工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)方法的探討

戴志軍，勞嫦娟，夏能海，俞卿

(1.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江杭州310003;2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029;3.中國(guó)水利電力對(duì)外公司，北京100120)

0 引言

工業(yè)內(nèi)窺鏡可以對(duì)人的視力無(wú)法觀察到的發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、工業(yè)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(shè)備，狹小縫隙的內(nèi)表面，水、油類液體下或危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行表面缺陷、焊縫狀況、裝配質(zhì)量和設(shè)備狀態(tài)等方面的無(wú)損檢測(cè)。

內(nèi)窺鏡技術(shù)通常也稱為“孔探技術(shù)”，主要分為硬管內(nèi)窺鏡、光纖內(nèi)窺鏡和視頻內(nèi)窺鏡3種技術(shù)［1-3］。硬管內(nèi)窺鏡因其測(cè)頭不能彎曲，應(yīng)用范圍比較受限;光纖內(nèi)窺鏡克服了硬管內(nèi)窺鏡的弊端，可以以任意姿態(tài)進(jìn)入被測(cè)量區(qū)域，但是其對(duì)損傷部分仍然只能進(jìn)行定性判斷，無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的測(cè)量要求;視頻內(nèi)窺鏡是一種帶有CCD相機(jī)的內(nèi)窺檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)與典型缺陷尺寸的自動(dòng)測(cè)量，是現(xiàn)代工業(yè)重要部件無(wú)損檢測(cè)的主要手段，本文針對(duì)視頻內(nèi)窺鏡技術(shù)展開研究。

作為一種在線維護(hù)中能夠不分解機(jī)械而了解其內(nèi)部狀況的測(cè)量技術(shù)，視頻內(nèi)窺鏡測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響技術(shù)人員對(duì)機(jī)械性能判斷的準(zhǔn)確性，包括監(jiān)測(cè)、維修和更換等多個(gè)方面，關(guān)系到安全和效益2個(gè)重要方面。所以對(duì)于建立起內(nèi)窺鏡技術(shù)的計(jì)量校準(zhǔn)體系非常重要。

1 視頻內(nèi)窺鏡技術(shù)

視頻內(nèi)窺鏡是一種集合了光、電、數(shù)據(jù)處理等于一身的先進(jìn)技術(shù)，在機(jī)械制造、機(jī)械維修領(lǐng)域，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)視情維護(hù)方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

在成像的原理上，視頻內(nèi)窺鏡與傳統(tǒng)的光學(xué)內(nèi)窺鏡有著本質(zhì)上的區(qū)別。它不再需要借由光學(xué)鏡頭或光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)圖像，而是通過(guò)CCD相機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)由圖像處理系統(tǒng)呈現(xiàn)缺陷的圖像及測(cè)量結(jié)果。視頻內(nèi)窺鏡所具有的便捷性、良好的人機(jī)環(huán)境以及強(qiáng)大的存儲(chǔ)、測(cè)量功能是其他內(nèi)窺鏡所無(wú)法比擬的。

視頻內(nèi)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(cè)量技術(shù)利用陰影投影及三角幾何原理完成測(cè)量，原理如圖1所示，其首先通過(guò)鏡頭前部的黑色刻線在光源的照射下投影到被測(cè)物上所出現(xiàn)的陰影來(lái)計(jì)算探頭與被測(cè)物的距離，再由陰影距接收邊界的位置計(jì)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(shí)，陰影距接收邊界的位置是固定唯一的［2-3］。單物鏡陰影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:單視窗圖像，因此圖像放大倍數(shù)大，清晰度高，測(cè)量誤差小于3%;缺點(diǎn)是:測(cè)量相對(duì)位置要求高，即要求探頭與被測(cè)物所在平面相對(duì)垂直或要求陰影線與被測(cè)部分重合，才能完成尺寸測(cè)量［3-5］。

圖1 單物鏡陰影測(cè)量原理圖

雙物鏡立體測(cè)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(guò)兩個(gè)鏡頭間的距離和與被測(cè)物所成的夾角兩個(gè)量來(lái)確定幾何關(guān)系，從而得到當(dāng)前被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。雙物鏡立體測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)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(duì)任意位置的表面缺陷進(jìn)行測(cè)量;缺點(diǎn)是:鏡頭視野小，導(dǎo)致測(cè)量范圍?。?］。

圖2 雙物鏡立體測(cè)量原理圖

上述兩種方法操作都較為復(fù)雜，需預(yù)先利用大視野的非測(cè)量探頭確定被測(cè)物后，再利用各自的測(cè)量探頭進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量效率相對(duì)較低。后來(lái)出現(xiàn)的三維立體相位掃描測(cè)量技術(shù)避免了這個(gè)問(wèn)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(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)識(shí)別被測(cè)物上畸變條紋來(lái)獲得數(shù)據(jù)信息，被CCD相機(jī)接收后通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件最終獲得被測(cè)物的三維坐標(biāo)。三維立體相位掃描測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是:操作簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高，視野范圍廣、焦距大，測(cè)量精度高;缺點(diǎn)是:外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響性高，所以對(duì)其精度校準(zhǔn)尤為重要［5］。

