CN105571983B - 一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统，所述方法包括如下步骤，先通过天平获取待测芯块的质量，再测量待测芯块的外形尺寸，通过待测芯块的外形尺寸计算待测芯块的体积，然后用质量除以体积得到待测芯块的密度；所述测量待测芯块的外形尺寸的步骤中还包括测量待测芯块的直径和高度。本发明方法具有测量精度高，测量速度快等优点。本发明系统具有结构简单稳定，操作方便，抗扰动能力强，易于维护；定位准确，检测精度高，重复性好，适用范围广，有利于提高测量精度等优点。

Description

一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种核燃料芯块的密度测量技术，尤其是一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统。

背景技术

当前，能源短缺与环境污染是制约国民经济进一步发展的重要因素。核电是一种经济、清洁、安全、可靠的新能源，在环境污染问题和能源危机问题越来越严重的背景下，核电即将迎来发展新高峰。核电发展的重要制约因素是安全问题，核燃料芯块的参数控制在安全防护中处于核心地位。

目前，国内外核电站广泛采用二氧化铀芯块作为核燃料元件，为保证反应堆安全运行，对核燃料元件制定了非常严格的质量指标。在诸多质量指标中，芯块的高度、直径、几何密度等参数占有非常重要的地位。这是因为，核燃料芯块的几何尺寸决定芯块和包壳管的结合状态，包壳和芯体的间隙以及芯棒在包壳中的位置对称性，将影响核燃料的导热和径向温度的分布以及辐照效应，同时，核燃料芯块的几何密度是影响热导率、反应性和抗震性至关重要的因素。芯块的几何尺寸对于核反应堆燃烧的安全和效率至关重要：直径过大，燃烧时芯块会挤破包壳管的管壁。芯块和包壳管的变形会极大减少核燃料的寿命，影响核反应效率和安全性。为了缓解这些PCI作用，改进芯块端部几何设计的相关研究已经广泛开展，常见的一种二氧化铀芯块的外形如图1所示，二氧化铀芯块整体呈圆柱状，其两端的端面具有倒角，且每个端面上还具有同轴设置的碟型凹陷部；芯块两端面的碟形凹陷部可以补偿中心部轴向辐照膨胀，而倒角可以补偿端部的径向辐照膨胀；但碟形凹陷部和倒角的尺寸需保持在一个合适的范围内，才能精确的补偿轴向和径向膨胀。所以，为了控制反应堆的传热和反应性以及便于更换元件，核燃料芯块的几何密度必须控制在设计标准内。

在目前核燃料芯块生产现场中，一般采用接触式测量的方式对芯块进行测量。该方式主要存在一下问题：1、接触测量中机械作用是绝对存在的，因而测量仪器或被测对象可能在测量过程中产生机械形变，在绝对测量时产生的误差较大，甚至可能划伤被测对象表面。2、接触式时测量仪器对于操作者的要求比较高，测量人员引入的人为误差较大。3、测量工位较多，测量效率低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种测量精度高，测量速度较快的能够检测核燃料芯块外形尺寸以及质量，并计算核燃料芯块密度的核燃料芯块密度测量方法及其系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种核燃料芯块几何密度测量方法，包括如下步骤，获取待测芯块的质量，测量待测芯块的外形尺寸，通过待测芯块的外形尺寸计算待测芯块的体积，最后用质量除以体积得到待测芯块的密度；其特征在于，所述测量待测芯块的外形尺寸的步骤中还包括测量待测芯块的直径和高度以及测量待测芯块的端面尺寸；所述测量待测芯块的直径和高度包括以下步骤：

1）将待测芯块竖直放置，采用均一平行光水平照射到待测芯块上，再采用二维面阵CMOS传感器获取待测芯块被照射的正投影图像；

2）对二维面阵CMOS传感器获取的正投影图像进行图像边缘检测，提取待测芯块的二维轮廓，并进行倾斜校正，在测量区域沿高度方向提取多个直径的像素参数和沿宽度方向提取多个高度的像素参数；

3）将提取的多个直径的像素参数和提取的多个高度的像素参数均取平均值，然后分别与二维面阵CMOS传感器的标定参数相乘，计算获得待测芯块的直径和高度尺寸；

所述测量待测芯块的端面尺寸包括以下步骤：

a、将待测芯块竖直放置，采用线激光垂直照射待测芯块的上端面，所述线激光落在待测芯块的上端面的投影线通过上端面的圆心；

b、图像采集；利用相机沿斜向下方采集所述线激光落在待测芯块的上端面的投影线的图像；

c、图像预处理；将采集到的图像进行预处理，所述预处理包括去噪、有效区域提取以及二值化；

d、图像分段拟合；将预处理后的图像进行分段拟合，所述分段拟合包括直线拟合和圆弧拟合；

e、像素尺寸定标；测定水平方向的实际尺寸Dx与对应的像素点个数Nx之间的比例dx；测定竖直方向的实际尺寸Dy与对应的像素点个数Ny之间的比例dy；

f、获得测量数值；将待测芯块端面的倒角高度方向的像素点个数以及碟型凹陷部深度方向的像素点个数分别与dy相乘，分别得到倒角高度以及碟型凹陷部的深度；将待测芯块端面的倒角宽度的像素点个数以及碟型凹陷部直径方向的像素点个数分别与dx相乘，得到倒角宽度以及碟型凹陷部的直径。

