工业内窥镜技术及应用

1、工业内窥镜构造原理

工业电子内窥镜是集光学、精密机械、电子技术和摄像技术于一体的新型无损检测仪器。用于常规无损探伤技术无法触及到非可视部位表面缺陷的检测。

硬性内窥镜构造原理

硬性内窥镜包括传像、照明二部分。

1. 传像

a) 物镜：通常不设调焦机构，因此要求景深较大。当观察侧壁时，应有转向棱镜。为保证360°的视场，转向棱镜应能自由旋转或整体旋转；

b) 中继系统：其作用为传送图像，通常每一组透镜的β＝+1，组数则视内窥镜的长度要求而定；

c) 目镜：要求看到的是正像，因此有时须加正像棱镜。放大倍数可取4～10×。

2. 照明

早期的内窥镜曾采用镜端前方用小灯泡照明，现均已改为镜外专用冷光源，用光导纤维

传入镜内的方法。

纤维内窥镜构造原理

其工作原理是由高品质的传像纤维来传送图像，通过目镜直接观察。纤维窥镜由插入部（前端部、弯曲部与柔软部）、操作部与目镜部组成。传像纤维束，光纤及调校前端摆头角度的钢丝均全部内置，并且另配有专用的冷光源。

头部

头部是软性内窥镜最前端呈硬性的一小段，它有侧视式、前视式二种。

侧视式：它是指观察和作用部位位于侧面，常用来观察内壁有无缺陷；

前视式：它的观察窗在前方，常用来观察前方有无异。

不论哪种形式，头部都包括：

a)  光孔：光导纤维将外部照明光导入，由此孔射出，照亮观察部位；

b)  物镜孔：此处装有保护玻璃及物镜、导像纤维束的端部，棱镜等。物镜常用固定焦点式，使用中不再调焦，结构可简单些。为加大景深，采用短焦距，如f′可为3～6mm，视场角为40°～60°，观察距为3～100mm。观察距小时，放大倍率较大而视场较小。也有采用调焦式的，观察效果好些，但结构和操作要复杂些。

2.   弯曲部

其作用为使头部能上下、左右活动，以增加观察区域、消除盲区。要求弯曲的角度尽量大、弯曲的半径尽量小，弯曲段的长度也尽量小。对前视式，要求弯曲的角度达180°；而对侧视式，则要求90°即可；

弯曲部内有导光纤维、导像纤维、各种通道以及牵引装置。

弯曲采用钢丝牵引的方式，头部有四根钢丝连向控制部。扭动控制部的手轮，即可分别拉动不同的钢丝绳，使头部向相应的方向摆动。

弯曲部的最外层为蛇皮形套管。要求柔软、挠性好，头部及软管部结合牢固，密封好。

3.   软管部

软管部是体现整个内窥镜长度的部分。装有导光束、导像束、牵引钢丝等，外包不锈钢带软管及金属网管。

控制部

控制部是进行操作控制和观察的部位。包括目镜、导光束连接口、头部弯曲控制钮等。要求重量轻、操作灵活、可靠。

对目镜，要求有足够的视野、清晰并有屈光调节。通常光导纤维传像为1:1，因此内窥镜的总放大率取决于物镜和目镜。

导光缆

它用以连接光源和内窥镜。

纤维束的特性

多根纤维丝按照一定规律集合在一起,称为纤维束,用来导(传)光或导(传)像。为不失真地传送图像，纤维丝应整齐地排列好，两端部的纤维丝的位置应一一对应，并予以固定。其余部分的纤维丝可保持松散，以保证纤维束的柔软性。

（1）导光用纤维束的要求

大数值孔径；

对所要求的传输波长，吸收率要小，透过率要高；

占空比小，即有效截面积大；

足够的机械强度，弯曲强度比抗拉强度要重要；

足够的耐热、耐寒性。玻璃和塑料的均可在-40℃下使用；塑料纤维的耐热性较差，一般不得超过100℃；玻璃纤维不得超过300℃；传输大功率时，用石英纤维。

（2）导像用的纤维束的要求

除上述要求外，还要考虑分辨率（和纤维丝直径及排列方法有关）。此外还要求纤维丝之间的透过率和纤维丝对不同波长可见光的透过率基本相等。

电子视频内窥镜构造原理

内窥镜的历史经历了从硬性光学内窥镜到光导纤维内窥镜再到电子视频内窥镜过程。20世纪80年代开始，国外运用超小型电荷耦合器件（CCD）技术制造电子视频内窥镜产品，中国是在90年代初应用该技术制造电子视频工业内窥镜的。其工作原理是通过物镜成像传至CCD耙面上，然后CCD再把光像转变成电子信号，把数据转送至视频内窥镜控制组，再由该控制组把影像输出至监视器或计算机上，这样经过图像处理器便可“重建”高清晰度的、色彩逼真的图像。

