CN103868541A

CN103868541A - 具有导航功能的管道镜

Info

Publication number: CN103868541A
Application number: CN201210525906.6A
Authority: CN
Inventors: 陶立; 宋桂菊; 杨勇; 贾明; 韩杰
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及一种具有导航功能的管道镜，其包括前端设有探测头的探测管、设于该探测管内的形状感应线缆、用于夹持该探测管的夹持定位装置、形状计算器及监视器。该形状感应线缆包括至少一根感应线及设置于该感应线上的若干应变传感器，该感应线还用于传输其上应变传感器感应到的应力变化信号。该夹持定位装置包括用于测量该探测头至该夹持定位装置之间的探测管的长度的长度测量单元。该形状计算器用于根据所述应变传感器感应到的应力变化信号及测量得到的探测头至该夹持定位装置之间的探测管的长度数据计算得出该探测头至该夹持定位装置之间的探测管的空间形状图像。该监视器用于显示该计算得出的空间形状图像。

Description

具有导航功能的管道镜

技术领域

本发明涉及一种管道镜（Borescope），特别涉及一种具有导航功能的管道镜。

背景技术

作为无损检测（non-destructive evaluation，NDE）装置的一种，诸如管道镜（borescope）已在工业领域得到了广泛应用。通常，管道镜通过一根柔性的且前端设有探测头的探测管来探测待测设备的内部探测区域或探测点（如飞机发动机内部的风扇叶片），并将探测得到的图像回传至监视器上，以判断对应位置处的元件是否被恰当的制造或者组装等。

例如，图1示出了一种现有的管道镜10。该管道镜10主要包括手持操作装置12及一根与该手持操作装置12相连的探测管14。该探测管14包括设置于前端的探测头142。该探测头142可能进一步包括控制机构，用于控制探测头142按一定的控制命令进行转动。对应地，该手持操作装置12包括操作区122及监视器124。该操作区122用于输入控制命令来控制该探测头142，该监视器124用于显示该探测头142回传回来的图像信号。

但是，待测设备的内部结构往往很复杂，将探测头142放置于待测区域或待测点可能需要花费相当长的时间，并且还要依靠操作员的经验及对待测设备内部结构的熟悉程度。并且，从一个探测区域或探测点移至下一个探测区域或探测点时，还需再花费一定的时间重新去寻找，如此会大大降低探测效率。

所以，需要提供一种新的具有导航功能的管道镜来解决上述问题。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面在于提供一种具有导航功能的管道镜。该管道镜包括：

前端设有探测头的探测管；

设于该探测管内的形状感应线缆，该形状感应线缆包括至少一根感应线及设置于该感应线上的若干应变传感器，该感应线还用于传输其上应变传感器感应到的应力变化信号；

用于夹持该探测管的夹持定位装置，该夹持定位装置包括用于测量该探测头至该夹持定位装置之间的探测管的长度的长度测量单元；

形状计算器，用于根据所述应变传感器感应到的应力变化信号及测量得到的探测头至该夹持定位装置之间的探测管的长度数据计算得出该探测头至该夹持定位装置之间的探测管的空间形状图像；及

选择性地包括用于显示该计算得出的空间形状图像的监视器。

相较于现有技术，本发明具有导航功能的管道镜在该探测管内的设置形状感应线缆，并通过其上的应变传感器感应探测管不同位置处的应力变化。另外，还在探测管上设置该夹持定位装置，用来测量探测头至夹持定位装置之间的探测管的长度，然后根据上述感应到的应力变化信号及测量得到的探测头至该夹持定位装置之间的探测管的长度数据计算得出该探测头至该夹持定位装置之间的探测管的空间形状图像，并选择性地通过监视器实时显示，从而使操作人员在探测过程中可以很容易并快速的找到对应的待测位置，大大提高了效率。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为一种现有的管道镜的示意图。