采用上述方法对待测芯块端面进行测量，可以一次采集到包含待测芯块端面的全部尺寸信息的图像，通过对图像进行预处理和分段拟合，可以检测出待测芯块端面各个分段尺寸所占的像素点个数，通过像素尺寸定标，即可计算出待测芯块端面尺寸的实际测量值。无需移动待测芯块即可实现待测芯块端面尺寸的测量，测量速度快，减小测量过程中的人为误差影响，提高测量精度。采用上述测量方法对待测芯块的直径和高度进行测量时，可以通过二维面阵CMOS传感器一次捕获待测芯块全部被测尺寸信息，包括多点高度、多点直径在内的尺寸信息可以同时快速完成测量，并且可以进行基于二维图像的多点测量和各种类型的补偿和校准。测量的速度快，测量精度高。

作为优化，所述步骤1）中采用两束相互垂直的均一平行光水平照射到待测芯块上，并分别采用一个二维面阵CMOS传感器获取待测芯块被照射的正投影图像。

采用上述测量方法，能够从两个方向上测量待测芯块的直径，将检测到的两个方向上的直径参数取平均值，可以避免待测芯块的圆柱度对测量结果产生影响，有利于提高检测的精度。

作为优化，所述步骤b中还包括对图像的亚像素细分；图像采集过程中，相机成像单元在其自身平面的X方向和Y方向分别进行多次微距位移，并将每次位移后采集的图像进行组合，获得亚像素细分的图像。

一种核燃料芯块几何密度测量系统，其特征在于，包括质量测量模块，直径与高度测量模块以及端面尺寸测量装置，所述质量测量模块以及直径与高度测量模块均连接到所述端面尺寸测量装置，所述端面尺寸测量装置包括水平设置的用于沿竖直方向定位待测芯块的测量平台；所述测量平台的上方竖直朝下设置有能够产生呈“一”字线激光的激光器，所述激光器所发射的激光在待测芯块的上端面的投影线能够过定位后的待测芯块的上端面的圆心；还包括图像采集装置，所述图像采集装置包括一个相机以及用于处理所述相机拍摄图像的图像处理模块，所述相机位于所述测量平台的上方，所述相机的镜头的中心线斜向下方且垂直于所述激光器所发射的激光在待测芯块的上端面的投影线；所述相机的倾斜角大于待测芯块的碟型凹陷部的底部中点与其边缘上的任一点的连线的倾斜角；所述图像处理模块连接到一个计算机测控装置，所述计算机测控装置包括数据处理模块以及显示器，所述数据处理模块用于将接收的数据进行转换计算出测量值，并显示在所述显示器上；所述直径与高度测量模块包括至少一组竖直正对安装的面光源和二维面阵CMOS传感器；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的长度均大于待测芯块的直径；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的高度均大于待测芯块的高度；所述二维面阵CMOS传感器连接到所述计算机测控装置。

使用时，将待测芯块竖直放置在测量平台上，启动激光器发射激光，照射在待测芯块的上端面上，并使激光在待测芯块上端面的投影线通过上端面的圆心，通过相机对待测芯块的上端面上的投影线进行拍照采样，并将采样照片送入图像处理模块进行处理，图像处理模块将处理后的图像送入数据处理模块中，数据处理模块对其进行数据转换，并得出待测芯块端面尺寸，显示在显示器上。所述相机的倾斜角大于待测芯块的碟型凹陷部的底部中点与其边缘上的一点边缘上的任一点的连线的倾斜角，这样，可以保证相机能够拍摄到包含碟型凹陷部的底部中点的图像，便于检测碟型凹陷部的深度。通过上述装置，可以实现对待测芯块的端面尺寸的快速测量，包括待测芯块的倒角尺寸以及碟型凹陷部尺寸。上述装置结构简单，操作方便。图像以及数据均能够自动处理，处理速度快；测量过程中，人为干扰因素少，测量精度高。同时，采用面光源和二维面阵CMOS传感器测量芯块直径和高度，可以一次捕获待测芯块外部轮廓的全部待测尺寸信息，无需移动芯块和测量装置即可实现芯块直径、高度的多点测量，并且可以进行基于二维图像的多点测量和各种类型的补偿和校准，减小测量过程中的人为误差影响，提高测量精度。所述面光源和二维面阵CMOS传感器的长度均大于待测芯块的直径；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的高度均大于待测芯块的高度。这样，可以保证获取到完整的待测芯块外部轮廓。

