Оптико-волоконные устройства контроля технического состояния автомобиля

// опубликован, #0(109)
Oпыт, достижения, перспективы

В материалах нашего издания (см. «Авто-Price», №№ 14, 16, 18, 20, 1998 г.) мы уже рассказывали о приборах, которые позволяют заглянуть в скрытые полости различных технических объектов, – технических эндоскопах. За прошедший с момента нашей публикации период техноэндоскопы уверенно внедряются в различные отрасли экономики России: энергетику, нефтегазовый комплекс, авиацию, автомобилестроение и т. д. Используют эти приборы таможенники, милиция и спецслужбы. В 2000 г. техноэндоскопы появились и в Вооруженных Силах – Главное автобронетанковое управление МО РФ закупило партию эндоскопов в комплекте с видеосистемами для обучения курсантов и слушателей. Техноэндоскопы приобретают и «продвинутые» коммерческие станции автосервиса. С рассказа о технических эндоскопах, выпускаемых петербургским предприятием «Оптимед» и другими производителями, мы возобновляем беседы об оптико-волоконных устройствах для диагностирования агрегатов и систем автомобиля.

Технические эндоскопы

Наиболее распространенными оптико-волоконными устройствами, применяемыми для контроля состояния скрытых элементов различных технических объектов, являются технические эндо-скопы. Основное назначение эндоскопов – быстрое и высококачественное визуальное исследование труднодоступных полостей машин и механизмов без их разборки.
Согласно ГОСТ 24521-80 «Контроль неразрушающий оптический. Термины и определения», эндоскоп – это оптический прибор, имеющий визуальную и осветительную систему и предназначенный для осмотра внутренних поверхностей объекта контроля.
В технической литературе встречаются различные названия технических эндоскопов: бороскопы, флексоскопы, фиброскопы. Фиброскопы, а также цистоскопы и гастроскопы являются медицинскими волоконно-оптическими приборами.
Визуальная система эндоскопов включает:
– рабочую часть, внутри которой имеются волоконно-оптические каналы (волоконно-оптический жгут) для передачи света от осветителя в осматриваемую полость и оптический (линзовый или волоконно-оптический) смотровой канал;
– линзовый окуляр, как правило, имеющий диоптрийную раздвижку для подстройки глаза наблюдателя;
– линзовый объектив.
Различают два основных типа эндоскопов: жесткие и гибкие приборы. Как разновидность гибких эндоскопов – полужесткие приборы, рабочая часть которых находится внутри гибкой металлической трубки из нержавеющей стали – флекстрона. Гибкие и полужесткие эндоскопы могут иметь управляемый дистальный конец, изгибающийся в одной или двух плоскостях. Эндоскопы могут иметь канал для гибкого инструмента для выполнения (при необходимости) манипуляций: захвата предметов, взятия пробы и т. д. Технические эндоскопы имеют герметичную масло-бензостойкую рабочую часть.
Основными характеристиками технических эндоскопов являются:
– диаметр рабочей части (как правило, это 1.7, 2.0, 2.7, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0 мм);
– длина рабочей части (в пределах от 100 до 1000 мм). Некоторые эндоскопы позволяют передавать изображение и на более значительное расстояние (до нескольких метров);
– угол направления наблюдения (0, 30, 45, 75, 90, и 110°). Может плавно из-меняться в эндоскопах с качающейся призмой от 30 до 110°; – угол поля зрения (от 50 до 100°). Надо учитывать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению детализации рассматриваемой поверхности;
– разрешающая способность (количество различаемых линий в миллиметре длины специального контрольного оптического прибора);
– длина изгибающейся дистальной части (зависит от конструктивного исполнения прибора).
Результаты осмотров могут документироваться с помощью приставных фото- или телекамер (с видео- или компьютерными системами).

