CN107421963A - 一种核燃料生坯裂纹检测装置及裂纹检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核燃料生坯裂纹检测装置，包括底座，底座上设有升降台；围绕升降台外侧，周向分布有若干立柱；立柱下端垂直固定在底座上；每个立柱上通过升降机构连接有一个水平支架；每个水平支架上安装有一个朝向升降台方向的摄像头，使得摄像头环绕升降台周向分布；所有摄像头的视角总和不小于360°；升降台正上方水平设有用于放置核燃料生坯的托盘，托盘通过悬挂装置悬挂在立柱上。本发明还提供了一种裂纹检测方法，先通过裂纹检测装置对生坯进行图像采集和视频采集，然后先根据视频预判是否存在裂纹，之后再利用图像识别技术，识别出裂纹位置以及裂纹大小。本发明具有检测效率高，统一检测标准，提高检测质量的优点。
Description
技术领域
本发明属于核工业以及机器视觉技术领域。
背景技术
随着化石能源的日益消耗，且随之而来的空气污染和温室效应等环境问题也愈演愈烈，各国都纷纷加大对新型清洁能源的发展，其中核能便是其中之一。
核燃料芯块作为核电制备的重要元件，其各项指标需要严格把控。核燃料生坯是核燃料芯块制备过程中形成的圆柱形元件。核燃料芯块由铀混合物粉末烧结而成。一般制备流程：将合乎要求的二氧化铀粉末及添加剂放入混合转筒中均匀混合，然后经压机压制成生坯。过程繁复，难免会产生裂纹。
目前针对核燃料生坯裂纹的检测基本靠人工肉眼识别，存在人工判别差异，漏检，效率低下，准确性差等缺点。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种核燃料生坯裂纹检测装置，解决现有技术中人工检测效率低、主观差异大、漏检以及准确性差的技术问题，能够提高检测效率，能够实现一次性360°无死角检测，消除主观差异，统一检测标准，提高检测质量。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种核燃料生坯裂纹检测装置，包括底座，底座上设有升降台；围绕升降台外侧，周向分布有若干立柱；立柱下端垂直固定在底座上；每个立柱上通过升降机构连接有一个水平支架；每个水平支架上安装有一个朝向升降台方向的摄像头，使得摄像头环绕升降台周向分布；所有摄像头的水平拍摄视角总和不小于360°；所述升降台正上方水平设有用于放置核燃料生坯的托盘，托盘通过悬挂装置悬挂在立柱上。
优选的，所述立柱为4根，相邻立柱之间沿升降台周向分布的夹角为90°；每个摄像头的视角均大于90°。
本发明还提供了一种核燃料生坯的裂纹检测方法，该方法采用了本发明的核燃料生坯裂纹检测装置，包括以下步骤：
步骤1：将核燃料生坯放置在托盘中央；
步骤2：通过升降机构调节水平支架的高度，使得水平支架上的摄像头能够对准托盘上的核燃料生坯；
步骤3：调节摄像头的焦距，使得成像清晰；
步骤4：启动各个摄像头对核燃料生坯进行拍照，得到图像集合P＝{P1,...Pi,...,Pn}，其中，n为摄像头的个数，Pi为第i个摄像头所拍摄到的图像；
步骤5：在升降台上放置盛有丙酮溶液的透明容器，启动升降台，使得透明容器带着丙酮溶液不断上升，直到上升到将核燃料生坯完全浸没在丙酮溶液中；
步骤6：静置丙酮溶液，将各个摄像头的切换到录像模式，对丙酮溶液中的核燃料生坯进行视频录制，得到视频集合Q＝{Q1,...,Qi,...,Qn},其中，n为摄像头的个数，Qi为第i个摄像头所拍摄到的视频；
步骤7：将视频集合Q以及图像集合P传输到上位机中，首先逐帧观看视频集合Q中的每个视频，判断视频内容中是否存在产生气泡的画面；若否，表示核燃料生坯无裂纹；若有，则进入步骤8；
步骤8：将图像集合P中的各幅图像进行图像拼接，形成核燃料生坯圆柱面的二维展开图像I；
步骤9：采用裂纹识别算法对二维展开图像I中的裂纹进行识别，并在图像I上标记出裂纹所在区域。
优选的，所述裂纹识别算法包括以下步骤：
步骤901：对二维展开图像I进行二值化，然后进行图像增强，得到增强图像f(x,y)，增强图像f(x,y)是一幅M×N的图像；