作为优化，所述质量测量模块为电子天平，所述电子天平连接到所述数据处理模块。

作为优化，所述面光源和所述二维面阵CMOS传感器分别位于所述电子天平的两侧，且所述面光源的下端和所述二维面阵CMOS传感器的下端均与所述电子天平的上表面的高度相匹配，使所述电子天平的上表面沿水平方向的投影能够落到所述二维面阵CMOS传感器上。

这样，可以在测量待测芯块质量的同时测量出待测芯块的直径和高度。避免对待测芯块的频繁移动，提高检测效率。所述面光源和二维面阵CMOS传感器的下端均与电子天平的上表面的高度相匹配。这样，测量时，可以保证猜测芯块的上端和下端的投影均在二维面阵CMOS传感器上，提高检测结果的准确性。

作为优化，所述面光源和所述二维面阵CMOS传感器设置有两组，两个所述面光源所发出的光线相互垂直。这样，可以从相互垂直的两个方向对待测芯块的直径进行测量，避免待测芯块的圆柱度影响待测芯块的直径测量结果，有利于提高测量的精度。

综上所述，本发明方法具有以下优点：

1、采用结构光视觉测量方法测量芯块直径和高度，可以一次捕获待测芯块全部尺寸信息，无需移动芯块即可实现芯块轮廓各尺寸测量，减小测量过程中的人为误差影响。采用上述芯块端面尺寸的测量方法，能够一次性获取待测芯块端面的所有尺寸信息，无需移动待测芯块即可实现对待测芯块端面尺寸的测量，测量速度快，减小测量过程中的人为误差影响，提高测量精度。

2、采用本方法进行测量，可以沿高度方向获取多组待测芯块的直径的像素参数和沿宽度方向的多组待测芯块的高度的像素参数；通过对获取的参数进行加权处理，能够减小测量的误差，提高测量精度。

3、采用本方法进行测量，可以从相互垂直的两个方向对待测芯块的直径进行测量，避免待测芯块的圆柱度影响待测芯块的直径测量结果，有利于提高测量的精度。

4、本发明方法确保对异形结构和形状的芯块准确测量，测量精度高，测量速度快。

5、本方法为非接触式测量，能够避免测量过程中对待测芯块的表面造成二次损伤。

本发明系统具有结构简单稳定，操作方便，抗扰动能力强，易于维护；定位准确，检测精度高，重复性好，适用范围广，有利于提高测量精度等优点。

附图说明

图1为核燃料芯块的结构示意图。

图2为核燃料芯块端面尺寸测量装置的结构示意图。

图3为质量测量模块和直径与高度测量模块部分的结构示意图。

图4为软件系统中芯块端面尺寸测量部分的功能模块图。

图5为软件系统中芯块的高度、直径以及密度测量部分的功能模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1~图5所示，一种核燃料芯块几何密度测量系统，包括质量测量模块91以及直径与高度测量模块92，所述直径与高度测量模块92包括至少一组竖直正对安装的面光源和二维面阵CMOS传感器；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的长度均大于待测芯块的直径；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的高度均大于待测芯块的高度；所述二维面阵CMOS传感器连接到一个计算机测控装置4，所述计算机测控装置4包括数据处理模块以及显示器，所述数据处理模块用于将接收的数据进行转换计算出测量值，并显示在所述显示器上。

使用时，将待测芯块竖直放置在面光源和二维面阵CMOS传感器之间，由面光源发射一束高亮度均一平行光，照射到待测芯块上，在二维面阵CMOS传感器上准确形成目标投影图。对二维面阵CMOS传感器上成像的投影进行亚像素处理，准确提取出待测芯块的二维轮廓。得到被测尺寸的二维投影后，根据二维面阵CMOS传感器标定参数和远心光学系统的放大倍数，即可得到被测尺寸准确值。这样，采用面光源和二维面阵CMOS传感器测量芯块直径和高度，采用上述测量方法和系统，可以一次捕获待测芯块外部轮廓的全部待测尺寸信息，无需移动芯块和测量装置即可实现芯块直径、高度的多点测量，并且可以进行基于二维图像的多点测量和各种类型的补偿和校准，减小测量过程中的人为误差影响，提高测量精度；具体来说，可以沿高度方向获取多组待测芯块的直径的像素参数和沿宽度方向的多组待测芯块的高度的像素参数；通过对获取的参数进行加权处理，能够减小测量的误差，提高测量精度。所述面光源和二维面阵CMOS传感器的长度均大于待测芯块的直径；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的高度均大于待测芯块的高度。这样，可以保证获取到完整的待测芯块外部轮廓。

