内窥镜测量技术视频内窥镜测量系统

内窥镜测量技术视频内窥镜测量系统 内窥镜检查是指借助于专用的光电仪器(工业内窥镜)对肉眼无法直接接近的区域进行检查，属于无损检测中的目视检查方法(RVI)。在民用航空器维护中，内窥镜检查通常也称为"孔探"是发动机在翼维护的五大工具之一，其目的是掌握发动机内部的状况。据维护数据统计，大约90%的发动机非例行更换都与内窥镜检查结果直接相关。作为惟一一种在航线维护中能够不分解发动机而了解其内部状况的检查手段，内窥镜检查对于安全和效益两方面均有重要意义和价值:一是直观准确且简单易行，并能够尽早发现发动机内部部件的损伤，极大地有利于将安全隐患排除在萌芽阶段;二是内窥镜检查避免了分解发动机和相应的发动机拆换、运输等费用以及不必要的飞机停运损失，节省维修成本。 JT9D-7R4E涡扇发动机装载于波音767和A310飞机上，1985年投入使用，因此，属于比较老旧发动机，目前在国内飞机上已很少选装，世界范围内使用这种发动机也比较少，东方航西北公司A310飞机上使用该型号的发动机也已超过10年，由于该型号发动机用于孔探接近孔的位置设计较少，使内窥镜检测发现损伤和损伤评定具有一定的难度。但近年来，内窥镜检查的检测水平随着内窥镜检查需求不断提高，仪器的性能随之不断更新换代而不断发展，也使该型号发动机孔探检查及损伤准确评定成为可能。 内窥镜测量方法 目前使用比较广泛的内窥镜中，视频数字化高精度测量仪器已成为主流。内窥镜测量按其特性的不同可以分为光学硬杆测量和柔性视频测量两类，按照测量原理可大致分为"视频单物镜阴影测量"和"视频双镜头立体测量"以及"视频比较法测量"，"光学硬杆测量法"四类。但只有前两种在技术、成型设备、市场占有率方面已显现出较成熟主流趋势。下面主要对这两种测量技术进行阐述。 1.单物镜阴影测量系统 单物镜阴影测量(SHADOW)是由美国韦林公司(EVEREST.VIT)研制的专利技术，它主要应用于视频柔性内窥镜中，其工作原理如图1所示。 从图1可见，在探头的镜头前部有一黑色刻线，当光源照射到物体上时，黑线就会在物体上出现阴影，根据探头距离物体的远近，阴影宽度也随着变化，另外由于透镜与光电偶合器(CCD)芯片的位置决定了接收光线的角度范围是固定的，所以物体距探头的距离一定时，阴影距接收边界的位置是固定惟一的，即D1、D2距离对应的S1、S2。距离S1、S2对应到监视器上就是阴影距图像边界的距离。内窥镜检查过程中，发现需要测量的区域时，先锁定图像然后将定位光标线移动到显示图像的阴影线上，通过使用操作手柄控制菜单，操作者将阴影线的信息反馈给主机处理器，经过处理主机处理器就会根据惟一的几何运算原理对阴影所在面区域内尺寸做出定量的评定，这样就达到了测量的目的。阴影测量方法主要有七种:?直线距离方式--可在观察垂直于光轴的平面时进行直线距离测量;?斜距离方式--可在所观察的平面并不是垂直于光轴的单一平 可测量沿光轴两平面之间的深度(高度)差，面上进行距离测量;?深度方式-- 这种情况可用影子的分段或折断来表明;?点到线方式--可在观察垂直于光轴的平面时进行某点到某直线的垂直距离(同时可显示该直线的长度)测量;?面积方式--可在观察垂直于光轴的平面时测量任意形状图形的面积;?折线方式--可在观察垂直于光轴的平面时测量任意曲线的长度;?圆形量规方式--任意设定圆的直径，用于比量缺陷。这些方法使测量更加方便准确，提供的数据种类更加贴近AMM手册要求检测的损伤尺寸类型。总之，单物镜阴影测量法的优点是:单视窗图像，因此图像放大倍数大，清晰度高，测量精确度高(误差小于3%);测量时要求探头与被测物所在平面相对垂直才能测量该平面上任意点间的几何尺寸;当不能垂直时，要求阴影线与被测部分重合，在该阴影线上测量即可。单物镜阴影法特别适合于测量叶片，由于使用了侧向镜头，只需稍作调整便可获得相对垂直的最佳测量位置。 2.双镜头立体测量系统 双镜头立体测量系统?Stereo Measurement仿效的是人双眼观察物体识别物体大小的原理，根据两个镜头之间的距离和其与被测点的夹角来确定观测点距探头的位置，因此，不需要垂直或重合。该方法最早是由奥林巴斯公司使用的。但此方法始终存在系统识别匹配困难，图像大小相对阴影法变小的问题。为了解决这些问题，美国韦林公司在为PXLM系统设计双物镜立体测量法时，尽量在不产生很大图像变形的情况下，使镜头放大倍数更大，同时研发了标定区域局部数字放大功能，该功能可以让使用者更加准确地选定他们所需的标定区 域(该功能同样应用于阴影测量法)。另外，为了让匹配准确有效，美国韦林公司设计了由电脑辅助评估的针对每个标定区域有效性的匹配指数(0~5)，要求选择标定点时匹配指数必须大于2才能保证系统的准确，避免了当匹配不当时可 。该系统可以提供长度、能获得错误的数据，该系统经验证误差小于5%(见图2) 点到线、深度、面积、多点不规则连线长度五种测量模式，并且补充了阴影法不易完成测量的部分(例如:在燃烧室内)。 3.