飛機的引進而開始的。20世紀80年代，以CF6-80C2、JT8D/9D為代表的發動機進入中國民航市場，其維護要求對發動機內窺鏡檢測的結果的定量精度提出了更高的標準，先前內窺鏡檢測中采用的實物、圖片對比估測法由于對檢測人員的經驗、水平的依賴和自身限制已不能滿足要求，視頻測量內窺鏡應運而生。

視頻測量主要采取單物鏡陰影測量法，其基本原理是根據固定標記在不同距離平面上投影的位置變化與其距離存在比例關系，通過圖像上的投影線的位置作為測量的標尺，來計算出圖像任意兩點間的距離。

當進行斜面、垂直面(即深度)測量時，利用投影線標尺與距離的關系可計算出相關的垂直距離，進一步計算得到斜面距離（如圖-1所示，D1、D2為探頭距物體的距離；S1、S2為探頭距物體D1、D2時陰影邊界距接收邊界的距離）。

這時期的內窺鏡探頭導向為手動控制，圖像可輸出到彩色顯示器或通過熱敏打印機打印黑白圖像。陰影測量法操作簡單方便，但重復性較差，誤差隨放大倍數、測量的尺寸及測量模式變化而變化。

因此，測量系統要求檢查者盡量將檢查區域顯示滿屏達到最大放大倍數，并選擇正確的測量模式才能達到測量定量的效果，在實際檢測中受到一定限制。另外一類視頻測量內窺鏡采用包絡曲面的方式。

首先將已知物體的圖形及參數存儲在處理器的硬盤內，然后將內窺鏡觀察到的物體與存儲的同一物體進行包絡，包絡得越完整則曲面上任意兩點的距離測量的誤差越小。

這類測量中還有空間直線測量及管內測量等，但這些都需要物體上的尺寸參數或針對某一特定模式的物體，局限性較大，民航維修應用很少。

在此時期，內窺鏡檢測主要用于定檢、排故等任務對發動機壓氣機、渦輪、燃燒室等內部部件的檢查，雖然主流的視頻測量設備基本能夠滿足工作要求，但由于設備性能的局限，內窺鏡測量人員的工作難度較大，尤其是發現逼近可用極限的損傷后使用內窺鏡對發動機進行監控比較困難。

及至20世紀90年代末期，隨著制造技術的進步和市場需求的增長，出現了數字式視頻測量內窺鏡，并在數年間逐步成熟，使視頻測量內窺鏡真正成為誤差可控、定量準確的測量技術手段。

同時期，CFM56系列、V2500等發動機大量進入中國，其維護要求對內窺鏡檢查更加細化，標準更高，內窺鏡檢查的重要性和應用價值也與日俱增。

數字式視頻測量內窺鏡按測量原理可分為單物鏡陰影測量法和雙物鏡立體測量法，二者各有特點，測量精度基本相當。

雙物鏡測量法的基本原理（如圖-2所示）是不同位置的兩個鏡頭對同一物體進行觀察時會形成兩個不同位置的圖像的原理，即像人眼一樣利用視差進行定位。由于兩個鏡頭間的距離為固定值，同一點到兩個鏡頭的連線與鏡頭中心線形成不同的夾角。

當兩個鏡頭分別會在同一畫面上形成兩個相同的圖像，相同圖像上同一點間的距離與鏡頭到物體的距離有對應的關系，再通過幾何的計算，即可以得到任意兩點間的距離。

雙物鏡測量的優點是不用考慮鏡頭與觀察物體間的位置與角度，就可對任意兩點間距離進行測量。缺點是雙物鏡鏡頭對物體進行觀察時，由于雙鏡頭的影像觀察效果不理想，一般常利用非測量探頭進行觀察找到測量點后再用雙物鏡探頭進行測量，有時使用不方便。