其中，核燃料芯块几何密度测量系统还包括端面尺寸测量装置，所述端面尺寸测量装置包括水平设置的用于沿竖直方向定位待测芯块的测量平台1；所述测量平台1的上方竖直朝下设置有能够产生呈“一”字线激光的激光器2，所述激光器2所发射的激光在待测芯块的上端面的投影线能够过定位后的待测芯块的上端面的圆心；还包括图像采集装置3，所述图像采集装置3包括一个相机31以及用于处理所述相机31拍摄图像的图像处理模块，所述相机31位于所述测量平台1的上方，所述相机的镜头的中心线斜向下方且垂直于所述激光器2所发射的激光在待测芯块的上端面的投影线；所述相机31的倾斜角大于待测芯块的碟型凹陷部的底部中点与其边缘上的任一点的连线的倾斜角；所述图像处理模块连接到一个计算机测控装置4，所述计算机测控装置4包括数据处理模块以及显示器，所述数据处理模块用于将接收的数据进行转换计算出测量值，并显示在所述显示器上。

使用时，将待测芯块竖直放置在测量平台上，启动激光器发射激光，照射在待测芯块的上端面上，并使激光在待测芯块上端面的投影线通过上端面的圆心，通过相机对待测芯块的上端面上的投影线进行拍照采样，并将采样照片送入图像处理模块进行处理，图像处理模块将处理后的图像送入数据处理模块中，数据处理模块对其进行数据转换，并得出待测芯块端面尺寸，显示在显示器上。所述相机的倾斜角大于待测芯块的碟型凹陷部的底部中点与其边缘上的一点边缘上的任一点的连线的倾斜角，这样，可以保证相机能够拍摄到包含碟型凹陷部的底部中点的图像，便于检测碟型凹陷部的深度。通过上述装置，可以实现对待测芯块的端面尺寸的快速测量，包括待测芯块的倒角尺寸以及碟型凹陷部尺寸。上述装置结构简单，操作方便。图像以及数据均能够自动处理，处理速度快；测量过程中，人为干扰因素少，测量精度高。

具体实施时，待测芯块的碟形凹陷部的底部可能具有突起的钢印等标签，为准确测量碟形凹陷部的深度，使用算法优化去掉碟形凹陷部的底部凸起部对碟形凹陷部的深度的影响。具体可以采用邻域法，采用碟形凹陷部的底部凸起部附近区域的像素点位置进行插值，拟合出凸起部的像素点位置。

其中，所述相机31上安装有远心镜头33，所述远心镜头33内具有带通滤光片。这样，采用远心镜头可以实现焦距的调节、视场的调节以及放大倍率的调节，避免采集的图像失真，有利于提高图像采集精度。带通滤光片可以实现光谱的过滤，避免其他波长的光线对图像采集的干扰，提高图像采集精度。

具体实施时，所述激光器2采用精密结构光线激光器，所述相机31采用高像素CCD相机，获得亚像素细分的图像，将测量精度提高。所述远心镜头33采用内置窄带滤光片的高分辨率远心镜头。

所述图像处理模块采用专用高速图像采集卡，该采集卡内嵌FPGA单元，可以对采集卡FPGA单元的内部程序进行二次开发，添加提高图像对比度、调节增益等算法程序，进行算法效果、稳定性实验，在FPGA内部进行的预处理操作处理效果好，速度快，为后续图像处理节约了大量时间。

其中，所述测量平台1包括安装在其上表面的定位块，所述定位块的侧面上具有由上而下贯通设置的V型槽；所述测量平台1位于所述定位块的V型槽正对的位置安装有一个支撑座，所述支撑座与所述定位块之间形成可供待测芯块竖直放置的空间；所述支撑座上具有一个能够沿水平方向朝所述V型槽伸出的抵柱，所述抵柱到所述测量平台1的上表面的距离小于所述定位块的高度。

使用时，将待测芯块竖直放置在支撑座与定位块之间，然后将抵柱朝向V型槽伸出，压在待测芯块上，使待测芯块固定在V型槽中。上述结构简单稳定、操作方便、抗扰动能力强，容易维护。采用上述结构定位待测芯块的定位精度高，装夹定位速度快。

其中，所述支撑座上具有一个正对所述定位块的V型槽设置的螺纹孔，所述抵柱外表面上具有与所述支撑座的螺纹孔相配合的螺纹，所述抵柱配合安装在所述支撑座的螺纹孔内。采用上述结构，使支撑座与抵柱之间的连接结构简单，操作方便。