步骤902：计算增强图像f(x,y)的均值u和标准差σ，分别按如下公式：
步骤903：设置控制界限为[u-kσ,u+kσ]，其中，k为图像控制因子，k∈{2,3,4}；
步骤904：遍历二维展开图像I中的像素点集合，将每一个像素点的灰度值与控制界限进行比较，若像素点落在控制界限内，则判断该像素点为背景点；若像素点落在控制界限外，则判断该像素点为裂纹点，裂纹点的集合形成裂纹，从而完成裂纹识别。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的核燃料生坯裂纹检测装置十分适用于圆柱形生坯裂纹的检测，通过设置多个摄像头对生坯进行拍摄，能够拍摄出覆盖整个生坯圆柱面的图像，从而能够对整个圆柱面上的裂纹进行检测，是实现一次性360°无死角检测的前提。
2、本发明在对生坯进行拍摄的过程中无需旋转生坯，通过静态拍摄的方式采集图像以及视频，与单个摄像头拍摄相比，在采集图像时，避免摄像头视角与生坯旋转角度之间的误差所引起的定位误差，提高检测质量；在采集视频时，避免丙酮溶液晃动对后期观察气泡的干扰。
3、本发明的裂纹检测方法先采集图像，后采集视频，能够避免先采集视频后丙酮溶液残留对生坯表面外观的影响。在利用图像进行裂纹识别之前，先通过视频对裂纹进行预判，首先判断是否存在裂纹，在存在有裂纹的情况下，再根据图像对裂纹进行识别，从而找到生坯上的裂纹；这样，能够大大提高裂纹检测的效率。
4、本发明所采用的裂纹识别算法简单、快速，对图像控制因子进行了科学选择，能够提高裂纹识别的准确性。
附图说明
图1是本具体实施方式中核燃料生坯裂纹检测装置的结构示意立体图；
图2是本具体实施方式中核燃料生坯裂纹检测装置的的平面俯视图；
图3是本具体实施方式中采用裂纹识别算法识别出的裂纹示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图2，一种核燃料生坯裂纹检测装置，包括上位机与底座1，底座1上设有升降台2；围绕升降台2外侧，周向分布有若干立柱3；立柱3下端垂直固定在底座1上；每个立柱3上通过升降机构9连接有一个水平支架8；每个水平支架8上安装有一个朝向升降台方向的摄像头6，使得摄像头6环绕升降台2周向分布；所有摄像头6的水平拍摄视角总和不小于360°；所述升降台2正上方水平设有用于放置核燃料生坯的托盘4，托盘4通过悬挂装置悬挂在立柱3上；还包括与摄像机通信连接的上位机，上位机用于根据摄像头采集的图像以及视频对核燃料生坯进行裂纹识别。
本发明的核燃料生坯裂纹检测装置十分适用于圆柱形生坯裂纹的检测，通过设置多个摄像头6对生坯进行拍摄，能够拍摄出覆盖整个生坯圆柱面的图像，从而能够对整个圆柱面上的裂纹进行检测，是实现一次性360°无死角检测的前提，并且所有摄像头6的视角总和不小于360°还能避免漏检。
本具体实施方式中，所述托盘4通过悬挂装置悬挂在立柱3上；托盘4正下方设有升降台2，升降台2下端固定在底座1上。托盘4悬挂在升降台2正上方，这样在利用本装置进行裂纹检测时，放置在升降台2上的透明容器7在上升过程中不会与托盘4发生运动干涉，使得裂纹检测能够顺利进行。
本具体实施方式中，所述立柱3为4根，相邻立柱之间沿升降台周向分布的夹角为90°；每个摄像头6的视角均大于90°。这样，相邻摄像头之间的视角具有重合，相邻摄像头拍摄出的图像之间具有重合区域，以重合区域作用图像之间的一致性匹配区域，能够在进行图像拼接时能够提高图像配准的精度。
本具体实施方式中，所述悬挂装置包括连接在任一个立柱3上的朝向托盘方向延伸的水平拉杆31；水平拉杆31上连接有位于托盘4正上方的顶板5，托盘4通过竖向拉杆或拉索悬挂在顶板5上。
本具体实施方式中，所述顶板5上设有朝托盘4方向照射的光源。这样，光源能够照亮托盘4上的核燃料生坯，保证在对生坯进行图像和视频采集时具有足够的亮度，提高图像以及视频的清晰度。
本具体实施方式中，所述托盘4中央设有用于放置核燃料生坯的沉槽；所述托盘4上设有若干通孔。托盘4上的沉槽能够对核燃料生坯进行定位，并能防止其倾倒；托盘4上的通孔能够在丙酮溶液浸没核燃料生坯时，减小托盘4对丙酮溶液的阻力，使浸没过程更加顺畅，加快浸没速度。
