CN114061473A - 一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置及方法，所述装置包括标准机构、连接机构、标定机构和控制机构，标准机构用于提供标定所需的标准件，连接机构用于实现集成安装，标定机构设于所述连接机构上，用于实现标定工作，控制机构与所述标定机构控制连接。同时，本发明还提供对应的方法，通过集成多组视觉标定单元，测量对应的标准块，每组标定单元同步投射两束线激光，经三维重建后获得点云数据，对点云数据进行拟合求交，依据全局标定结果，对每组测量数据进行坐标归一化，进而完成装置标定。本发明可以在装置吊装状态直接进行三维视觉测量标定，能够快速准确实现燃料组件测量标定装置的水下标定，具有标定精度高、标定速度快的特点。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射安全与检测技术领域，具体地，涉及一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置及方法。
背景技术
经济产出的增加和生活水平的提高将对当前的能源供应造成压力，碳中和背景下，核电作为清洁、稳定、高效的电力能源，是风光发电的必要补充，是助力双碳目标达成必不可少的能源。核能发电是基于核反应堆中的核裂变，实现原子核内蕴藏能量到电能的转换，是实现低碳能源供应的重要方式，作为一种资源消耗少、环境影响小和发电能力强的能源，核能发电受到越来越多的重视。
近年来，国内核电发展事业欣欣向荣，核电厂建设有序推进，在役核电机组稳步上升，但核能开发过程中伴随着放射性辐射，如何有效保障核能的安全开发是核电发展的重中之重。以目前国内应用较多的压水堆燃料组件为例，该燃料组件包含17﹡17个燃料棒，整体高度4米左右，长期工作在高温、高压、强辐射的循环水下，受热应力和装配应力等诸多因素的影响，容易产生弯曲变形和扭曲变形等，且变形严重时，会影响到燃料棒的正常插入，危及反应堆的安全运行。
经过多年发展，目前，大型燃料组件水下变形检测方法主要有接触探针法、正交视频法、激光扫描法、多目图像法、超声测量法等。但总的来说，目前绝大部分的检修工作只能对放置已久、脱离工位的燃料组件进行变形测量，耗时耗力，无法在其吊装状态直接进行三维视觉测量，无法设计研制应用于现场检修的燃料组件变形检测系统；燃料组件变形检测的测量精度和测量效率低，每次只能对燃料组件的一个面或一段参数进行测量，要完成燃料组件变形参数的整体测量，需多次变换测量平面或移动测量设备，给测量带来误差的同时，大幅降低测量效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置及方法，能够快速准确地完成燃料组件变形测量装置的水下标定，以辅助筛选出存在安全风险的燃料组件，从而进一步保障核电站的运行安全。
根据本发明的一个方面，提供一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，包括：
标准机构，包括标准杆和多个沿着所述标准杆的长度方向布置的标准块，所述标准块的位置根据燃料组件的格架与管座之间的距离确定；
连接机构，包括杆状主体部，所述杆状主体部上设有多个沿着所述杆状主体部的长度方向布置的连接件，所述连接件的位置根据燃料组件的格架与管座之间的距离确定；
标定机构，包括多组视觉标定单元，每组所述视觉标定单元包括1个工业相机和2个线激光器；所述视觉标定单元通过所述连接件固定于所述杆状主体部上，所述视觉标定单元的数量与所述标准块的数量相同；
控制机构，与所述视觉标定单元控制连接。
优选地，所述杆状主体部包括三段首尾相连的不锈钢连接管，三段所述不锈钢连接管的长度不相同，三段所述不锈钢连接管之间通过螺钉与螺母螺纹连接的方式固定连接。
优选地，所述不锈钢连接管在端部的连接处设有快速安装接口。
优选地，所述连接件为卡箍连接块。
优选地，所述视觉标定单元的内部设有钨合金屏蔽层，所述视觉标定单元还设有用于密封连接的机械密封圈。
优选地，所述视觉标定单元通过数据线缆与所述控制机构控制连接，所述视觉标定单元通过防水接头与所述数据线缆的一端连接，所述数据线缆的另一端经卡箍连接块进行排线固定后与所述控制机构连接。
优选地，还包括用于保护所述装置的支架机构，所述支架机构包括吊装支架和放置支架，所述吊装支架通过螺钉与螺母螺纹连接的方式与所述连接机构的上端固定连接，所述放置支架通过螺钉与螺母螺纹连接的方式与所述连接机构的下端固定连接。
根据本发明的另一方面，提供一种燃料组件水下弯扭变形测量标定方法，采用上述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置实现，包括：
