工业视频内窥镜校准方法的探讨

戴志军，劳嫦娟，夏能海，俞卿

(1.杭州市特种设备检测研究院，浙江杭州310003;2.中国计量科学研究院，北京100029;3.中国水利电力对外公司，北京100120)

0 引言

工业内窥镜可以对人的视力无法观察到的发动机、燃气轮机、工业管道、液压型件、容器、铸件、阀体、齿轮箱等不可或不易拆卸的特殊设备，狭小缝隙的内表面，水、油类液体下或危险区域进行表面缺陷、焊缝状况、装配质量和设备状态等方面的无损检测。

内窥镜技术通常也称为“孔探技术”，主要分为硬管内窥镜、光纤内窥镜和视频内窥镜3种技术［1-3］。硬管内窥镜因其测头不能弯曲，应用范围比较受限;光纤内窥镜克服了硬管内窥镜的弊端，可以以任意姿态进入被测量区域，但是其对损伤部分仍然只能进行定性判断，无法满足现代工业设备的测量要求;视频内窥镜是一种带有CCD相机的内窥检测设备，能够实现产品缺陷的实时检测与典型缺陷尺寸的自动测量，是现代工业重要部件无损检测的主要手段，本文针对视频内窥镜技术展开研究。

作为一种在线维护中能够不分解机械而了解其内部状况的测量技术，视频内窥镜测量结果的准确性将直接影响技术人员对机械性能判断的准确性，包括监测、维修和更换等多个方面，关系到安全和效益2个重要方面。所以对于建立起内窥镜技术的计量校准体系非常重要。

1 视频内窥镜技术

视频内窥镜是一种集合了光、电、数据处理等于一身的先进技术，在机械制造、机械维修领域，特别是发动机视情维护方面正发挥着越来越重要的作用。

在成像的原理上，视频内窥镜与传统的光学内窥镜有着本质上的区别。它不再需要借由光学镜头或光导纤维传导图像，而是通过CCD相机将光信号转变为电信号，经由图像处理系统呈现缺陷的图像及测量结果。视频内窥镜所具有的便捷性、良好的人机环境以及强大的存储、测量功能是其他内窥镜所无法比拟的。

视频内窥镜从原理上分为阴影法、双物镜法和三维立体相位扫描法三种。单物镜阴影测量技术利用阴影投影及三角几何原理完成测量，原理如图1所示，其首先通过镜头前部的黑色刻线在光源的照射下投影到被测物上所出现的阴影来计算探头与被测物的距离，再由阴影距接收边界的位置计算缺陷的尺寸，边界位置的确定是由于透镜与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唯一的［2-3］。单物镜阴影测量技术的优点是:单视窗图像，因此图像放大倍数大，清晰度高，测量误差小于3%;缺点是:测量相对位置要求高，即要求探头与被测物所在平面相对垂直或要求阴影线与被测部分重合，才能完成尺寸测量［3-5］。

图1 单物镜阴影测量原理图

双物镜立体测量原理与人双眼观看物体原理相似，其原理图如图2所示，通过两个镜头间的距离和与被测物所成的夹角两个量来确定几何关系，从而得到当前被测点的坐标。双物镜立体测量法的优点是:适用范围广，不用考虑镜头与观察物体间的位置与角度，可以对任意位置的表面缺陷进行测量;缺点是:镜头视野小，导致测量范围小［3］。

图2 双物镜立体测量原理图

上述两种方法操作都较为复杂，需预先利用大视野的非测量探头确定被测物后，再利用各自的测量探头进行测量，测量效率相对较低。后来出现的三维立体相位扫描测量技术避免了这个问题，其原理图如图3所示，它利用装有LED光栅矩阵的扫描探头对被测物进行测量，通过识别被测物上畸变条纹来获得数据信息，被CCD相机接收后通过数据处理软件最终获得被测物的三维坐标。三维立体相位扫描测量法的优点是:操作简单、测量效率高，视野范围广、焦距大，测量精度高;缺点是:外界因素对测量结果的影响性高，所以对其精度校准尤为重要［5］。