图像质量的优劣直接影响着内窥镜的使用效果，也标志着内窥镜技术不断提高、不断完善的发展进程。电子内窥镜的出现，使图像质量提高到一个崭新的水平。

电子视频窥镜技术水平代表了内窥镜类最先进的水平。它不但具备硬性窥镜和纤维窥镜的技术性能，而且增加了计算机应用技术，可供多人同时观察和分析清晰的图像，从而避免了由于个人知识和经验的不足而发生的漏检、误检误判等弊端。电子工业内窥镜选用的CCD像元素28万～43万个，它的分辨率高、图像清晰、色彩逼真、被检部位形状准确。另外工业电子管道内窥镜还具有有效探测距离长、操纵灵活等优点。加入计算机图象处理系统后，还可对图像进行抓拍、录像、存储处理，可以方便地对资料进行存档和调阅。1．采用进口高清成像模块和机芯，数字化实时传输技术，图像的还原效果直观清晰。

电子视频内窥镜优势

1.9英寸高清显示器，防眩光设计，现场使用方便。

2. 触屏和物理按键双模操作模式，更适合检修现场使用。

3.主机系统采用专用操作界面，控制和管理分单元工作；具备文件的创建、编辑、整理和标注功能，可进行文字注释等。

4. 具备图像动态录像和静态拍照功能，多种模式显示缺陷对比明显。

5.. 微型勾头镜、调焦管道镜、变倍容器镜和动力爬行模块可快速互换，单台主机通过更换不同镜头、检测线从而达到一机多用的效果；覆盖从6mm-2600mm的管道检测范围。

6.. 检测距离长：可配置30米/80米管道镜检测线和100米/150米动力机器人检测放线车。

7. 动力爬行机器人，车身采用不锈钢材质，防酸碱、防水性能极佳，可在水下10米使用。

8. 调焦管道镜和容器镜配备的镜头均具有调焦功能：（其中：全球最小直径29mm的360°旋转调焦镜头；国内最小直径18mm的广角调焦镜头；国内领先的48mm全景测量镜头；国内最小直径45mm（38mm/50mm/59mm）光学变倍调焦镜头,支持4倍、6倍、8倍.10倍、22倍光学变倍功能；目前这些技术在全球范围内都处于领先地位），这些镜头在微距接触或无限远的条件下，通过精准调焦或者变倍从而能得到最佳成像效果。

10.高性能聚合物锂电供电系统，充满电可持续工作6小时以上。

2、工业内窥镜技术应用

电力工业：定期检测气轮机和发电机大轴中心孔表面是否有伤痕和应力腐朽裂纹。检测主蒸汽管道、除氧器、联箱等压力品焊缝内表面焊接质量，是否有较严重的焊接缺陷。在大修时检测汽轮叶片、护环和应力集中部位是否有微裂缝。
    石油化工：用于检查工艺管道、压力容器、反应釜、热交换器等焊口内表面焊接质量，应力腐蚀裂缝和内壁化学腐蚀等缺陷。
    航空航天：用于检查涡轮发动机叶片和护环有无损伤比传统的手摸检查更准确、更高效。
    船舶：用于检查锅炉、气轮机、柴油发动机管道。

汽车维修：气缸内部的各种故障，如积炭、异物等，同时还可用于水箱、油箱、齿轮箱的检测、诊断。

现在工业内窥镜技术应用已发展到运用计算机图像处理技术、打印技术、网络技术、完成内窥镜下图像的捕获、存储、处理分析、标准化报告的书写、先进的文档管理、准确的图像测量分析、局部放大、清晰的图文一体化报告输出等。目前，与国外在中国市场同类产品相比，国产窥镜产品应用该项技术的水平处于较领先地位。