S1、构建标准杆的全局坐标系；
S2、将标定装置悬挂于固定工装，吊装移动标准杆至预设的工作距离范围内，通过视觉标定单元获取水下的多个标准块的重建点云数据；
S3、根据所述重建点云数据进行平面拟合和求交，计算相应的交点，得到各标准块的位姿信息；
S4、根据所述全局坐标系对所述位姿信息进行标定，得到多组视觉标定单元间的相对关系，对每组所述重建点云数据进行坐标归一化，完成燃料组件水下弯扭变形测量的标定工作。
优选地，所述S1具体包括：
S11、采用激光跟踪仪测量标准杆的各标准块平面，构建多个标准块的局部坐标系；
S12、以标准杆顶端的标准块的局部坐标系为基准，将其余标准块的局部坐标系通过坐标变换转换在基准坐标系下表示，得到标准杆的全局坐标系。
优选地，在S2中，通过视觉标定单元获取水下的多个标准块的重建点云数据，包括：
S21、对多组视觉标定单元依次进行空气和水中多姿态标定，辨识得到相机参数；
S22、对多组视觉标定单元依次进行光平面标定，得到各组视觉标定单元的上表面光平面参数和下表面光平面参数；
S23、每组视觉标定单元各投射2束线激光到对应的标准块，采集相应的激光条纹图像，根据所述激光条纹图像、所述相机参数、所述上表面光平面参数和所述下表面光平面参数，三维重建获得所述重建点云数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置及方法，标定精度高，标定速度快，可以实现燃料组件水下弯扭变形的实时在线标定，具备一定的水密性和抗辐照性能，本发明可辅助用于核电站大修期间现场燃料组件的弯扭变形在线检查。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中燃料组件水下弯扭变形测量标定装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中燃料组件水下弯扭变形测量标定装置的主视示意图；
图3为本发明实施例中燃料组件水下弯扭变形测量标定装置的俯视示意图；
图4为本发明实施例中燃料组件水下弯扭变形测量标定方法的流程示意图；
图中：100为标准机构，110为标准杆，120为标准块，210为吊装支架，220为放置支架，300为视觉标定单元，400为连接机构，410为杆状主体部，420为连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例提供一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，如图1-3所示，该装置包括：
标准机构100，包括标准杆110和多个沿着标准杆110的长度方向布置的标准块120，标准块120的位置根据燃料组件的格架与管座之间的距离确定，具体地，根据燃料组件的格架和管座之间的距离位置，一一对应标准块120的位置；
连接机构400，包括杆状主体部410，杆状主体部410上设有多个沿着杆状主体部410的长度方向布置的连接件420，连接件420的位置根据燃料组件的格架与管座之间的距离确定，具体地，根据燃料组件的格架和管座之间的距离位置，一一对应连接件420的位置，连接件420的位置与标准块120的位置一一对应；
标定机构，包括多组视觉标定单元300，采用双光刀线激光三角原理，每组视觉标定单元300包括1个工业相机和2个线激光器；视觉标定单元300通过连接件420固定于杆状主体部410上，视觉标定单元420的数量与标准块120的数量相同；
控制机构，与视觉标定单元300控制连接，用于同步控制多组视觉标定单元300的工作。
本实施例中的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，连接机构400能够实现装置的集成安装，标定机构用于实现燃料组件水下弯扭变形测量的标定工作，标准机构100能够提供标定所需的标准件，辅助标定机构完成标定工作，控制机构用于控制标定机构的标定工作。本实施例中的装置可以实现瞬态非接触式变形测量标定，能够快速准确实现燃料组件测量标定装置的水下标定，标定精度高，标定速度快。
在一个具体的实施方式中，杆状主体部410包括三段首尾相连的不锈钢连接管，三段不锈钢连接管的长度不相同。本领域技术人员可以理解的是，在其他的一些实施方式中，也可以根据具体情况和实际需要采用其他数量的不锈钢连接管。
在一个具体的实施方式中，标准块120的数量为10个，视觉标定单元300的数量为10组，连接件420的数量为10个。为了便于装置安装，上段不锈钢连接管较长，设有4组视觉标定单元，中段不锈钢连接管和下段不锈钢连接管的长度一致，较上段不锈钢连接管短，各设有3组视觉标定单元。需要说明的是，在其他实施例中，也可采用其他数量的标准块120、视觉标定单元300和连接件420，三者数量对应即可，本发明实施例对此不作具体限定。