其中，还包括竖直设置的升降机构5，所述测量平台1安装在所述升降机构5的顶部，且能在升降机构5的作用下上下移动。这样，对于不同高度的待测芯块，可以将待测芯块的上端面调整到同一水平面上，便于图像采集装置对上端面的投影进行拍照采集。这样，可以保持相机的倾斜角不变，减少测量系统的像素尺寸定标的次数，提高检测效率，以及提高系统的适用范围。

其中，所述测量平台1的底部还水平设置有导轨6，所述导轨6平行于所述激光器2的光源在水平面上的投影线；所述测量平台1能够沿所述导轨6水平移动。这样，对于不同直径的待测芯块，可以将待测芯块的上端面的圆心调整到相机镜头的中心位置，有利于提高测量精度，提高系统的适用范围。

具体实施时，所述端面尺寸测量装置还包括水平设置的整体呈矩形的底板，所述底板的底部设有三个水平调节螺母，水平调节螺母用于支撑底板并调节底板使其水平。所述底板上设有所述升降机构5和导轨6，所述升降机构5通过导轨6安装在底板上；所述升降机构5和底板之间还连接有与所述导轨6平行设置的丝杠与螺母机构，所述丝杠与螺母机构的丝杠可转动的安装在底板上，螺母固定安装在所述升降机构上；所述丝杠与螺母机构的丝杠端部同轴连接有一个步进电机。工作时，步进电机带动丝杠旋转驱动升降机构5沿导轨6在底板上水平移动。所述升降机构5内设置有用于升降所述测量平台1的步进电机。

待测芯块竖直放置在所述支撑座与所述定位块之间，调节抵柱朝向待测芯块伸出，并将待测芯块压在支撑座的V型槽中，启动所述激光器2从上往下照射待测芯块的上端面上，使激光照射再待测芯块的上端面的投影线通过待测芯块的上端面的圆心；调节升降机构5，使激光照射再待测芯块的上端面的投影线位于所述相机2的镜头中部；沿导轨6水平调节测量平台1，使待测芯块的上端面的圆心位于所述相机2的镜头的中心；所述相机2通过安装的远心镜头33和带通滤光片进行焦距调节、视场调节、放大倍率调节和光谱过滤后对待测芯块的上端面进行拍照，并将拍摄的图像传送到所述图像处理模块中，图像处理模块对采集的图像进行预处理，包括去噪、有效区域提取以及二值化；然后对预处理后的图像进行分段拟合，包括直线拟合和圆弧拟合；图像处理模块将处理后的数据传输到所述数据处理模块，所述数据处理模块将接收到的数据进行计算处理，得到待测芯块端面的倒角的宽度w(mm)和高度h(mm)以及碟型凹陷部的深度k(mm)与直径d(mm)。所述数据处理模块将所有接受到的数据以及计算的数据均存储到数据存储模块中，便于系统随时调取使用。数据处理模块对测量的数据进行计算。

所述核燃料芯块端面尺寸测量装置还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括步进电机控制模块，激光器供电模块，CCD相机供电模块，集中为各测量模块提供电气控制功能。

其中，所述面光源和所述二维面阵CMOS传感器分别位于所述电子天平的两侧，且所述面光源的下端和所述二维面阵CMOS传感器的下端均与所述电子天平的上表面的高度相匹配，使所述电子天平的上表面沿水平方向的投影能够落到所述二维面阵CMOS传感器上。

这样，将待测芯块竖直放在电子天平的中部时，就可以同时完成待测芯块的直径和高度测量以及待测芯块的质量测量；减少待测芯块的移动，提高检测精度；避免对待测芯块的频繁移动，提高检测效率。所述面光源和二维面阵CMOS传感器的下端均与电子天平的上表面的高度相匹配。这样，测量时，可以保证猜测芯块的上端和下端的投影均在二维面阵CMOS传感器上，提高检测结果的准确性。

其中，所述面光源和所述二维面阵CMOS传感器设置有两组，两个所述面光源所发出的光线相互垂直。这样，可以从相互垂直的两个方向对待测芯块的直径进行测量，避免待测芯块的圆柱度影响待测芯块的直径测量结果，有利于提高测量的精度。设置两组面光源和二维面阵CMOS传感器在同一平面内成90°交叉安装，分别从正交的两个方向上测量芯块的直径和高度，每组面光源和二维面阵CMOS传感器均获取20个直径参数以及高度参数，处理得到直径和高度的数值，取直径平均值和高度平均值作为最终测量值，提高尺寸测量精度。相比单方向测量，直径和高度的采样个数增多一倍，有效提高尺寸测量精度，可得到更加准确的直径最大值，减小芯块不圆度造成的直径最大值测量误差。