本具体实施方式中，所述水平支架8包括水平横杆，水平横杆水平滑动连接在升降机构9上，水平横杆通过定位机构在升降机构9上进行定位，这样能够通过滑动水平横杆来调节摄像头与核燃料生坯之间的距离，使得摄像头6的焦距调节更加方便快速。水平横杆上设有用于安装摄像头的安装座，安装座通过角度调节结构81连接在水平横杆上，通过角度调节机构81能调节摄像头6的俯仰角度，从而使得摄像头能够对准核燃料生坯的中心，减少图像发生透视变形的现象。
本具体实施方式中，所述升降机构9为能够沿立柱3滑动的滑块，滑块通过定位销在立柱3上进行定位；水平支架8的水平横杆贯穿所述滑块，并与滑块形成滑动连接，水平横杆通过定位销在升降机构上进行定位。这样，结构简单，方便调节。
采用本具体实施方式的核燃料生坯裂纹检测装置的裂纹检测方法，摄像头可以是无线摄像头也可以是有线摄像头，摄像头采集到的图像和视频能够实时传输到上位机中，包括以下步骤：
步骤1：将核燃料生坯放置在托盘中央；
步骤2：通过升降机构调节水平支架的高度，使得水平支架上的摄像头能够对准托盘上的核燃料生坯；
步骤3：调节摄像头的焦距，使得成像清晰；
步骤4：启动各个摄像头对核燃料生坯进行拍照，得到图像集合P＝{P1,...Pi,...,Pn}，其中，n为摄像头的个数，Pi为第i个摄像头所拍摄到的图像；
步骤5：在升降台上放置盛有丙酮溶液的透明容器，启动升降台，使得透明容器带着丙酮溶液不断上升，直到上升到将核燃料生坯完全浸没在丙酮溶液中；
步骤6：静置丙酮溶液，将各个摄像头切换到录像模式，对丙酮溶液中的核燃料生坯进行视频录制，得到视频集合Q＝{Q1,...,Qi,...,Qn},其中，n为摄像头的个数，Qi为第i个摄像头所拍摄到的视频；
步骤7：将视频集合Q以及图像集合P传输到上位机中，首先逐帧观看视频集合Q中的每个视频，判断视频内容中是否存在产生气泡的画面；若否，表示核燃料生坯无裂纹；若有，则进入步骤8；
步骤8：将图像集合P中的各幅图像进行图像拼接，形成核燃料生坯圆柱面的二维展开图像I；
步骤9：采用裂纹识别算法对二维展开图像I中的裂纹进行识别，并在图像I上标记出裂纹所在区域；
步骤10：对识别出的各个裂纹进行标记，依次标记为a1,a2,...,am；
步骤11：采用最小矩形法绘制各个裂纹的外部轮廓，并记录各个外部轮廓的长度值和宽度值；
步骤12：根据外部轮廓的长度值和宽度值计算对应裂纹的长度和宽度，从而实现对裂纹的定量分析。
上述裂纹检测方法的步骤8～12在上位机内进行，上位机的存储器中存储有步骤8～12的计算机程序，上位机的处理器加载该计算机程序从而执行步骤8～12，其中步骤8～9用于识别出裂纹所在区域，步骤10～12用于对裂纹进行定量分析，因此，这两部分的功能步骤可以在上位机内分别独立运行。
本具体实施的裂纹检测方法不仅能判断出是否存在裂纹，还能定位出裂纹的位置，并且还能对裂纹的大小进行定量分析，整个过程连贯性好，检测效率高。
本具体实施方式中，裂纹识别算法包括以下步骤：
步骤901：对二维展开图像I进行二值化，然后进行图像增强，得到增强图像f(x,y)，增强图像f(x,y)是一幅M×N的图像；
步骤902：计算增强图像f(x,y)的均值u和标准差σ，分别按如下公式：
步骤903：设置控制界限为[u-kσ,u+kσ]，其中，k为图像控制因子，k∈{2,3,4}；本具体实施方式中，所述图像控制因子k＝3；
步骤904：遍历二维展开图像I中的像素点集合，将每一个像素点的灰度值与控制界限进行比较，若像素点落在控制界限内，则判断该像素点为背景点；若像素点落在控制界限外，则判断该像素点为裂纹点，裂纹点的集合形成裂纹，从而完成裂纹识别。
采用裂纹识别算法识别出的裂纹如图3所示，图中圆圈内即为裂纹，能够识别出极细小的裂纹，裂纹识别精度高。本具体实施方式的裂纹识别算法简单快速，对图像控制因子进行了科学选择，能够提高裂纹识别的准确性。
Claims (10)