在一个具体的实施方式中，三段不锈钢连接管之间通过螺钉与螺母螺纹连接的方式依次首尾固定连接，形成燃料组件水下弯扭变形测量标定装置的杆状主体部410。
在一个具体的实施方式中，不锈钢连接管在端部的连接处设有快速安装接口，该快速安装接口有利于装置的快速安装和拆解，且便于测量标定装置的运输。
在一个具体的实施方式中，连接件420为卡箍连接块，安装快速方便，且连接稳固可靠，用于固定视觉标定单元300和排线固定相应的数据线缆。
在一个具体的实施方式中，视觉标定单元300的内部设有钨合金屏蔽层，从而使其具有一定辐射剂量的抗辐照特性。
在一个具体的实施方式中，视觉标定单元300还设有用于密封连接的机械密封圈，由此，该装置具有一定的水密性，以达到深水工作环境下一定时长的防水效果，从而可以实现深水、辐照环境下的瞬态非接触式变形测量标定。
在一个具体的实施方式中，视觉标定单元300通过数据线缆与控制机构控制连接，视觉标定单元300通过防水接头与数据线缆的一端连接，数据线缆的另一端经卡箍连接块进行排线固定后与控制机构连接。
在一个具体的实施方式中，还包括用于保护装置的支架机构，以保护装置免受磕碰，具体地，支架机构包括吊装支架210和放置支架220，吊装支架210设于连接机构400的上端，放置支架220设于连接机构400的下端。
在一个具体的实施方式中，吊装支架210通过螺钉与螺母螺纹连接的方式与连接机构400的上端固定连接，放置支架220通过螺钉与螺母螺纹连接的方式与连接机构400的下端固定连接。
在一个具体的实施方式中，标准块120通过螺钉与螺母螺纹连接的方式连接到标准杆110上。
本发明实施例还提供一种燃料组件水下弯扭变形测量标定方法，该方法采用上述实施例中的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置实现，如图4的方法流程图所示，该方法包括以下步骤：
S1、构建标准杆的全局坐标系；
在一个具体的实施方式中，步骤S1包括：
S11、采用激光跟踪仪测量标准杆110的各标准块120平面，构建多个标准块120的局部坐标系；具体地，将激光跟踪仪三脚架放置在稳定位置，把跟踪头安装在该激光跟踪仪三脚架上，连接电源，把激光跟踪仪的靶镜依次在标准杆110的多个标准块120的左、右平面进行多次接触式测量，用于采集标准块120的左、右平面数据，构建各个标准块120相应的局部坐标系。
S12、以标准杆110顶端的标准块120的局部坐标系为基准，将其余标准块120的局部坐标系，通过坐标变换转换在基准坐标系下表示，得到标准杆110的全局坐标系。
S2、将该标定装置悬挂于固定工装，吊装移动标准杆110至预设的工作距离范围内，通过视觉标定单元300获取水下的多个标准块120的重建点云数据；
在一个具体的实施方式中，标准杆110和测量标定装置的水下工作距离为900±100mm。可以理解的是，在其他的一些实施例中，本领域技术人员还可以根据相机不同的工作距离设置水下工作距离为其他的数值，本实施例对此不作具体限定。
在一个具体的实施方式中，在步骤S2中，通过视觉标定单元300获取水下的多个标准块120的重建点云数据，包括：
S21、对多组视觉标定单元300依次进行空气和水中多姿态标定，辨识得到相机参数；
S22、对多组视觉标定单元300依次进行光平面标定，得到各视觉标定单元300的上表面光平面参数和下表面光平面参数；
S23、每组视觉标定单元300各投射2束线激光到对应的标准块120，采集相应的激光条纹图像，根据激光条纹图像、相机参数、上表面光平面参数和下表面光平面参数，三维重建获得重建点云数据。
需要说明的是，在进行测量标定前，调节多组工业相机的镜头的光圈和焦距，以尽可能保证多组视觉标定单元300的相机的一致性；每组选择2个性能相近的激光器组成激光器组，调试激光器，以尽可能保证多组视觉标定单元300的激光器组的一致性。
S3、根据重建点云数据进行平面拟合和求交，计算相应的交点，得到各标准块120的位姿信息；
S4、根据全局坐标系对位姿信息进行标定，得到视觉标定单元300间的相对关系，对每组重建点云数据进行坐标归一化，完成燃料组件水下弯扭变形测量的标定工作。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：本发明实施例的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置及方法，标定精度高，标定速度快，可以实现燃料组件水下弯扭变形的实时在线标定，具备一定的水密性和抗辐照性能，本发明可辅助用于核电站大修期间现场燃料组件的弯扭变形在线检查。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