为保证测量精度，所述直径与高度测量模块92安装时，需保证每一组面光源和二维面阵CMOS传感器的平行误差与倾斜误差在要求范围内，同时保证两组面光源和二维面阵CMOS传感器处于同一高度的装配基准面，以减小两方向高度测量误差。具体安装时，在电子天平的四周安装两组立柱，每组立柱包括连线通过电子天平的中心的两根立柱，将面光源和二维面阵CMOS传感器分别安装在四根立柱中连线过电子天平的中心。

为提高测量速度，直径与高度测量模块92还集成有两个专用芯片，一个是双核高速演算CPU（HT处理器），另一个是图像处理DSP。在DSP中实现图像预处理、轮廓搜索、补偿校正、边缘检测等图像处理功能，在演算CPU中根据获得的轮廓提取对应尺寸的像素值，并根据传感器标定参数和光学系统放大倍数计算对应尺寸的测量值，简化了计算机测控装置上软件的处理复杂度，配合传感器进行高速采样，可以实现最快采样触发间隔33ms，考虑到直径与高度测量模块92与计算机测控装置数据通讯的时间，采样速度也超过30块/min，远远超过实际芯块生产中对测量速度的要求。

具体实施时，由于光透过式测量方法要求光源辐出亮度高，光线均匀且稳定，受外界环境干扰小。面光源选择高亮度铟镓氮(InGaN)绿色LED作为系统光源，可以实现较强的发光亮度。铟镓氮(InGaN)绿色LED光源具有“光强度均匀”、“高度抗噪音”、“对人眼安全”三大特点。铟镓氮绿色LED发射器近似是一个点光源，出射光具有较强会聚性，光束直径较小，根据光透过式测量原理，需要通过发射端光学系统将其变为一组均匀平行光照射在物体上，光束直径应大于最大被测尺寸。LED光源的出射光首先经过一个漫射装置(HUD单元)，窄直径光束变为一束均匀漫射光，照射到反射镜上；利用一个反射镜和一个聚光镜头组成准直光路系统，反射镜位于聚光镜头的焦平面上，通过调整漫射装置可以实现对出射光束直径的调节，调节漫射装置使出射光束覆盖整个被测区域。测量系统在接收端采用远心光学镜头。远心光学镜头只捕获祝主光线平行于镜头主轴的光锥，即所有入射光锥的主光线都平行于镜头主轴，如同光线来自于无限远处。远心光学镜头可以保证物体在景深范围内移动时光路放大的恒常性。

其中，所述质量测量模块91为电子天平，所述电子天平连接到所述数据处理模块。使用电子天平对待测芯块进行质量测量时，将待测芯块放到天平托盘上，原本处于受力平衡(重力与电磁力平衡)的托盘发生移动，经过天平托盘底部的位移检测器检测线圈的瞬间位移，由电子天平控制器改变线圈中的电流从而改变线圈的电磁力对位移进行补偿，使托盘重新回到平衡状态，此时检测线圈内电流的变化，通过标定对应关系即可求得待测芯块重量。测得的芯块质量数据值通过RS232C串口传送给计算机测控装置4进行芯块密度计算。

为减少外界环境扰动对电子天平质量测量的影响，在测量平台外安装防护箱体，采用厚金属板结构，两侧安装透明玻璃门，将测量区与外界环境分隔开，防止外界因素(如灰尘、日光和空气气流等)的影响。左右两侧玻璃门为推拉式，便于对仪器内部进行清洁工作，同时方便操作人员取出误掉到平台两侧的芯块。

所述电子天平的托盘上固定一个底座和套环，底座上方设置有一凸起的圆柱体，所述套环可拆卸地套设在圆柱体上。在天平启动之前，先将套环取下，等天平初始化完成之后再将套环放上。然后，进行天平清零除皮操作，之后便可进行尺寸和质量的测量工作。底座的定位平面采用镜面处理，以保证定位平面的平整性和测量的精度。套环起到限制被测工件移动范围的作用。因为定位平面比较大，每次放入的芯块必须确保在一定的测量范围之内。否则，有可能会超出高度、直径模块的测量区域，或者会使芯块高度、直径的测量产生一定的误差，影响测量精度。