1.一种核燃料生坯裂纹检测装置，其特征在于：包括底座，底座上设有升降台；围绕升降台外侧，周向分布有若干立柱；立柱下端垂直固定在底座上；每个立柱上通过升降机构连接有一个水平支架；每个水平支架上安装有一个朝向升降台方向的摄像头，使得摄像头环绕升降台周向分布；所有摄像头的水平拍摄视角总和不小于360°；所述升降台正上方水平设有用于放置核燃料生坯的托盘，托盘通过悬挂装置悬挂在立柱上；还包括与摄像头通信连接的上位机，上位机用于根据摄像头采集的图像以及视频对核燃料生坯进行裂纹识别。
2.根据权利要求1所述的核燃料生坯裂纹检测装置，其特征在于：所述立柱为4根，相邻立柱之间沿升降台周向分布的夹角为90°；每个摄像头的视角均大于90°。
3.根据权利要求1所述的核燃料生坯裂纹检测装置，其特征在于：所述悬挂装置包括连接在任一个立柱上的朝向托盘方向延伸的水平拉杆；水平拉杆上连接位于托盘正上方的顶板，托盘通过竖向拉杆或拉索悬挂在顶板上。
4.根据权利要求3所述的核燃料生坯裂纹检测装置，其特征在于：所述顶板上设有朝托盘方向照射的光源。
5.根据权利要求1所述的核燃料生坯裂纹检测装置，其特征在于：所述托盘中央设有用于放置核燃料生坯的沉槽；所述托盘上设有若干通孔。
6.根据权利要求1所述的核燃料生坯裂纹检测装置，其特征在于：所述水平支架包括水平横杆，水平横杆水平滑动连接在升降机构上，水平横杆通过定位机构在升降机构上进行定位；水平横杆上设有用于安装摄像头的安装座，安装座通过角度调节结构连接在水平横杆上。
7.一种采用如权利要求1所述的核燃料生坯裂纹检测装置的裂纹检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将核燃料生坯放置在托盘中央；
步骤2：通过升降机构调节水平支架的高度，使得水平支架上的摄像头能够对准托盘上的核燃料生坯；
步骤3：调节摄像头的焦距，使得成像清晰；
步骤4：启动各个摄像头对核燃料生坯进行拍照，得到图像集合P＝{P1,...Pi,...,Pn}，其中，n为摄像头的个数，Pi为第i个摄像头所拍摄到的图像；
步骤5：在升降台上放置盛有丙酮溶液的透明容器，启动升降台，使得透明容器带着丙酮溶液不断上升，直到上升到将核燃料生坯完全浸没在丙酮溶液中；
步骤6：静置丙酮溶液，将各个摄像头切换到录像模式，对丙酮溶液中的核燃料生坯进行视频录制，得到视频集合Q＝{Q1,...,Qi,...,Qn},其中，n为摄像头的个数，Qi为第i个摄像头所拍摄到的视频；
步骤7：将视频集合Q以及图像集合P传输到上位机中，首先逐帧观看视频集合Q中的每个视频，判断视频内容中是否存在产生气泡的画面；若否，表示核燃料生坯无裂纹；若有，则进入步骤8；
步骤8：将图像集合P中的各幅图像进行图像拼接，形成核燃料生坯圆柱面的二维展开图像I；
步骤9：采用裂纹识别算法对二维展开图像I中的裂纹进行识别，并在图像I上标记出裂纹所在区域。
8.根据权利要求7所述的裂纹检测方法，其特征在于：所述裂纹识别算法包括以下步骤：
步骤901：对二维展开图像I进行二值化，然后进行图像增强，得到增强图像f(x,y)，增强图像f(x,y)是一幅M×N的图像；
步骤902：计算增强图像f(x,y)的均值u和标准差σ，分别按如下公式：
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步骤903：设置控制界限为[u-kσ,u+kσ]，其中，k为图像控制因子，k∈{2,3,4}；
步骤904：遍历二维展开图像I中的像素点集合，将每一个像素点的灰度值与控制界限进行比较；若像素点落在控制界限外，则判断该像素点为裂纹点，裂纹点的集合形成裂纹，从而完成裂纹识别。
9.根据权利要求8所述的裂纹检测方法，其特征在于：所述图像控制因子k＝3。
10.根据权利要求7所述的裂纹检测方法，其特征在于：在通过步骤9识别出裂纹后，继续进行以下步骤：
步骤10：对识别出的各个裂纹进行标记，依次标记为a1,a2,...,am；
步骤11：采用最小矩形法绘制各个裂纹的外部轮廓，并记录各个外部轮廓的长度值和宽度值；
步骤12：根据外部轮廓的长度值和宽度值计算对应裂纹的长度和宽度，从而实现对裂纹的定量分析。
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