圖3 三維立體相位掃描測(cè)量原理圖

相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡，視頻內(nèi)窺鏡能準(zhǔn)確測(cè)量出缺陷的尺寸，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作比較，滿足內(nèi)部缺陷測(cè)量的各種要求，尤其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)部件而言，視頻內(nèi)窺鏡的測(cè)量結(jié)果往往決定著故障發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在翼排故還是換發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約90%的發(fā)動(dòng)機(jī)非例行更換都與內(nèi)窺鏡測(cè)量結(jié)果直接相關(guān)。故視頻內(nèi)窺鏡的量值溯源尤為重要，它是測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的保障，這就如同我們使用一種有精度認(rèn)證的尺子和沒有精度認(rèn)證的尺子的感受是一樣的，測(cè)量是的確測(cè)量了，但如果沒有精度的認(rèn)證就無(wú)法保證該數(shù)據(jù)的可靠性。所以對(duì)視頻內(nèi)窺鏡進(jìn)行校準(zhǔn)可以有效減少在維護(hù)工作中造成的時(shí)間、人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。

2 視頻內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)方法

視頻內(nèi)窺鏡可以對(duì)內(nèi)表面的缺陷幾何尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，比如長(zhǎng)度、深度、面積等參數(shù)，所以對(duì)其校準(zhǔn)也應(yīng)該考慮上述幾個(gè)方面的校準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)技術(shù)的研究主要集中在探頭照度、工作范圍、視場(chǎng)角、工作長(zhǎng)度、工作外徑和分辨力等方面［6-7］，對(duì)其它方面并無(wú)太多研究。

國(guó)外，工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡的溯源采用由各生產(chǎn)商提供的校準(zhǔn)樣塊來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用前校準(zhǔn)。如圖4所示，校準(zhǔn)樣塊為一封閉的金屬腔體，腔體上留有前視和側(cè)視兩個(gè)內(nèi)窺檢查孔探接近孔，在樣塊內(nèi)部安置了標(biāo)準(zhǔn)刻線，刻線目標(biāo)一般由公、英制兩種長(zhǎng)度的刻槽組成。

圖4 視頻內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)模塊

國(guó)外對(duì)視頻內(nèi)窺鏡的校準(zhǔn)方法只針對(duì)刻線寬度進(jìn)行校準(zhǔn)，并沒有對(duì)視頻內(nèi)窺鏡的長(zhǎng)度和面積方面進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)校準(zhǔn)時(shí)僅考慮正直測(cè)量方式，并沒有考慮到傾斜測(cè)量時(shí)的校準(zhǔn)，而該方式在實(shí)際測(cè)量時(shí)是最常出現(xiàn)的，且正直測(cè)量與傾斜測(cè)量精度差很多［4］，所以該校準(zhǔn)方法不全面。

本文對(duì)視頻內(nèi)窺鏡長(zhǎng)度、寬度、深度和面積方面的校準(zhǔn)提出了一些見解，視頻內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)裝置由視頻內(nèi)窺鏡夾持臺(tái)、多功能底座、照明箱、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、目標(biāo)定位器和標(biāo)準(zhǔn)樣板組成，見圖5。視頻內(nèi)窺鏡夾持臺(tái)用于固定視頻內(nèi)窺鏡;多功能底座為內(nèi)窺鏡提供不同角度的測(cè)量方式，主要包括正直測(cè)量和60°傾斜測(cè)量;照明箱用于透射并照明目標(biāo)定位器;移動(dòng)機(jī)構(gòu)可使夾持臺(tái)到目標(biāo)定位器的距離可以調(diào)整，內(nèi)窺鏡到目標(biāo)定位器的視場(chǎng)角可以調(diào)整;目標(biāo)定位器是用于放置標(biāo)準(zhǔn)樣板的固定裝置;標(biāo)準(zhǔn)樣板主要包括用于校準(zhǔn)長(zhǎng)度與深度的標(biāo)準(zhǔn)刻線樣板、用于校準(zhǔn)寬度的標(biāo)準(zhǔn)刻線樣板和用于校準(zhǔn)面積的標(biāo)準(zhǔn)圓樣板;用于校準(zhǔn)長(zhǎng)度與深度的標(biāo)準(zhǔn)刻線樣板是一組刻線長(zhǎng)度和深度第次變化的標(biāo)準(zhǔn)刻線;用于校準(zhǔn)寬度的標(biāo)準(zhǔn)刻線樣板是一組刻線線寬第次細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)刻線，其中最細(xì)的刻線可以檢測(cè)出內(nèi)窺鏡的分辨力;標(biāo)準(zhǔn)圓樣板是一組直徑第次細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)圓，其中最大直徑為10 mm;校準(zhǔn)時(shí)分別采用正直測(cè)量與傾斜測(cè)量來(lái)完成。在溯源方面，本文所提出的3種類型標(biāo)準(zhǔn)樣板都可以在光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)量值溯源。

圖5 視頻內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)裝置示意圖

3 總結(jié)

本文提出了一種工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡的校準(zhǔn)方法，對(duì)視頻內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)裝置提出了設(shè)計(jì)思想，并利用所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了長(zhǎng)度、寬度、深度和面積校準(zhǔn)方面的試驗(yàn)，得到了表1至表4所示的結(jié)果，由表中結(jié)果可知，在長(zhǎng)度和寬度方面，不同測(cè)量方式對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，但在深度和面積方面影響很大，進(jìn)一步證明該校準(zhǔn)方案切實(shí)可行。

表1 長(zhǎng)度校準(zhǔn)的結(jié)果mm

表2 寬度校準(zhǔn)的結(jié)果mm

表3 深度校準(zhǔn)的結(jié)果mm

表4 面積校準(zhǔn)的結(jié)果mm

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