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(cè)量的相關(guān)問題。

一、概述

光學(xué)測(cè)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(cè)量功能，通過依賴被檢測(cè)對(duì)象上的已知尺寸做為參照物(即比較測(cè)量法) 或自身具有的測(cè)量體系(即絕對(duì)測(cè)量法) 可以對(duì)缺陷的尺寸大小進(jìn)行測(cè)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(cè)量功能，其中比較測(cè)量法主要是單物鏡比較測(cè)量法，而絕對(duì)測(cè)量法主要有單物鏡陰影測(cè)量法、雙物鏡立體測(cè)量法、單物鏡激光測(cè)量法、單物鏡三維立體相位掃描測(cè)量法（以下簡(jiǎn)稱 3D相位掃描測(cè)量）等。

其實(shí)很早以前，在光學(xué)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量了，但是對(duì)一些尺寸比較大的缺陷如何精確測(cè)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(cè)量

1. 標(biāo)尺對(duì)比測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)H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(cè)量徑向長(zhǎng)度L                             圖3 標(biāo)尺比較法測(cè)量軸向長(zhǎng)度Y

2. 單物鏡比較測(cè)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(cè)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(cè)量圖片如圖4(a)、圖4(b)：

圖4(a) 比較法測(cè)量面積                                        圖4(b) 比較法測(cè)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(cè)量方法為比較法測(cè)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(cè)量所選的尺寸應(yīng)為葉片間距，因此我們判斷該測(cè)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(cè)。

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(cè)量（如圖5）。第2次測(cè)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(cè)量面積

兩次測(cè)量的結(jié)果都與我們的估測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)=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(zhǎng)=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(zhǎng)=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(zhǎng)=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(cè)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(cè)量，所得數(shù)據(jù)如表1：

表1  不同參考尺寸下的比較測(cè)量法測(cè)量結(jié)果

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

                 表2  測(cè)量誤差分析

圖11 測(cè)量誤差變化趨勢(shì)

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(cè)量，鏡頭與被測(cè)物的垂直度直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，只有在垂直正對(duì)被測(cè)表面時(shí)，測(cè)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(cè)量結(jié)果的影響有增大和減小兩種趨勢(shì)：基準(zhǔn)方向在傾斜面時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)偏大；而基準(zhǔn)方向垂直于傾斜面時(shí)，測(cè)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(cè)表面，因而也就無法保證測(cè)量精確度。并且，由于基準(zhǔn)值方向的選取對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量法

為了避免比較法測(cè)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(cè)量方法。單物鏡陰影測(cè)量法是內(nèi)窺檢測(cè)行業(yè)第一種絕對(duì)法測(cè)量模式。

它采用單視窗檢測(cè)視圖，這有利于測(cè)量較大缺陷的尺寸。在確保陰影測(cè)量鏡頭與被測(cè)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(cè)量精度最高可達(dá)97%以上(如圖12，圖13））。

  圖12 長(zhǎng)度的測(cè)量                                                     圖13 面積的測(cè)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(cè)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(jiǎn)單的距離測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量?？傊懿倏仉y度限制，陰影測(cè)量法使用率并不高。

4. 雙物鏡立體測(cè)量

隨后工業(yè)內(nèi)窺鏡出現(xiàn)的雙物鏡立體測(cè)量法是第一種真正擺脫了鏡頭垂直于被測(cè)物表面限制的絕對(duì)法測(cè)量模式，其測(cè)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(cè)物表面，采集圖像信息，進(jìn)行多種測(cè)量功能并獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。也因此，雙物鏡測(cè)量法第一次被冠以“立體”二字。 

為保證測(cè)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(cè)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(cè)物體表面的距離一般在15mm以內(nèi)。 

