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视频内窥镜测量技术在民航维修中的应用和发展

来源:孟铁军 空港航站楼
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摘要:高精度视频测量内窥镜使内窥镜成为能够准确定量的检测手段,拓宽了其在民航维修中的应用,对发动机维护具有重要意义。


关键词:内窥镜  视频测量  误差  发动机监控



内窥镜检测是指使用专用的光学仪器(工业内窥镜)对肉眼无法直接接近的区域进行检查,广泛应用于航天、航空、船舶、电力、石油及安全保卫等部门。


在民用航空器维护中,内窥镜检测通常也称为“孔探”(因其检查时须将内窥镜探头通过接近孔到达合适的观察位置),它作为唯一一种能够不需分解发动机而在航线维护中了解其内部状况的检查手段,起着非常关键的作用。


内窥镜设备可分类为刚性内窥镜和柔性内窥镜。刚性内窥镜通过探头端部的棱镜实现光学成像、通过内部的光纤进行照明和图像传输。柔性内窥镜又可分类为光纤内窥镜和视频内窥镜,柔性光纤镜也是光学成像,类似于刚性内窥镜。


视频内窥镜是通过探头端部的CCD(光电耦合器件)成像,视频图像信号通过电缆传输到显示和输出端。柔性光纤内窥镜和刚性内窥镜通常不具备测量功能。具备测量功能的视频内窥镜称为视频测量内窥镜。


视频测量内窥镜检测在民航的应用是随着欧美飞机的引进而开始的。20世纪80年代,以CF6-80C2、JT8D/9D为代表的发动机进入中国民航市场,其维护要求对发动机内窥镜检测的结果的定量精度提出了更高的标准,先前内窥镜检测中采用的实物、图片对比估测法由于对检测人员的经验、水平的依赖和自身限制已不能满足要求,视频测量内窥镜应运而生。


视频测量主要采取单物镜阴影测量法,其基本原理是根据固定标记在不同距离平面上投影的位置变化与其距离存在比例关系,通过图像上的投影线的位置作为测量的标尺,来计算出图像任意两点间的距离。


当进行斜面、垂直面(即深度)测量时,利用投影线标尺与距离的关系可计算出相关的垂直距离,进一步计算得到斜面距离(如图-1所示,D1、D2为探头距物体的距离;S1、S2为探头距物体D1、D2时阴影边界距接收边界的距离)。


这时期的内窥镜探头导向为手动控制,图像可输出到彩色显示器或通过热敏打印机打印黑白图像。阴影测量法操作简单方便,但重复性较差,误差随放大倍数、测量的尺寸及测量模式变化而变化。


因此,测量系统要求检查者尽量将检查区域显示满屏达到最大放大倍数,并选择正确的测量模式才能达到测量定量的效果,在实际检测中受到一定限制。另外一类视频测量内窥镜采用包络曲面的方式。


首先将已知物体的图形及参数存储在处理器的硬盘内,然后将内窥镜观察到的物体与存储的同一物体进行包络,包络得越完整则曲面上任意两点的距离测量的误差越小。


这类测量中还有空间直线测量及管内测量等,但这些都需要物体上的尺寸参数或针对某一特定模式的物体,局限性较大,民航维修应用很少。


在此时期,内窥镜检测主要用于定检、排故等任务对发动机压气机、涡轮、燃烧室等内部部件的检查,虽然主流的视频测量设备基本能够满足工作要求,但由于设备性能的局限,内窥镜测量人员的工作难度较大,尤其是发现逼近可用极限的损伤后使用内窥镜对发动机进行监控比较困难。


及至20世纪90年代末期,随着制造技术的进步和市场需求的增长,出现了数字式视频测量内窥镜,并在数年间逐步成熟,使视频测量内窥镜真正成为误差可控、定量准确的测量技术手段。


同时期,CFM56系列、V2500等发动机大量进入中国,其维护要求对内窥镜检查更加细化,标准更高,内窥镜检查的重要性和应用价值也与日俱增。


数字式视频测量内窥镜按测量原理可分为单物镜阴影测量法和双物镜立体测量法,二者各有特点,测量精度基本相当。


双物镜测量法的基本原理(如图-2所示)是不同位置的两个镜头对同一物体进行观察时会形成两个不同位置的图像的原理,即像人眼一样利用视差进行定位。由于两个镜头间的距离为固定值,同一点到两个镜头的连线与镜头中心线形成不同的夹角。