Жесткие эндоскопы

Жесткие эндоскопы предназначены для визуального контроля узлов, к которым возможен прямолинейный доступ (особенно когда эндоскопический контроль запланирован на стадии проектирования изделия). Жесткие эндо-скопы используют для осмотра газовоздушного тракта авиадвигателей, полостей машин и механизмов, пустот в стенах зданий, каналов и труб малого диаметра, полостей отливок, шлифованных и хонингованных отверстий. Смотровой канал жесткого эндоскопа (оптической трубки) состоит из линзовой, стержневой или градиентной оптики, которая заключена во внутреннюю металлическую трубку. Осветительный канал состоит из оптического волокна, которое расположено между двумя металлическими трубками: наружной и внутренней. Жесткие эндоскопы характеризуются четырьмя основными параметрами: диаметром рабочей части, длиной рабочей части, углом направления наблюдения и углом поля зрения.
Наиболее распространенные диаметры рабочей части: 1.7, 2, 2.7, 4, 6, 8 и 10 мм. Длины жестких эндоскопов обычно находятся в пределах от 100 до 1000 мм и изменяются с шагом 200-300 мм. Основные углы направления наблюдения 0°, 30°, 45°, 75°, 90°, 110°. Угол направления наблюдения может быть и плавно изменяемым в эндоскопах с качающейся призмой – от 30° до 110°.
Угол поля зрения, как правило, варьируется от 50° до 90°. При этом необходимо учитывать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению детализации, т. е. можно видеть много и мелко или мало и крупно. Основное преимущество жестких эндоскопов – высокая разрешающая способность (до 25 линий на миллиметр).

Гибкие эндоскопы

Не всегда возможен прямой доступ к объекту или сам объект имеет сложную геометрию, например, газотурбинные, электрические двигатели, турбогенераторы, котлы, теплообменники, трубы водоснабжения, канализации, промышленные коммуникации. В этом случае для визуального контроля применяют гибкие эндоскопы.
В гибких эндоскопах смотровой канал и канал передачи света имеют волоконно-оптические жгуты, смонтированные внутри гибкой трубки с управляемой (как правило) дистальной частью.
Смотровой канал (для передачи изображения) представляет собой линзовый объектив, который строит изображение исследуемого объекта на торце кабеля (волоконно-оптического жгута) для передачи изображения. Далее изображение передается с его помощью. Кабель передачи изображения состоит из большого числа волокон, толщина которых 10-12 мкм. Расположение торцов волокон на входе кабеля точно должно соответствовать расположению на выходе, т. е. должна быть регулярная укладка. Изображение, полученное на конце кабеля, рассматривается через окуляр, имеющий диоптрийную подвижку для подстройки под глаза. Канал для передачи света представляет собой, как правило, светорассеивающую линзу, вклеенную в головку прибора, волоконно-оптический жгут с нерегулярно уложенными волокнами, толщина которых 25 мкм. Конец световолоконного жгута вмонтирован в специальный наконечник, подключающийся к осветителю.
Управляемый дистальный конец изгибается в одной или двух плоскостях. Как правило, это определяется диаметром рабочей части. Обычно в эндоскопах малого диаметра (6 мм и менее) изгиб осуществляется в одной плоскости, а в более крупных – в двух. В эндоскопах различных производителей угол изгиба бывает от 90° до 180°. К тому же эндо-скопы могут комплектоваться насадками или объективами бокового наблюдения. Это важно, если есть необходимость осматривать, например, стенки труб малого диаметра, где изгиб дистального конца невозможен.
Основным недостатком гибких эндоскопов является более низкая разре-шающая способность по сравнению с жесткими (до 10 линий на мм).
При выборе гибкого эндоскопа руководствуются двумя основными параметрами: диаметром и длиной рабочей части. Наиболее распространенные диаметры 4, 6, 8 и 10 мм. В последнее время ведущие производители предлагают гибкие эндоскопы диаметром рабочей части от 0,5 до 2 мм. Длины рабочей части изменяются от 500 до 3000 мм, с шагом, как правило, 500 мм. Угол поля зрения составляет 50-60°. При необходимости он может быть увеличен до 90-100°.
Обычно гибкие и полужесткие технические эндоскопы имеют герметичную маслобензостойкую рабочую часть.

Эндоскопические видеосистемы

Эндоскопические видеосистемы предназначены для вывода изображения на монитор и документирования результатов контроля. Они используются с жесткими и гибкими волоконно-оптическими эндоскопами. В общем случае видеосистема состоит из оптико-механического адаптера с видеокамерой, присоединяемого к окуляру эндоскопа, блока управления и монитора. В некоторых случаях блок управления может отсутствовать. Вместо монитора возможно использование бытового телевизора или компьютера с устройством ввода-вывода видеосигнала.
Видеокамеры, в зависимости от решаемых задач, изготавливаются черно-белые или цветные. Как правило, все они имеют разрешающую способность порядка 470 ТВ линий (S-VHS).
Наиболее предпочтительно использование видеосистем с жесткими эндоскопами.

