叶片是航空发动机的主要零件之一，由于功能的关系，其所处的工作环境是十分恶劣的。叶片承受较高的离心负荷、气动负荷、高温和大气温差负荷以及振动的交变负荷，压气机叶片还受发动机进气道外来物的冲击，受风沙、潮湿的侵蚀，涡轮叶片受燃气的腐蚀和高温热应力等，这些因素使叶片上容易产生缺陷，如疲劳裂纹。如果拆分航空发动机对叶片进行分解检查，则既麻烦又浪费时间。原位检测技术是现代维修技术新的重要组成部分，它避免了装备和结构的拆卸、分解和安装，节省检测费用和时间，原位检测技术在航空发动机的检修中具有十分重要的意义?。由于航空发动机结构的特殊性，常规的无损检测技术(如磁粉、渗透和射线等)因其技术上的局限性在叶片的原位检测中受到限制。
内窥检测具有直观、可靠、重复性好等优点，是目前航空发动机叶片原位检测的唯一方法，但是内窥检测对于叶片裂纹缺陷的判别难度较大。为了提高航空发动机叶片的疲劳寿命，目前都对叶片进行了喷丸或渗层处理，叶片基体表面变成了次表面。从大量试验和失效分析知，喷丸或渗层处理的叶片裂纹恰恰是在次表面上萌生，当叶片基体出现裂纹时，表面反映不明显，内窥图像难以判断。涡流检测对于金属试件的表面和近表面有很好的检测能力，但是涡流探头与试件的接触位置及耦合状态在无法看到的情况下很难操作，且容易漏检和误判。因此，提出内窥涡流集成化检测技术，使这两种方法的优势互补，以实现对航空发动机叶片的原位检测。
1 内窥涡流集成化检测探头设计
1.1内窥涡流集成化检测探头结构
航空发动机叶片上产生的最常见的四种缺陷分别为：裂纹、边缘刻口、凹坑和掉块。设计的用于航空发动机叶片原位检测的内窥涡流集成化探头，可实现内窥检测和涡流检测。内窥检测主要用来检测叶片常见的四种缺陷，同时为涡流检测提供图像，使检测人员可以清楚看到涡流探头与叶片的相互位置和接触情况，而内窥检测对于裂纹缺陷难以准确判断，涡流检测主要用来检测叶片的裂纹缺陷。如图1所示设计了一种特殊的结构，使内窥探头和涡流探头巧妙地结合在一起，其中，内窥探头位于前端，通过操作控制部，可以使探头旋转，观测到叶片，涡流探头位于内窥探头后面，从侧面检测叶片。检测探头的最大外直径为12mm，可以从航空发动机预留的检测孔(孔径≥13mm)中深入到叶片部位。这种结构可以满足内窥和涡流检测互为补充的目的，实现对叶片的原位检测。
1.2内窥探头设计
目前常用的工业内窥镜有刚性内窥镜、光纤内窥镜和电子内窥镜三种，其中电子内窥镜具有图像清晰，分辨率高，可供多人同时观察，可采用数字图像处理技术提高图像质量等优点。电子内窥镜的工作原理为冷光源对所检查部位照明后，物镜将被测物体成像在图像传感器光敏面上，然后将光信号转化成电信号，由电缆传输至视频处理器，经处理还原后显示在监视器上。本文中内窥检测探头采用了电子内窥镜探头，主要由光源、镜头和图像传感器等组成。
内窥镜大多采用独立冷光源，并由导光光纤把光线传至检奄位置上，这种方式结构复杂，冷光源体积比较大，导光光纤容易折断。本文中光源选择了高亮度白光LED，通过调节LED中的电流，实现亮度可调。为了保证视场内光照均匀，探头端部上下各固定一只白光LED，如图2(a)所示。
根据内窥涡流集成化探头用于发动机叶片检测的实际情况，内窥探头的镜头要求具有大视场、短焦距、大相对孔径和高分辨率。采用了一种反远距型物镜镜头，由一个负光焦度的前组和一个正光焦度的后组构成，如图2(b)所示。这种结构能同时实现大视场、大相对孔径、大的景深、低的畸变、长的后工作距离和小的外形尺寸。
图像传感器是内窥探头的关键元件，CCD和CMOS图像传感器是当前普遍采用的两种图像传感器。CMOS图像传感器的画质稍逊于CCD，但是CMOS图像传感器价格低廉、功耗低、集成度高。CMOS图像传感器可将感光阵列、控制与驱动电路、模拟信号处理、MD转换电路、I/O接口电路、数字图像处理等高度集成在一块芯片上。本文中选择OmNIVision公司的CMOS图像传感器OV7670芯片用于内窥探头设计。0V7670是一款单片VGA模式CMOS彩色图像传感器芯片，感光大小为116英寸，成像面大小为2.36mm×1.76mm，采用新的光学格式，像素尺寸为3.6tun。0V7670采用了OmniVision专有的OmniPixel传感架构，从而提高信噪比和低光照下的性能。0V7670图像传感器提供了全功能的单片VGA照相和图像处理器，它采用3.8mm×4.2mm封装，可使照相模块的尺寸减至6mm×6mm×4.5mm，通过12C接口可提供全帧、欠采样或8位窗口模式的图像。所需的图像处理包括曝光控制、gamma、白平衡、色饱和度、色彩控制、白像素消除和噪声消除，都可通过i,c接口编程，可以很容易地和视频处理单元相连接。
1.3涡流探头设计.