当两个镜头分别会在同一画面上形成两个相同的图像,相同图像上同一点间的距离与镜头到物体的距离有对应的关系,再通过几何的计算,即可以得到任意两点间的距离。


双物镜测量的优点是不用考虑镜头与观察物体间的位置与角度,就可对任意两点间距离进行测量。缺点是双物镜镜头对物体进行观察时,由于双镜头的影像观察效果不理想,一般常利用非测量探头进行观察找到测量点后再用双物镜探头进行测量,有时使用不方便。


采用数字技术的内窥镜测量设备由于采用了高像素的CCD镜头,成像质量大幅提高。采用电动全方位导向,提高了接近和观测能力。


图像可直接输出到系统自带的微型液晶显示器,处理单元结合了计算机技术和网络技术,可对监测区域照相或视频录像,并可进行图像或视频文件存储、调出、复制、删除、标注、对比显示、远程传输等操作,还可对存储的测量图像进行重新测量。


由于综合性能的提高保证了图像清晰度、照明强度、放大倍数等影响因素可满足要求,目前的视频测量内窥镜在正确使用时相对误差小于 5%。视频测量内窥镜可使用测量标块随时校验系统精度,该标块作为计量器具定期检定。



目前,视频测量内窥镜主要应用于以下方面:


1.发动机内部部件的定期检查、排故、普查等;


2.飞机APU(辅助动力装置)内部的检查;


3.飞机、发动机管路内部的检查;


4.飞机机身结构内部的检查;


5.内部发现损伤的发动机的监控使用,包括维护手册规定的可用标准之内的和

超出手册标准的损伤;


6.发动机压气机叶片损伤的在翼打磨修理。


高精度的视频测量内窥镜可充分发挥孔探检查的作用,能够尽早发现损伤并准确评定,避免漏检造成不安全或者误判超标而造成经济损失,并且监控使用发动机可充分利用发动机的安全裕度,节约维护成本。


对某些带有超标损伤的发动机可缩短检查间隔,以内窥镜检查监控损伤扩展的情况并设定新的可用极限,通常在监控下可继续安全使用数月甚至数年。


这种监控是以内窥镜准确测定损伤大小从而分析其趋势、跟踪其扩展为基础的。故此视频测量内窥镜在安全运行和经济效益两方面均具有重要意义。



飞机发动机压气机叶片的损伤,在一定范围内可通过内窥打磨工具进行在翼打磨修理,避免拆卸、分解发动机。发现损伤后,首先确定损伤的位置、种类和尺寸,如果在可修理标准范围内则可进行打磨修理。


在翼打磨修理是使用一种特殊的内窥镜——内窥打磨工具进行的,该工具是在刚性内窥镜端部安装电动打磨工具,由电机驱动打磨头高速转动,将损伤部分的多余物磨成粉末并把损伤区域打磨成平滑的形状,消除应力集中,防止损伤扩展,使叶片可以继续安全使用。


内窥打磨修理的前提是对损伤位置和尺寸的准确定量,缺少高精度的视频测量内窥镜无法实施。


视频测量内窥镜不断更新换代,性能更加优异。为使其发挥更大的作用,需在以下方面作出改进:


1、内窥镜检测人员的资格管理

视频测量内窥镜必须由具备足够知识、技能的人员操作才能充分发挥作用,保证测量结果的准确性和置信度。


内窥镜检测人员目前定义为特种作业,但其缺少对人员进行技术资格鉴定和认证的机制和机构,无法客观评估人员的技术水平。内窥镜人员经过初始培训即可授权独立工作,后不再进行定期的复训和考核,不利于专业水平的保持和提高。



目前,《民航无损检测标准:目视检测》已制订完成并获总局批准,该标准将内窥镜检测纳入“间接目视检测”的范畴,将内窥镜检测人员纳入NDT人员进行培训、鉴定和认证,有利于提高内窥镜检测的整体水平。


2、内窥镜设备的改进

1、视频内窥镜的导向不论手动或电动,始终采取内藏的4根钢丝控制,由于金属固有的延展性,随着使用时间的推移导向性能终会下降,而且修理费用不菲,希望将来技术有所突破。


2、目前,对4毫米左右的小直径视频内窥镜需求较大,但目前的市售该类设备由于制造技术的原因,成像、导向、测量等性能还不够令人满意。  


3、设备成本和耗材成本偏高。


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