Видеоэндоскопы

Гибкие волоконно-оптические эндоскопы имеют ряд недостатков, наиболее существенные из которых – невысокая разрешающая способность и ограничения по длине, определяемые волокном передачи изображения. Модернизация или, точнее, замена в системе передачи изображения гибкого эндоскопа волоконно-оптического жгута на электронику позволила повысить разрешающую способность приборов, увеличить их длину и привела к появлению видеоэндоскопов. Изображение в них через объектив попадает на ПЗС матрицу, затем сигнал по кабелю передается в блок преобразования и выводится на монитор.
В настоящее время в мире производятся видеоэндоскопы диаметрами рабочей части 6, 8, 10, 12, 16 и 20 мм, длинами от 2 до 30 метров.

Осветители

Для качественного визуального контроля объектов необходимо их хорошее освещение. В эндоскопах для этой цели служит система передачи света, работающая совместно с мощным источником, называемым осветителем.
Осветители, в зависимости от типа лампы, бывают галогеновые, металлогалоидные и ксеноновые. В галогеновых осветителях, как правило, используют 100 или 150 Вт галогеновые лампы. Основное преимущество – дешевизна. Недостатки – высокое энергопотребление при относительно невысоком световом потоке, малый срок службы лампы, порядка 50 часов, и смещенный спектр в желтую область.
Металлогалоидные осветители имеют 24 Вт лампу. Они значительно дороже галогеновых, однако обладают рядом достоинств: низкое энергопотребление при световом потоке, сравнимом с 200 Вт галогеновой лампой, длительный срок службы лампы – 600-800 часов, спектр, приближенный к естественному белому свету. Данные осветители являются наиболее предпочтительными для применения с техническими эндоскопами. Ксеноновые осветители – наиболее мощные осветительные системы, но и самые дорогие. Они находят небольшое применение.

Применение эндоскопов в автомобильной отрасли

Эндоскопы используются для быстрого и высококачественного визуального исследования труднодоступных полостей агрегатов, систем и механизмов автомобиля без их разборки. При изготовлении – для контроля качества изготовления и сборки агрегатов (например, качества очистки отливок от стержней), для контроля гидропневмосистем, качества сварки и окраски. При экс-плуатации эндоскопами производится контроль состояния рабочих поверхностей деталей агрегатов и систем машины, коррозии деталей кузова.
Применительно к двигателю – эндоскопы используются при контроле качества изготовления и сборки двигателя и его элементов, состояния рабочих полостей цилиндров (фасок и седел клапанов, днища поршня и стенок цилиндров, прокладки головки и головки блока со стороны камеры сгорания), впускного и выпускного трубопроводов, зубьев шестерен и ремней приводных механизмов, элементов газораспределительного и кривошипно-шатунного механизмов, систем охлаждения и смазочной, рабочих лопаток ком-прессоров, жаровых труб турбокомпрессоров, передних кромок сопловых аппаратов, рабочих лопаток и дисков компрессоров и турбин и т. д.
При этом обнаруживаются: царапины, трещины, выбоины, разрушения, коррозионные пятна, прогары, усталостные изломы, подтекания масла и охлаждающей жидкости и другие дефекты размером 0,03-0,08 мм и более. Возможно обнаружение дефектов в начальной стадии их появления (в зоне развития усталости металла – плоскости сдвига разрушившихся зерен по характерному блеску).

Заключение

Ведущими производителями техноэндоскопов и видеоэндоскопических систем являются: Olympus (Япония), Karl Storz (Германия), Everest VIT (США), IT Concept (США), «Оптимед» (Россия).
Их отличает широкий ассортимент продукции, высокое качество, опыт работы с крупными промышленными компаниями, оригинальные технические решения. Например, объектив видеоэндоскопа Olympus одновременно прямого и бокового наблюдения, измерительный видеоэндоскоп Everest Imaging – со встроенным в рукоятку жидкокристаллическим экраном, управлением дистальным концом при помощи джойстика и измерением ширины, длины, высоты и глубины дефекта с точностью до 0.01 мм.

При подготовке статьи использованы материалы Olympus, «Индустрия Сервис», «Оптимед».