另外，由于雙物鏡立體測(cè)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(cè)量方法所能測(cè)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(cè)量（誤差保證在5%以內(nèi)），而10~20mm缺陷尺寸的測(cè)量誤差比較大，20mm以上的缺陷尺寸測(cè)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(cè)量過程中，受位置的限制以及設(shè)備、測(cè)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(cè)量法很難做到一次性準(zhǔn)確的測(cè)量，只能進(jìn)行分段或分區(qū)測(cè)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(cè)量法技術(shù)條件下的一個(gè)難點(diǎn)。 

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

 圖14 一次性測(cè)量

分段測(cè)量實(shí)例,如圖15(a)~15(d)：

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

 圖15(c) 分段測(cè)量 L3=2.48mm                       圖15(d) 分段測(cè)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(cè)量結(jié)果為11.52mm，誤差為：-6.48%；分段測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。雖然如此，鑒于測(cè)量時(shí)測(cè)量鏡頭不需要垂直于被測(cè)量缺陷所在平面，雙物鏡立體測(cè)量法使用率還是遠(yuǎn)高于單物鏡陰影測(cè)量法。

5. 單物鏡激光測(cè)量法

其后工業(yè)內(nèi)窺鏡出現(xiàn)的單物鏡激光測(cè)量法也是一種單視窗的、理論上可測(cè)量30~50mm大尺寸的方法，同樣不需要垂直于被測(cè)量缺陷所在的平面，并且其測(cè)量鏡頭的焦距較長(zhǎng)，可以直接用來查找缺陷然后進(jìn)行拍照測(cè)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(cè)同一缺陷的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量法（以下簡(jiǎn)稱 3D相位掃描測(cè)量）是一種新型的絕對(duì)法光學(xué)測(cè)量技術(shù)，其測(cè)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(cè)量結(jié)合使用，獲得更多有關(guān)缺陷或者被測(cè)對(duì)象的精確信息，這是真正意義上的三維立體測(cè)量技術(shù)，并且數(shù)據(jù)重復(fù)性好，可靠性高。

其測(cè)量鏡頭同樣不需要垂直于被測(cè)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(cè)量鏡頭合為一體，采用大視野單視窗視圖，檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)缺陷即可拍照測(cè)量，不僅適合于較大尺寸缺陷的測(cè)量，而且較之雙物鏡立體測(cè)量，省去了從觀察鏡頭更換為測(cè)量鏡頭的步驟，有效的提高檢測(cè)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(cè)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(cè)量法測(cè)量涂層丟失面積             圖16(b) 3D測(cè)量法測(cè)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(cè)量分段測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量法測(cè)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(cè)量

總體上，工業(yè)內(nèi)窺鏡中的3D相位掃描測(cè)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(cè)量；而如果使用雙物鏡立體測(cè)量大面積缺陷，則需要分段測(cè)量，但分段點(diǎn)不好把握。

在使用3D相位掃描測(cè)量法進(jìn)行測(cè)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(cè)表面垂直；

2）觀察到測(cè)量過程不需要更換鏡頭，視野比雙物鏡立體測(cè)量大；

3）拍照時(shí)要求保持鏡頭有2~3秒的靜止；

4）被測(cè)物表面不能有太強(qiáng)烈的的反光；

5）為保證測(cè)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(cè)量點(diǎn)；如果其覆蓋范圍影響測(cè)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(cè)圖片可以使用電腦軟件二次取點(diǎn)測(cè)量，且軟件取點(diǎn)較之現(xiàn)場(chǎng)取點(diǎn)視野范圍更大。

圖19 3D測(cè)量選取畫面的紅區(qū)                                  圖20 3D測(cè)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(cè)量大尺寸時(shí)，應(yīng)特別考慮鏡頭與被測(cè)物的垂直情況；使用雙物鏡立體測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)分段或分區(qū)測(cè)量以保證測(cè)量精度，但需要確定好特征點(diǎn)；激光測(cè)量法雖然對(duì)30~50mm的缺陷測(cè)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(cè)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(cè)量法可以相對(duì)準(zhǔn)確的一次性測(cè)量大尺寸缺陷，但應(yīng)注意3D相位掃描測(cè)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(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)大尺寸的測(cè)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(cè)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(shì)，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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