图2为本发明具有导航功能的管道镜的较佳实施方式的示意图。

图3a为图2管道镜中的夹持定位装置的较佳实施方式的横截面示意图。

图3b为图2管道镜中的夹持定位装置的另一较佳实施方式的横截面示意图。

图4为图2管道镜中的探测管的较佳实施方式的剖面示意图。

图5a为图4探测管中的形状感应线缆的较佳实施方式的剖面示意图。

图5b为图5a形状感应线缆中的一根感应线的较佳实施方式的示意图。

图6为本发明具有导航功能的管道镜的较佳实施方式的原理框图。

图7为应用本发明具有导航功能的管道镜对一个待测设备进行探测的示意图。

图8a至图8f为图4探测管中的形状感应线缆的另外六种较佳实施方式的剖面示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图2，为本发明具有导航功能的管道镜20的较佳实施方式的示意图。该管道镜20包括手持操作装置22及一根与该手持操作装置22相连的探测管24。该探测管24包括设置于前端的探测头242。该探测头242可能进一步包括控制机构（未标号），用于控制探测头242按一定的控制命令进行转动。对应地，该手持操作装置22包括操作区222及第一监视器224。该操作区222用于输入控制命令来控制该探测头242，该第一监视器224用于显示该探测头242回传回来的图像信号。由于上述配置为现有技术，故这里不再详细说明。

为进一步提供导航功能，该管道镜20还包括一个夹持定位装置26，用于对该探测管24提供夹持定位功能并用于在探测过程中实时测量探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的长度。此外，该长度测量数据将通过一根连接在该夹持定位装置26与手持操作装置22之间的数据线28传输至手持操作装置22的内部，以进行后续数据处理，后续段落及图6会详细描述具体处理过程。对比传统的管道镜，该探测管24还包括安装在其上不同位置处的若干应变传感器（strain gauge sensor），用于感应对应位置处的应力变化。这些应变传感器（图1未示出）可以安装在该探测管24的内部或外部。该手持操作装置22进一步接收该应变传感器感应到的应力变化数据及该夹持定位装置26测得的探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的长度测量数据。该手持操作装置22进一步提供数据处理能力，可根据该应力变化数据及长度测量数据计算得出探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的空间形状图像。该手持操作装置22还可根据该计算得出的空间形状图像数据及一预设的待测设备的模型计算得出该探测头242位于该待测设备的具体位置。对应地，该手持操作装置22还包括一个第二监视器226，用于显示探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的空间形状图像或位于待测设备的具体位置图像。其他实施方式中，该第一件监视器224及第二监视器226可以为一个单独的监视器的两个监视区域，或者该第二监视器226还可为一个与该手持操作装置22进行远程通信的独立监视器。

请参考图3a，为图2管道镜20中的夹持定位装置26的较佳实施方式的横截面示意图。该夹持定位装置26包括一个直的夹持通道262，用于夹持定位该探测管24，该夹持通道262的直径可以与该探测管24的直径相同，也可稍微略小于该探测管24的直径，从而很好的起到夹持定位的功能但不影响探测管24在夹持通道262中沿着箭头方向移动。当然，在其他一些实施方式中，该夹持通道262的直径也可略大于该探测管24的直径，然后再通过其他辅助的定位元件对该探测管24进行定位，例如通过在夹持通道262内壁上适当位置处设置若干弹片来定位探测管24等方式，不拘泥于本实施方式给出的例子。

该夹持定位装置26进一步包括一个滑轮266及一个计数器264。该滑轮266设于夹持定位装置26的内部且部分位于夹持通道262内，但不影响探测管24在夹持通道262中沿着箭头方向移动，并且当探测管24在夹持通道262内移动时可旋转滑轮266。该计数器264用于记录该滑轮266旋转的圈数，即可计算出探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的长度。该计算的长度数据通过数据线28传输至手持操作设备22进行后续数据处理。在其他实施方式中，该计数器264还可设置于该手持操作设备22的内部，该手持操作设备22还可设置一个复位按钮（未示出），用于对该计数器264进行复位操作。