采用數字技術的內窺鏡測量設備由于采用了高像素的CCD鏡頭，成像質量大幅提高。采用電動全方位導向，提高了接近和觀測能力。

圖像可直接輸出到系統自帶的微型液晶顯示器，處理單元結合了計算機技術和網絡技術，可對監測區域照相或視頻錄像，并可進行圖像或視頻文件存儲、調出、復制、刪除、標注、對比顯示、遠程傳輸等操作，還可對存儲的測量圖像進行重新測量。

由于綜合性能的提高保證了圖像清晰度、照明強度、放大倍數等影響因素可滿足要求，目前的視頻測量內窺鏡在正確使用時相對誤差小于 5%。視頻測量內窺鏡可使用測量標塊隨時校驗系統精度，該標塊作為計量器具定期檢定。

目前，視頻測量內窺鏡主要應用于以下方面：

1．發動機內部部件的定期檢查、排故、普查等；

2．飛機APU(輔助動力裝置)內部的檢查；

3．飛機、發動機管路內部的檢查；

4．飛機機身結構內部的檢查；

5．內部發現損傷的發動機的監控使用，包括維護手冊規定的可用標準之內的和

超出手冊標準的損傷；

6．發動機壓氣機葉片損傷的在翼打磨修理。

高精度的視頻測量內窺鏡可充分發揮孔探檢查的作用，能夠盡早發現損傷并準確評定，避免漏檢造成不安全或者誤判超標而造成經濟損失，并且監控使用發動機可充分利用發動機的安全裕度，節約維護成本。

對某些帶有超標損傷的發動機可縮短檢查間隔，以內窺鏡檢查監控損傷擴展的情況并設定新的可用極限，通常在監控下可繼續安全使用數月甚至數年。

這種監控是以內窺鏡準確測定損傷大小從而分析其趨勢、跟蹤其擴展為基礎的。故此視頻測量內窺鏡在安全運行和經濟效益兩方面均具有重要意義。

飛機發動機壓氣機葉片的損傷，在一定范圍內可通過內窺打磨工具進行在翼打磨修理，避免拆卸、分解發動機。發現損傷后，首先確定損傷的位置、種類和尺寸，如果在可修理標準范圍內則可進行打磨修理。

在翼打磨修理是使用一種特殊的內窺鏡——內窺打磨工具進行的，該工具是在剛性內窺鏡端部安裝電動打磨工具，由電機驅動打磨頭高速轉動，將損傷部分的多余物磨成粉末并把損傷區域打磨成平滑的形狀，消除應力集中，防止損傷擴展，使葉片可以繼續安全使用。

內窺打磨修理的前提是對損傷位置和尺寸的準確定量，缺少高精度的視頻測量內窺鏡無法實施。

視頻測量內窺鏡不斷更新換代，性能更加優異。為使其發揮更大的作用，需在以下方面作出改進：

1、內窺鏡檢測人員的資格管理

視頻測量內窺鏡必須由具備足夠知識、技能的人員操作才能充分發揮作用，保證測量結果的準確性和置信度。

內窺鏡檢測人員目前定義為特種作業，但其缺少對人員進行技術資格鑒定和認證的機制和機構，無法客觀評估人員的技術水平。內窺鏡人員經過初始培訓即可授權獨立工作，后不再進行定期的復訓和考核，不利于專業水平的保持和提高。

目前，《民航無損檢測標準：目視檢測》已制訂完成并獲總局批準，該標準將內窺鏡檢測納入“間接目視檢測”的范疇，將內窺鏡檢測人員納入NDT人員進行培訓、鑒定和認證，有利于提高內窺鏡檢測的整體水平。

2、內窺鏡設備的改進

1、視頻內窺鏡的導向不論手動或電動，始終采取內藏的4根鋼絲控制，由于金屬固有的延展性，隨著使用時間的推移導向性能終會下降，而且修理費用不菲，希望將來技術有所突破。

2、目前，對4毫米左右的小直徑視頻內窺鏡需求較大，但目前的市售該類設備由于制造技術的原因，成像、導向、測量等性能還不夠令人滿意。  

3、設備成本和耗材成本偏高。