工業視頻內窺鏡校準方法的探討

戴志軍，勞嫦娟，夏能海，俞卿

(1.杭州市特種設備檢測研究院，浙江杭州310003;2.中國計量科學研究院，北京100029;3.中國水利電力對外公司，北京100120)

0 引言

工業內窺鏡可以對人的視力無法觀察到的發動機、燃氣輪機、工業管道、液壓型件、容器、鑄件、閥體、齒輪箱等不可或不易拆卸的特殊設備，狹小縫隙的內表面，水、油類液體下或危險區域進行表面缺陷、焊縫狀況、裝配質量和設備狀態等方面的無損檢測。

內窺鏡技術通常也稱為“孔探技術”，主要分為硬管內窺鏡、光纖內窺鏡和視頻內窺鏡3種技術［1-3］。硬管內窺鏡因其測頭不能彎曲，應用范圍比較受限;光纖內窺鏡克服了硬管內窺鏡的弊端，可以以任意姿態進入被測量區域，但是其對損傷部分仍然只能進行定性判斷，無法滿足現代工業設備的測量要求;視頻內窺鏡是一種帶有CCD相機的內窺檢測設備，能夠實現產品缺陷的實時檢測與典型缺陷尺寸的自動測量，是現代工業重要部件無損檢測的主要手段，本文針對視頻內窺鏡技術展開研究。

作為一種在線維護中能夠不分解機械而了解其內部狀況的測量技術，視頻內窺鏡測量結果的準確性將直接影響技術人員對機械性能判斷的準確性，包括監測、維修和更換等多個方面，關系到安全和效益2個重要方面。所以對于建立起內窺鏡技術的計量校準體系非常重要。

1 視頻內窺鏡技術

視頻內窺鏡是一種集合了光、電、數據處理等于一身的先進技術，在機械制造、機械維修領域，特別是發動機視情維護方面正發揮著越來越重要的作用。

在成像的原理上，視頻內窺鏡與傳統的光學內窺鏡有著本質上的區別。它不再需要借由光學鏡頭或光導纖維傳導圖像，而是通過CCD相機將光信號轉變為電信號，經由圖像處理系統呈現缺陷的圖像及測量結果。視頻內窺鏡所具有的便捷性、良好的人機環境以及強大的存儲、測量功能是其他內窺鏡所無法比擬的。

視頻內窺鏡從原理上分為陰影法、雙物鏡法和三維立體相位掃描法三種。單物鏡陰影測量技術利用陰影投影及三角幾何原理完成測量，原理如圖1所示，其首先通過鏡頭前部的黑色刻線在光源的照射下投影到被測物上所出現的陰影來計算探頭與被測物的距離，再由陰影距接收邊界的位置計算缺陷的尺寸，邊界位置的確定是由于透鏡與CCD芯片的位置決定了接收光線的角度范圍是固定的，所以物體距探頭的距離一定時，陰影距接收邊界的位置是固定唯一的［2-3］。單物鏡陰影測量技術的優點是:單視窗圖像，因此圖像放大倍數大，清晰度高，測量誤差小于3%;缺點是:測量相對位置要求高，即要求探頭與被測物所在平面相對垂直或要求陰影線與被測部分重合，才能完成尺寸測量［3-5］。

圖1 單物鏡陰影測量原理圖

雙物鏡立體測量原理與人雙眼觀看物體原理相似，其原理圖如圖2所示，通過兩個鏡頭間的距離和與被測物所成的夾角兩個量來確定幾何關系，從而得到當前被測點的坐標。雙物鏡立體測量法的優點是:適用范圍廣，不用考慮鏡頭與觀察物體間的位置與角度，可以對任意位置的表面缺陷進行測量;缺點是:鏡頭視野小，導致測量范圍小［3］。

圖2 雙物鏡立體測量原理圖

上述兩種方法操作都較為復雜，需預先利用大視野的非測量探頭確定被測物后，再利用各自的測量探頭進行測量，測量效率相對較低。后來出現的三維立體相位掃描測量技術避免了這個問題，其原理圖如圖3所示，它利用裝有LED光柵矩陣的掃描探頭對被測物進行測量，通過識別被測物上畸變條紋來獲得數據信息，被CCD相機接收后通過數據處理軟件最終獲得被測物的三維坐標。三維立體相位掃描測量法的優點是:操作簡單、測量效率高，視野范圍廣、焦距大，測量精度高;缺點是:外界因素對測量結果的影響性高，所以對其精度校準尤為重要［5］。