请参考图3b，为图2管道镜20中的夹持定位装置26的另一较佳实施方式的横截面示意图。对比图3a的实施方式，该实施方式将滑轮266更换为一个磁栅传感器（magnetic grid sensor）268。对应地，该探测管24从头到尾进一步均匀设置了若干磁栅244。该若干磁栅244可以设置在探测管24的内部，也可以设置在探测管24的外表面。当探测管24在夹持通道262内移动时，该磁栅传感器268可实时感应经过其上的磁栅244。该计数器264此时用于记录该磁栅传感器268感应到的磁栅244的数量，即可计算出探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的长度。同理，该计算的长度数据通过数据线28传输至手持操作设备22进行后续数据处理。

在上述两个夹持定位装置26的实施方式中，该滑轮266及计数器264作为一个长度测量单元269（见图6），该磁栅传感器268、磁栅244及计数器264作为另一个长度测量单元269仅仅给出了两个例子，其他实施方式中，该夹持定位装置26还可设计成其他的形式，例如，可将磁栅传感器268更换为光栅传感器（optical grating sensor）而同时将磁栅244更换为光栅，工作原理同图3b的实施方式，不再赘述。这里需要说明的一点是，更换为光栅后，光栅需要设置于探测管24的外表面，以使光栅传感器可以感应到经过其上的光栅。

请参考图4，为图2管道镜20中的探测管24的较佳实施方式的剖面示意图。为了实现传统的探测区域或探测点的成像功能，该探测管24内部设有若干线缆，例如，包括两个灯光线缆241，用于提供光源；一个摄像头线缆243，用于传输摄像头拍摄的图像；四个操作线缆245，用于操作探测头242；及一个电源线缆247，用于提供电源。上述线缆均为现有技术，这里不再详细说明。为了实现本发明导航功能，该探测管24内部还设有一个形状感应线缆246。本实施方式中，该形状感应线缆246位于该探测管24的内壁附近，其他实施方式中，该形状感应线缆246还可设于该探测管24的中心，可能会提高感应的准确度。另外，该形状感应线缆246的数量还可设计为多个，以获得更多的感应数据，再通过补偿算法或求平均值等算法得到一个更准确的探测结果。

请参考图5a，为图4探测管24中的形状感应线缆246的较佳实施方式的剖面示意图。该形状感应线缆246包括一根环形的柔性套管2461、一根设于该套管2461内部的十字形的柔性支撑杆2462、及分别设置于该支撑杆2462四个角处的四根感应线2463。在一些非限定的实施方式中，该支撑杆2462可由玻璃纤维或碳素纤维制成。

请继续参考图5b，为图5a形状感应线缆246中的一根感应线2463的较佳实施方式的示意图。该感应线2463上设置若干应变传感器2464，且该感应线2463可传输该若干应变传感器2464所感应的应力变化信号。在非限定的实施方式中，该感应线2463为光纤（optical fiber），该应变传感器2464为光纤布拉格光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）。该若干应变传感器2464的数量可根据探测所需的精度要求来设置，若精度要求高，则需设置较多数量的应变传感器2464来感应较多位置处的应力变化，反之则设置较少数量的应变传感器2464即可，安装的位置也可根据测试需要进行设置，例如均匀设置或不均匀设置。

具体地，每一个应变传感器2464可以感应位于其安装位置处的应力变化，因此基于该感应线2463上的所有应变传感器2464所感应的应力变化信号，即可根据适当算法计算出该感应线2463的空间形状的重构图像。当需要重构该感应线2463（也即形状感应线缆246）的二维空间形状且排除其他干扰参数的情况时，应用一根感应线2463即可；当需要重构该感应线2463的三维空间形状且排除其他干扰参数的情况时，应用两根感应线2463即可，例如其中一根用来感应XY轴方向而另一根用来感应YZ轴方向；当需要重构该感应线2463的三维空间形状且不排除其他干扰参数（如温度参数）的情况时，可应用四根感应线2463，即本实施方式的例子，其中两根分别感应XY轴方向及YZ轴方向，而另外两根也用来分别感应XY轴方向及YZ轴方向，并通过适当的补偿算法可对干扰参数进行补偿。上述实施方式仅仅为一个实施方式的例子，其他实施方式中可根据需要进行调整，后续段落还会给出六种实施方式作为例子。