图3 三维立体相位扫描测量原理图

相对于传统内窥镜，视频内窥镜能准确测量出缺陷的尺寸，并与标准数据作比较，满足内部缺陷测量的各种要求，尤其对发动机核心机部件而言，视频内窥镜的测量结果往往决定着故障发动机应在翼排故还是换发。据不完全统计，大约90%的发动机非例行更换都与内窥镜测量结果直接相关。故视频内窥镜的量值溯源尤为重要，它是测量数据准确性的保障，这就如同我们使用一种有精度认证的尺子和没有精度认证的尺子的感受是一样的，测量是的确测量了，但如果没有精度的认证就无法保证该数据的可靠性。所以对视频内窥镜进行校准可以有效减少在维护工作中造成的时间、人力、物力和财力的浪费。

2 视频内窥镜校准方法

视频内窥镜可以对内表面的缺陷几何尺寸进行精确测量，比如长度、深度、面积等参数，所以对其校准也应该考虑上述几个方面的校准，目前国内关于内窥镜校准技术的研究主要集中在探头照度、工作范围、视场角、工作长度、工作外径和分辨力等方面［6-7］，对其它方面并无太多研究。

国外，工业视频内窥镜的溯源采用由各生产商提供的校准样块来进行简单的应用前校准。如图4所示，校准样块为一封闭的金属腔体，腔体上留有前视和侧视两个内窥检查孔探接近孔，在样块内部安置了标准刻线，刻线目标一般由公、英制两种长度的刻槽组成。

图4 视频内窥镜校准模块

国外对视频内窥镜的校准方法只针对刻线宽度进行校准，并没有对视频内窥镜的长度和面积方面进行校准，同时校准时仅考虑正直测量方式，并没有考虑到倾斜测量时的校准，而该方式在实际测量时是最常出现的，且正直测量与倾斜测量精度差很多［4］，所以该校准方法不全面。

本文对视频内窥镜长度、宽度、深度和面积方面的校准提出了一些见解，视频内窥镜校准装置由视频内窥镜夹持台、多功能底座、照明箱、移动机构、目标定位器和标准样板组成，见图5。视频内窥镜夹持台用于固定视频内窥镜;多功能底座为内窥镜提供不同角度的测量方式，主要包括正直测量和60°倾斜测量;照明箱用于透射并照明目标定位器;移动机构可使夹持台到目标定位器的距离可以调整，内窥镜到目标定位器的视场角可以调整;目标定位器是用于放置标准样板的固定装置;标准样板主要包括用于校准长度与深度的标准刻线样板、用于校准宽度的标准刻线样板和用于校准面积的标准圆样板;用于校准长度与深度的标准刻线样板是一组刻线长度和深度第次变化的标准刻线;用于校准宽度的标准刻线样板是一组刻线线宽第次细化的标准刻线，其中最细的刻线可以检测出内窥镜的分辨力;标准圆样板是一组直径第次细化的标准圆，其中最大直径为10 mm;校准时分别采用正直测量与倾斜测量来完成。在溯源方面，本文所提出的3种类型标准样板都可以在光学三坐标测量机上进行校准，实现量值溯源。

图5 视频内窥镜校准装置示意图

3 总结

本文提出了一种工业视频内窥镜的校准方法，对视频内窥镜校准装置提出了设计思想，并利用所设计的试验装置进行了长度、宽度、深度和面积校准方面的试验，得到了表1至表4所示的结果，由表中结果可知，在长度和宽度方面，不同测量方式对测量结果影响不大，但在深度和面积方面影响很大，进一步证明该校准方案切实可行。

表1 长度校准的结果mm

表2 宽度校准的结果mm

表3 深度校准的结果mm

表4 面积校准的结果mm

［1］张隽.工业内窥镜检测设备技术的发展［J］.航空维修与工程，2009，9(5):34-35.

［2］李少伟.双目立体工业内窥镜测量技术研究与系统实现［D］.郑州:解放军信息工程大学，2012.

［3］陈宏杰.基于孔探技术的民航发动机健康管理研究［D］.厦门:厦门大学，2014.

［4］郭学，何佩排.视频内窥镜在电站设备无损检测中的应用［J］.华电技术，2008，4(30):69-72.

［5］蔡学军.三维立体相位扫描测量技术在发动机孔探中的应用［J］.航空维修与工程，2014，1:40-43.

［6］魏宇林，张蓓，刘丹等.工业内窥镜校准方法探讨［J］.计量与测试技术，2014，9(41):15-18.

［7］兰维永，魏宇林.医用内窥镜校准方法探讨［J］.计量与测试技术，2012，1(39):34-37.