圖3 三維立體相位掃描測量原理圖

相對于傳統內窺鏡，視頻內窺鏡能準確測量出缺陷的尺寸，并與標準數據作比較，滿足內部缺陷測量的各種要求，尤其對發動機核心機部件而言，視頻內窺鏡的測量結果往往決定著故障發動機應在翼排故還是換發。據不完全統計，大約90%的發動機非例行更換都與內窺鏡測量結果直接相關。故視頻內窺鏡的量值溯源尤為重要，它是測量數據準確性的保障，這就如同我們使用一種有精度認證的尺子和沒有精度認證的尺子的感受是一樣的，測量是的確測量了，但如果沒有精度的認證就無法保證該數據的可靠性。所以對視頻內窺鏡進行校準可以有效減少在維護工作中造成的時間、人力、物力和財力的浪費。

2 視頻內窺鏡校準方法

視頻內窺鏡可以對內表面的缺陷幾何尺寸進行精確測量，比如長度、深度、面積等參數，所以對其校準也應該考慮上述幾個方面的校準，目前國內關于內窺鏡校準技術的研究主要集中在探頭照度、工作范圍、視場角、工作長度、工作外徑和分辨力等方面［6-7］，對其它方面并無太多研究。

國外，工業視頻內窺鏡的溯源采用由各生產商提供的校準樣塊來進行簡單的應用前校準。如圖4所示，校準樣塊為一封閉的金屬腔體，腔體上留有前視和側視兩個內窺檢查孔探接近孔，在樣塊內部安置了標準刻線，刻線目標一般由公、英制兩種長度的刻槽組成。

圖4 視頻內窺鏡校準模塊

國外對視頻內窺鏡的校準方法只針對刻線寬度進行校準，并沒有對視頻內窺鏡的長度和面積方面進行校準，同時校準時僅考慮正直測量方式，并沒有考慮到傾斜測量時的校準，而該方式在實際測量時是最常出現的，且正直測量與傾斜測量精度差很多［4］，所以該校準方法不全面。

本文對視頻內窺鏡長度、寬度、深度和面積方面的校準提出了一些見解，視頻內窺鏡校準裝置由視頻內窺鏡夾持臺、多功能底座、照明箱、移動機構、目標定位器和標準樣板組成，見圖5。視頻內窺鏡夾持臺用于固定視頻內窺鏡;多功能底座為內窺鏡提供不同角度的測量方式，主要包括正直測量和60°傾斜測量;照明箱用于透射并照明目標定位器;移動機構可使夾持臺到目標定位器的距離可以調整，內窺鏡到目標定位器的視場角可以調整;目標定位器是用于放置標準樣板的固定裝置;標準樣板主要包括用于校準長度與深度的標準刻線樣板、用于校準寬度的標準刻線樣板和用于校準面積的標準圓樣板;用于校準長度與深度的標準刻線樣板是一組刻線長度和深度第次變化的標準刻線;用于校準寬度的標準刻線樣板是一組刻線線寬第次細化的標準刻線，其中最細的刻線可以檢測出內窺鏡的分辨力;標準圓樣板是一組直徑第次細化的標準圓，其中最大直徑為10 mm;校準時分別采用正直測量與傾斜測量來完成。在溯源方面，本文所提出的3種類型標準樣板都可以在光學三坐標測量機上進行校準，實現量值溯源。

圖5 視頻內窺鏡校準裝置示意圖

3 總結

本文提出了一種工業視頻內窺鏡的校準方法，對視頻內窺鏡校準裝置提出了設計思想，并利用所設計的試驗裝置進行了長度、寬度、深度和面積校準方面的試驗，得到了表1至表4所示的結果，由表中結果可知，在長度和寬度方面，不同測量方式對測量結果影響不大，但在深度和面積方面影響很大，進一步證明該校準方案切實可行。

表1 長度校準的結果mm

表2 寬度校準的結果mm

表3 深度校準的結果mm

表4 面積校準的結果mm

［1］張雋.工業內窺鏡檢測設備技術的發展［J］.航空維修與工程，2009，9(5):34-35.

［2］李少偉.雙目立體工業內窺鏡測量技術研究與系統實現［D］.鄭州:解放軍信息工程大學，2012.

［3］陳宏杰.基于孔探技術的民航發動機健康管理研究［D］.廈門:廈門大學，2014.

［4］郭學，何佩排.視頻內窺鏡在電站設備無損檢測中的應用［J］.華電技術，2008，4(30):69-72.

［5］蔡學軍.三維立體相位掃描測量技術在發動機孔探中的應用［J］.航空維修與工程，2014，1:40-43.

［6］魏宇林，張蓓，劉丹等.工業內窺鏡校準方法探討［J］.計量與測試技術，2014，9(41):15-18.

［7］蘭維永，魏宇林.醫用內窺鏡校準方法探討［J］.計量與測試技術，2012，1(39):34-37.