比较法测量 比较法测量?Compare Measurement的原理是基于最古老的测量方法也就是使用已知尺寸的物体作为参照物，通过相对量的比较从而得到对比检测数据。值得一提的是，比较法测量要求镜头必须与被测物相对垂直，否则将无从判断其相对的比例关系，这就如先前所说，要求探头必须具备良好的导向功能和可达180度的导向弯曲度，仅仅四方向的导向是无法满足该测量需求的。 光学硬杆测量法 4. 该方法又称接触法，也属于比较原始的测量方法。这种方法是通过在直杆镜前端伸出一个井字型量规，小格的间距为1mm，通过它与被测物的直接接触来估算缺陷的尺寸大小。但如果无法接触到被测物就无法完成测量，而实际上在大多数情况下，使用者是无法接触到被测物的。 内窥镜检查结果的置信度和准确度 由于测量技术的出现，测量得到的数据的置信度和准确度对检测结论起到至关重要的作用，因此，准确的分析影响检测结果的因素才能采取相应措施避免或减少测量误差提高测量的置信度和准确度。要保证测量的置信度，必须保证测量系统精度的置信度。置信度最有效的保证方式就是具备发动机厂商和国际性技术监督局的认证。比如，美国韦林公司的测量系统就拥有P&W?GE?CFM等发动机公司和美国国家技术监督局(NIST)的认证，确认其精度在正确使用下误差小于5%。另外，该公司作为全球最大最专业的内窥镜生产商，为便于中国用户检测这种目前在中国国内还无法计量评测的设备，专门配发了由NIST认证过的测量较准模块。该模块可以让用户自己完成对测量系统的评估较准。正确的 内窥镜检查是对所有涉及系统的基本因素作全面考虑的结果。四个基本因素是检查人员、内窥镜设备、检查对象及工作环境。 (1)检查人员应具备合适的视力，并经过与所从事工作遵守的相符的和认证。检查人员应能够熟练操作内窥镜设备，选用合适的仪器、工具及方法;熟悉飞机维护手册(AMM)、无损检测手册(NTM)相关章节的规定及其他有关技术文件的内容;熟悉发动机内部结构;熟悉缺陷种类、特征并能够准确评定缺陷。 (2)内窥镜设备的性能和状况决定其检查能力和效果。内窥镜设备应处于良好可用状态，测量系统应按照规定的方法和时间进行误差校验。 (3)检查对象应综合考虑检查对象的因素选择适当的设备和方法。 (4)工作环境应尽可能使检查人员方便、舒适、不易疲劳，并符合仪器操作手册对仪器工作环境的要求，防止因疲劳或环境因素造成检查结果的误判或损坏仪器。对于测量系统，还要考虑测量误差。 (5)测量结果的误差由系统误差和随机误差造成。系统误差是由于测量仪器和方法产生的，无法完全消除，但可以通过合理的措施将其减低到最小。首先要选择精度较高的内窥镜测量系统，并尽量采取误差较小的测量模式。具体操作时，要尽可能取得最佳的观测位置，图像越清晰，放大倍数越大，则系统误差越小。为保证放大倍数处于满足测量要求的状态，美国韦林公司最先将图像放大倍数的报警显示(INDEX)这一专利技术应用于其阴影和立体的测量系统中。它可以提示操作者当INDEX值小于5时，所拍摄的测量图像是不能保证测量精度的，需要重新拍摄。该方法对于避免人为操作失误所造成的误差非常有效。 视频内窥镜测量系统在JT9D老旧发动机上的应用 内窥镜测量系统在西北航空公司机队中JT9D发动机的应用主要是由3种方式进行。 (1)首先从发动机的定检和时限工作着手，对每台发动机的内部损伤情况建立单机内窥镜检查记录，详细描述发动机内部损伤萌芽状态的位置、损伤类型、损伤大小，相关参考标准等信息。 (2)损伤接近标准后，缩短间隔的监控检查，随着损伤的逐渐扩展并接近可评定范围，缩短内窥镜检查的间隔，检查的重点相对要突出，同时建立了相应的监控损伤扩展的趋势数据图，形象地描述损伤的变化。利用对测量系统的置信度和准确性分析，针对不同监控采取相应的措施，以减少或避免可能产生的测量误差，监控损伤的扩展。 (3)发动机不正常事件的检查，例如，发动机空中停车、超温、喘振、振动值过大、滑油消耗量不正常、外来物击伤等，利用内窥镜检查可了解发动机受损情况和确定发动机故障原因，并在最短的时间内做出正确的判断，采取有效的措施，避免安全隐患和不必要地损失。这样对于损伤接近可用极限的发动机，如果无法修理则拆换发动机是最为安全的办法。但由于内窥镜检查评估超过实际损伤情况，导致过早换发，造成公司经济上的损失，对此都采取检查前熟悉发动机单机内窥镜检查档案;对已有的损伤重点检查扩展的突变，对原先没有的损伤按照手册严格要求，检查的区域要面面俱到，以防漏查;对有疑问部位采取扩大检查范围的做法消除可能导致的损伤。图3是在上述第1，2检查方式发现的发动机高压涡轮第一级导向器后缘窗口烧穿。图4是用第3种方式检查发现的喘振导致的发动机第九级转子叶片裂纹。 结束语 内窥镜测量技术的产生以及测量精度的不断进步，使得在翼发动机维护更加有效，并且为发动机得到更经济、安全、充分的利用提供了有力的数据分析依据，由于西北航空公司老旧发动机采用了内窥镜测量技术进行重点内窥镜维护，有效地防止了JT9D-7R发动机空中停车;并且采用行之有效的监控方法，利用PDCA循环不断改进监控方法，延长了发动机在翼使用时间，实践证明，孔探测量技术在老旧发动机维护的应用效果显著。