具体实施时，所述计算机测控装置4还包括通讯接口、网络接口、数据存储模块以及打印机。操作时，将待测芯块竖直放到电磁天平的托盘上，位于直径与高度测量模块92的面光源和二维面阵CMOS传感器之间，启动面光源对待测芯块进行照射并投影到二维面阵CMOS传感器上；二维面阵CMOS传感器获取的正投影图像进行图像边缘检测，提取待测芯块的二维轮廓，并进行倾斜校正，在测量区域提取直径的像素参数和高度的像素参数；二维面阵CMOS传感器将处理后的数据传输到所述数据处理模块，所述数据处理模块将接收到的数据进行计算处理，得到待测芯块的直径D(mm)和高度H(mm)，并将测试结果储存到数据存储模块中。同时，电磁天平检测到待测芯块的质量m(g)，并将测试结果储存到数据存储模块中。数据处理模块对测量的数据进行计算，分别计算待测芯块倒角部分的体积v1，碟型凹陷部的体积v2以及待测芯块的体积V；待测芯块倒角部分的体积v1可以先通过倒角的宽度w(mm)和高度h(mm)求出三角形截面的面积，再沿圆周进行积分求得。从数据存储模块中调取待测芯块端面的倒角的宽度w(mm)和高度h(mm)以及碟型凹陷部的深度k(mm)与直径d(mm)，通过球缺的体积公式计算碟型凹陷部的体积v2，具体为：[πk(3(d/2)^2+k^2)]/6求得。待测芯块的体积为V=(πD^2)/4*H-2*v1-2*v2；式中*均表示乘号；待测芯块的密度为ρ=m/V。

所述核燃料芯块几何密度测量系统还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括面光源供电模块，二维面阵CMOS传感器供电模块，集中为各测量模块提供电气控制功能。

所述计算机测控装置还集成有测试软件系统，软件系统采用C/S结构模式，结合数字图像处理技术、曲线分段拟合算法、串口通信技术、多线程技术、ADO组件技术、网络通讯技术、数据库技术等实现了多种图像采集模式（实时显示、拍照、直接测量）、机械导轨运动控制、系统设置等多项实用功能。软件系统包括测量算法模块、系统管理模块和运动控制模块三部分；测量算法模块对获取到的图像依次进行图像预处理（包括图像剪裁、二值化、滤波、细化、模式匹配、分段拟合、图像管理和迭代等）、轮廓分段拟合算法、像素尺寸定标，计算得到芯块轮廓的实际尺寸；系统管理模块根据车间生产实际要求设计软件框架，包括测量模块、查询模块、报表中心模块、系统管理模块、环境设置模块。

测量模块控制测量传感器进行测量并读取测量值进行处理，得到几何密度相关参数最终测量值并存储在数据库中；查询模块实现对测量数据按要求查询；报表中心模块根据用户需求自动生成对应报表；系统管理模块实现对用户信息、用户权限等的管理；环境设置模块用于设计系统工作环境等信息，从而实现了数据存储、数据交互、数据查询、数据报表、数据导出、用户登录和权限管理等，完成测量过程的流程化。运动控制模块包括水平运动导轨步进电机的正反转控制、原点复位及限位等部分。通过对Visual C++6.0 提供了开发用 Lib 库及头文件和模块声名文件进行兼容性升级，得到Visual Studio平台的工程，通过编写上位机软件调用驱动接口可以实现对运动电机的精准控制。整个软件系统实现了芯块尺寸的实时测量和显示、实时超差报警及测量数据的同步采集、数据查询、报表设计、远程存储及用户管理、权限和系统设置等功能。

本发明中的图像处理，包括图像二值化、滤波、模式匹配、图像管理和迭代等均为本领域的常规技术手段，本发明对现有技术的贡献在于，采用结构光视觉测量方法，一次完成核燃料芯块的外形尺寸，倒角尺寸以及碟型凹陷部的尺寸，避免测量过程中频繁移动核燃料芯块，提高了检测精度以及检测速度。同时提供了一种核燃料芯块密度测量系统，该系统能够实现对核燃料芯块的一键检测，提高了检测的速度，检测过程全部采用计算机程序控制，避免了人为误差，提高了检测精度。该系统还具备测量数据的同步采集、数据查询、报表设计、远程存储及用户管理、权限和系统设置等功能，便于数据的管理以及调取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种核燃料芯块几何密度测量方法，包括如下步骤，获取待测芯块的质量，测量待测芯块的外形尺寸，通过待测芯块的外形尺寸计算待测芯块的体积，最后用质量除以体积得到待测芯块的密度；其特征在于，所述测量待测芯块的外形尺寸的步骤中还包括测量待测芯块的直径和高度以及测量待测芯块的端面尺寸；所述测量待测芯块的直径和高度包括以下步骤：

1）将待测芯块竖直放置，采用均一平行光水平照射到待测芯块上，再采用二维面阵CMOS传感器获取待测芯块被照射的正投影图像；

2）对二维面阵CMOS传感器获取的正投影图像进行图像边缘检测，提取待测芯块的二维轮廓，并进行倾斜校正，在测量区域沿高度方向提取多个直径的像素参数和沿宽度方向提取多个高度的像素参数；