请参考图6，为本发明具有导航功能的管道镜20的较佳实施方式的原理框图。为了实现传统的探测区域或探测点的成像功能，该手持操作装置22可能包括探测头控制器221及第一成像处理器223。该探测头控制器221用于在探测过程中控制探测头242，例如调整探测角度或调整光线亮度等。该第一成像处理器223用于接收该探测头242拍摄的图像数据并传输至该第一监视器224进行显示。上述处理过程为现有技术，这里不作具体说明。

为了实现本发明导航功能，该手持操作装置22进一步包括信号采集器225、形状计算器227、模型存储器229及第二成像处理器230。在其他实施方式中，该第一成像处理器223及第二成像处理器230可为一个整合的成像处理器，该信号采集器225也可作为该形状计算器227的一部分处理单元，或者上述一个或多个单元均可集成为一个单元，或上述某一个单元也可分割成若干子单元。

该信号采集器225用于通过感应线2463采集所有应变传感器2464感应到的应力变化信号。该形状计算器227用于接收该信号采集器225采集到的应力变化信号及该长度测量单元269计算出的探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的长度，并根据该应力变化信号及长度数据计算出探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的空间形状图像。该模型存储器229用于存储一个预设的模型2292（见图7），该模型2292是表征待测设备的空间结构模型。该第二成像处理器230用于接收该形状计算器227计算得出的探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的空间形状图像及该模型2292，并根据该空间形状图像及该模型2292计算得出该探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24在待测设备中的具体空间位置，也即探测头242位于待测设备中的具体位置，然后将计算结果传输至该第二监视器226进行显示。如此一来，在整个探测过程中，该探测头242在待测设备中的位置通过该第二监视器226被实时显示出来，极大地提高了操作效率，即使没有经验的操作人员也可轻易操作。在其他实施方式中，若仅需要显示探测头242至夹持定位装置26之间的探测管24的空间形状图像，则可不需要设置该模型存储器229及第二成像处理器230，直接通过该第二监视器226显示由该形状计算器227计算出来的空间形状图像即可。

图7为应用本发明具有导航功能的管道镜20对一个待测设备70（例如飞机发动机风扇叶片）进行探测的示意图。首先可将该夹持定位装置26固定在该待测设备70的待测空间72的入口处，为配合安装该夹持定位装置26，可根据待测设备70入口处的形状对该夹持定位装置26进行设计，或者通过其他辅助定位设备进行固定。此时探测头242位于夹持定位装置26处，探测前先复位该计数器264，然后再进行探测。作为一个例子，该待测空间72可能包括若干探测通道，例如通道‘A’,‘B’,‘C’,‘D’,‘E’,‘F’。若使用传统没有导航功能的管道镜探测时，操作人员需根据经验将探测头242伸入至待测通道或待测点位置处，如‘A’处，需要花费一定的时间并依靠经验及相关知识才能正确找到待测位置，效率非常低。但应用本发明具有导航功能的管道镜20进行探测时，由于探测头242会实时的显示在第二监视器226上，以显示其处于待测设备中的具体位置，因此，操作人员可以很容易并快速的找到对应的待测位置，大大提高了效率。图7中的监视图像仅仅给出了二维图像，其他实施方式中还可显示对应的三维图像。

