CN105674886B - 一种核燃料芯块端面尺寸测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核燃料芯块端面尺寸测量方法及其装置，所述方法包括以下步骤：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；c、图像预处理；d、图像分段拟合；e、像素尺寸定标；f、将待测芯块端面各部位的像素个数与像素尺寸标定值相乘获得测量数值。本发明方法具有无需移动芯块即可实现芯块端面尺寸测量，减小测量过程中的人为误差影响。采用亚像素定位方法，获得亚像素细分的图像，能够提高相机拍摄的精度，减小像素定位误差。本发明装置具有结构简单，操作方便，定位准确，适用范围广，有利于提高测量精度等优点。

Description

一种核燃料芯块端面尺寸测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种核燃料芯块几何尺寸测量技术，尤其是一种核燃料芯块端面尺寸测量方法及其装置。

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，核燃料芯块的几何尺寸和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的碟形凹陷部的深度以及倒角的宽、高进行测量。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。

为此，发明人曾申请了“一种圆柱体工件多参数同步检测装置”，其授权公告号为：CN101660897B，该装置能够实现高效、快速的对圆柱体工件的直径、高度、质量及几何密度的进行测量。但是，由于如图1所述的二氧化铀芯块的两端具有倒角以及碟型凹陷部。上述“一种圆柱体工件多参数同步检测装置”无法完成对该二氧化铀芯块两端的倒角尺寸特别是碟型凹陷部的尺寸进行测量，进而无法准确的获取芯块的几何密度。

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端面倒角尺寸以及碟型凹陷部尺寸的核燃料芯块端面尺寸测量方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种核燃料芯块端面尺寸测量方法，其特征在于，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。

作为优化，所述步骤b中还包括对采集的图像进行光谱过滤。这样，能够对光谱进行过滤，防止其他波长的光线对采样结果进行干扰，有利于提高图像的采集精度，从而提高检测精度。

一种核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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。

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。

作为优化，所述测量平台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。

作为优化，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。

作为优化，还包括竖直设置的升降机构，所述测量平台安装在所述升降机构的顶部，且能在升降机构的作用下上下移动。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。

作为优化，所述测量平台的底部水平设置有导轨，所述导轨平行于所述激光器的光源在水平面上的投影线；所述测量平台能够沿所述导轨水平移动。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。

综上所述，本发明方法具有以下优点：

1、采用上述测量方法，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、通过对图像的亚像素细分，能够提高相机拍摄的精度，减小像素定位误差，提高测量精度。

本发明装置具有结构简单稳定，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为软件系统的功能模块图。

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3所示，一种核燃料芯块端面尺寸测量装置，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。

所述一种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。

所述计算机测控装置4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。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。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 (9)

1.一种核燃料芯块端面尺寸测量方法，其特征在于，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。

2.如权利要求1所述的核燃料芯块端面尺寸测量方法，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。

3.如权利要求1所述的核燃料芯块端面尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤b中还包括对采集的图像进行光谱过滤。

4.一种核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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）的镜头的中心线相对于所述测量平台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相对于所述测量平台的倾斜角；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。

5.如权利要求4所述的核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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。

6.如权利要求4所述的核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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。

7.如权利要求6所述的核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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。

8.如权利要求4所述的核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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。

9.如权利要求4所述的核燃料芯块端面尺寸测量装置，其特征在于，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。