3）将提取的多个直径的像素参数和提取的多个高度的像素参数均取平均值，然后分别与二维面阵CMOS传感器的标定参数相乘，计算获得待测芯块的直径和高度尺寸；

所述测量待测芯块的端面尺寸包括以下步骤：

a、将待测芯块竖直放置，采用线激光垂直照射待测芯块的上端面，所述线激光落在待测芯块的上端面的投影线通过上端面的圆心；

b、图像采集；利用相机沿斜向下方采集所述线激光落在待测芯块的上端面的投影线的图像；

c、图像预处理；将采集到的图像进行预处理，所述预处理包括去噪、有效区域提取以及二值化；

d、图像分段拟合；将预处理后的图像进行分段拟合，所述分段拟合包括直线拟合和圆弧拟合；

e、像素尺寸定标；测定水平方向的实际尺寸Dx与对应的像素点个数Nx之间的比例dx；测定竖直方向的实际尺寸Dy与对应的像素点个数Ny之间的比例dy；

f、获得测量数值；将待测芯块端面的倒角高度方向的像素点个数以及碟型凹陷部深度方向的像素点个数分别与dy相乘，分别得到倒角高度以及碟型凹陷部的深度；将待测芯块端面的倒角宽度的像素点个数以及碟型凹陷部直径方向的像素点个数分别与dx相乘，得到倒角宽度以及碟型凹陷部的直径；

所述计算待测芯块的体积包括以下步骤：

先通过倒角的宽度w和高度h，单位均为mm，求出三角形截面的面积，再沿圆周进行积分求得待测芯块倒角部分的体积v1；根据碟型凹陷部的深度k与直径d，单位均为mm，通过球缺的体积公式[πk(3(d/2)^2+k^2)]/6计算碟型凹陷部的体积v2，待测芯块的体积为V=(πD^2)/4*H-2*v1-2*v2，其中，D和H分别为待测芯块的直径和高度。

2.如权利要求1所述的核燃料芯块几何密度测量方法，其特征在于，所述步骤1）中采用两束相互垂直的均一平行光水平照射到待测芯块上，并分别采用一个二维面阵CMOS传感器获取待测芯块被照射的正投影图像。

3.如权利要求1所述的核燃料芯块几何密度测量方法，其特征在于，所述步骤b中还包括对图像的亚像素细分；图像采集过程中，相机成像单元在其自身平面的X方向和Y方向分别进行多次微距位移，并将每次位移后采集的图像进行组合，获得亚像素细分的图像。

4.一种采用如权利要求1所述的核燃料芯块几何密度测量方法的核燃料芯块几何密度测量系统，其特征在于，包括质量测量模块（91），直径与高度测量模块（92）以及端面尺寸测量装置，所述质量测量模块（91）以及直径与高度测量模块（92）均连接到所述端面尺寸测量装置，所述端面尺寸测量装置包括水平设置的用于沿竖直方向定位待测芯块的测量平台（1）；所述测量平台（1）的上方竖直朝下设置有能够产生呈“一”字线激光的激光器（2），所述激光器（2）所发射的激光在待测芯块的上端面的投影线能够过定位后的待测芯块的上端面的圆心；还包括图像采集装置（3），所述图像采集装置（3）包括一个相机（31）以及用于处理所述相机（31）拍摄图像的图像处理模块，所述相机（31）位于所述测量平台（1）的上方，所述相机的镜头的中心线斜向下方且垂直于所述激光器（2）所发射的激光在待测芯块的上端面的投影线；所述相机（31）的倾斜角大于待测芯块的碟型凹陷部的底部中点与其边缘上的任一点的连线的倾斜角；所述图像处理模块连接到一个计算机测控装置（4），所述计算机测控装置（4）包括数据处理模块以及显示器，所述数据处理模块用于将接收的数据进行转换计算出测量值，并显示在所述显示器上；

所述直径与高度测量模块（92）包括至少一组竖直正对安装的面光源和二维面阵CMOS传感器；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的长度均大于待测芯块的直径；所述面光源和二维面阵CMOS传感器的高度均大于待测芯块的高度；所述二维面阵CMOS传感器连接到所述计算机测控装置（4）。

5.如权利要求4所述的核燃料芯块几何密度测量系统，其特征在于，所述质量测量模块（91）为电子天平，所述电子天平连接到所述数据处理模块。

6.如权利要求5所述的核燃料芯块几何密度测量系统，其特征在于，所述面光源和所述二维面阵CMOS传感器分别位于所述电子天平的两侧，且所述面光源的下端和所述二维面阵CMOS传感器的下端均与所述电子天平的上表面的高度相匹配，使所述电子天平的上表面沿水平方向的投影能够落到所述二维面阵CMOS传感器上。

7.如权利要求6所述的核燃料芯块几何密度测量系统，其特征在于，所述面光源和所述二维面阵CMOS传感器设置有两组，两个所述面光源所发出的光线相互垂直。