请参考图8a至图8f，为图4探测管24中的形状感应线缆264的另外六种较佳实施方式的剖面示意图，需要说明的是这里不是穷举，而仅仅是给出若干例子，其他实施方式可作适应性的修改。基于上述实施方式图5a，在图8a的实施方式中，上述支撑杆2462被删除了，该四根感应线2463分别中心对称的设置于该套管2461的内表面上。在图8b的实施方式中，上述支撑杆2462被删除了，该四根感应线2463分别中心对称的内嵌于该套管2461的内部。在图8c的实施方式中，上述支撑杆2462被删除了，且上述套管2461被一个圆形的柔性支撑杆代替，该四根感应线2463分别中心对称的部分内嵌于该圆形的柔性支撑杆2461的圆周上。在图8d的实施方式中，上述支撑杆2462被删除了且上述套管2461被两个半圆形的套管2461a及2461b所替代，该两个半圆形的套管2461a及2461b通过粘结剂等组合形式形成环形的套管组合，该四根感应线2463分别中心对称的内嵌于该套管组合的内表面上，此实施方式可简化线缆制造工艺。在图8e的实施方式中，其将实施方式8a中的套管2461的形状改成了方孔形，该四根感应线2463分别中心对称的设置于方孔形套管2461内表面的四个角处。在图8f的实施方式中，其将实施方式8c中的圆形的柔性支撑杆2461改为了方形，该四根感应线2463分别部分内嵌于该方形的柔性支撑杆2461的四个边的中心位置处。在其他实施方式中，该四根感应线2463也可不是中心对称的方式设置，可根据具体应用的算法进行调整，例如位于矩形的四个角处等。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种具有导航功能的管道镜，包括前端设有探测头的探测管，其特征在于：该管道镜还包括：

2.如权利要求1所述的具有导航功能的管道镜，其中该管道镜还包括：

模型存储器，用于存储表征待测设备的空间结构的模型；及

成像处理器，用于根据该计算得出的空间形状图像及该模型计算得出该探测头至该夹持定位装置之间的探测管位于该待测设备内的位置图像，该监视器进一步用于显示该计算得出的位置图像。

3.如权利要求1所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状计算器还包括用于采集该应变传感器感应到的应力变化信号的信号采集器。

4.如权利要求1所述的具有导航功能的管道镜，其中该感应线为光纤，该若干应变传感器为光纤布拉格光栅传感器。

5.如权利要求1所述的具有导航功能的管道镜，其中该夹持定位装置包括一个夹持通道，用于夹持该探测管，该探测管可在该夹持通道中移动。

6.如权利要求5所述的具有导航功能的管道镜，其中该长度测量单元包括一个滑轮及一个计数器，该滑轮设于该夹持定位装置的内部且部分位于该夹持通道内，该探测管在夹持通道移动时旋转该滑轮，该计数器用于记录该滑轮旋转的圈数。

7.如权利要求5所述的具有导航功能的管道镜，其中该长度测量单元包括一个磁栅传感器、均匀设置在该探测管上的若干磁栅及一个计数器，该磁栅传感器用于感应经过其上的磁栅，该计数器用于记录该磁栅传感器感应到的磁栅的数量。

8.如权利要求5所述的具有导航功能的管道镜，其中该长度测量单元包括一个光栅传感器、均匀设置在该探测管上的若干光栅及一个计数器，该光栅传感器用于感应经过其上的光栅，该计数器用于记录该光栅传感器感应到的光栅的数量。

9.如权利要求1所述的具有导航功能的管道镜，其中该至少一根感应线包括四根设置在该形状感应线缆上的感应线。

10.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括一根环形的柔性套管及一根设于该套管内部的十字形的柔性支撑杆，该四根感应线分别设置于该支撑杆的四个角处。

11.如权利要求10所述的具有导航功能的管道镜，其中该支撑杆由玻璃纤维或碳素纤维制成。

12.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括一根环形的柔性套管，该四根感应线分别中心对称的设置于该套管的内表面上。

13.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括一根环形的柔性套管，该四根感应线分别中心对称的内嵌于该套管的内部。

14.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括一根圆形的柔性支撑杆，该四根感应线分别中心对称的部分内嵌于该圆形的柔性支撑杆的圆周上。

15.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括一根方形的柔性支撑杆，该四根感应线分别部分内嵌于该方形的柔性支撑杆的四个边的中心位置处。

16.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括由两个半圆形柔性套管组成的套管组合，该四根感应线分别中心对称的内嵌于该套管组合的内表面上。

17.如权利要求9所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆还包括一根方孔形的柔性套管，该四根感应线分别中心对称的设置于该套管的内表面的四个角处。

18.如权利要求1所述的具有导航功能的管道镜，其中该形状感应线缆设于该探测管的中心。