叶片进行原位检测时，表面不可避免地存在污染物，因结构限制，不便先期去除，传统的涡流传感器具有很大的提离效应，不适合用于叶片原位检测。文献[10]中提出了一种类匀强涡流传感器，用于焊缝缺陷的检测，其提离效应很小。本文中将这种传感器进行改进，用于叶片的原位检测。
类匀强涡流传感器由一个大的矩形激励线圈和一个小的偏平检测线圈构成，如图3所示。宽大的矩形激励线圈在其正下方产生类匀强磁场，磁场日的方向垂直于激励线圈电流密度方向^，由安培定律：
磁场日产生磁感应强度
其中，岸为磁导率。磁感应强度B的变化又会产生电场：
电场会在电导率为口的导电材料中产生涡流：
涡流方向垂直于磁感应强度方向。类匀强涡流传感器检测是基于电流连续原理，即
如果检测试件没有缺陷，这时磁感应强度平行于试件，由于检测线圈只检测垂直于试件表面的磁感应强度，检测线圈中不会产生感应电压信号。如果检测试件表面或近表面有裂纹，破坏了材料的连续性，裂纹处的电导率由仃变为零，这时裂纹附近的涡流分布会发生改变，裂纹上磁感应强度也会发生变化，会产生垂直方向的磁通‰，从而使检测线圈中会产生感应电压：
其中，J7v为检测线圈的匝数。
当涡流传感器扫描一个裂纹时(裂纹垂直于涡流)，检测线圈中产生的缺陷信号如图4所示。当检测线圈正好进入裂纹边缘时，缺陷信号得到最大值，而当检测线圈正好离开裂纹另一边缘时，缺陷信号得到最小值。两个峰值之间的距离约为裂纹的长度，峰值的大小与裂纹的深度有关，裂纹深度越大，峰值越大。
本文中研制了一种小型专用类匀强涡流探头，探头尺寸为lOmm×lOmm x lOmm，和内窥探头集成在一起后，可以从发动机预留的检测孔伸人到叶片位置进行叶片的检测。
2检测实例
2.1检测试件的制作
为了达到最佳的检测效果，选择了一块某型航空发动机报废叶片(叶片尖上有穿孔)，在上面采用电火花加工了两个人工缺陷，作为检测试件，如图5所示。两个人工缺陷大小分别为：5nwn×lmm×0.5mm(长度x宽度×深度)和lOmm×lmm×lmm。将检测试件安装到航空发动机上，然后再进行原位检测。
2.2检测结果
研制的内窥涡流集成化探头从航空发动机预留的检测孔伸入到叶片位置进行检测，从内窥图像中可以观测到裂纹缺陷(如图6所示)，然后使探头在这个部位的附近扫描，从涡流传感器检测信号中可进一步得到裂纹缺陷的长度和深度信息，如图7所示。可以看出缺陷1的长度约为5mm，缺陷2的长度约为lOrran，缺陷2的深度大于缺陷l的深度。如果通过一系列不同深度的缺陷，把检测信号幅度的峰值与缺陷的深度之间的关系用一个曲线表示出来，则可以根据检测信号幅度的峰值得到缺陷的深度。
3结论
内窥涡流集成化检测结合了内窥和涡流检测的优点，实现了对航空发动机叶片的原位检测，可以对裂纹缺陷进行定量评估。该方法也可用于航空发动机内部像轮盘等部位的原位无损检测。与单一的内窥检测方式相比，内窥涡流集成化检测更具有实际应用价值。