Claims (10)
1.一种燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，包括：
标准机构(100)，包括标准杆(110)和多个沿着所述标准杆(110)的长度方向布置的标准块(120)，所述标准块(120)的位置根据燃料组件的格架与管座之间的距离确定；
连接机构(400)，包括杆状主体部(410)，所述杆状主体部(410)上设有多个沿着所述杆状主体部(410)的长度方向布置的连接件(420)，所述连接件(420)的位置根据燃料组件的格架与管座之间的距离确定；
标定机构，包括多组视觉标定单元(300)，每组所述视觉标定单元(300)包括1个工业相机和2个线激光器；所述视觉标定单元(300)通过所述连接件(420)固定于所述杆状主体部(410)上，所述视觉标定单元(420)的数量与所述标准块(120)的数量相同；
控制机构，与所述视觉标定单元(300)控制连接。
2.根据权利要求1所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，所述杆状主体部(410)包括三段首尾相连的不锈钢连接管，三段所述不锈钢连接管的长度不相同，三段所述不锈钢连接管之间通过螺钉与螺母螺纹连接的方式固定连接。
3.根据权利要求2所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，所述不锈钢连接管在端部的连接处设有快速安装接口。
4.根据权利要求1所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，所述连接件(420)为卡箍连接块。
5.根据权利要求1所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，所述视觉标定单元(300)的内部设有钨合金屏蔽层，所述视觉标定单元(300)还设有用于密封连接的机械密封圈。
6.根据权利要求1所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，所述视觉标定单元(300)通过数据线缆与所述控制机构控制连接，所述视觉标定单元(300)通过防水接头与所述数据线缆的一端连接，所述数据线缆的另一端经卡箍连接块进行排线固定后与所述控制机构连接。
7.根据权利要求1所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置，其特征在于，还包括用于保护所述装置的支架机构，所述支架机构包括吊装支架(210)和放置支架(220)，所述吊装支架(210)通过螺钉与螺母螺纹连接的方式与所述连接机构(400)的上端固定连接，所述放置支架(220)通过螺钉与螺母螺纹连接的方式与所述连接机构(400)的下端固定连接。
8.一种燃料组件水下弯扭变形测量标定方法，采用如权利要求1-7任一项所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定装置实现，其特征在于，包括：
S1、构建标准杆的全局坐标系；
S2、将标定装置悬挂于固定工装，吊装移动标准杆至预设的工作距离范围内，通过视觉标定单元获取水下的多个标准块的重建点云数据；
S3、根据所述重建点云数据进行平面拟合和求交，计算相应的交点，得到各标准块的位姿信息；
S4、根据所述全局坐标系对所述位姿信息进行标定，得到多组视觉标定单元间的相对关系，对每组所述重建点云数据进行坐标归一化，完成燃料组件水下弯扭变形测量的标定工作。
9.根据权利要求8所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定方法，其特征在于，所述S1具体包括：
S11、采用激光跟踪仪测量标准杆上的各个标准块平面，构建多个标准块的局部坐标系；
S12、以标准杆顶端的标准块的局部坐标系为基准，将其余标准块的局部坐标系通过坐标变换转换在基准坐标系下表示，得到标准杆的全局坐标系。
10.根据权利要求8所述的燃料组件水下弯扭变形测量标定方法，其特征在于，在S2中，通过视觉标定单元获取水下的多个标准块的重建点云数据，包括：
S21、对多组视觉标定单元依次进行空气和水中多姿态标定，辨识得到相机参数；
S22、对多组视觉标定单元依次进行光平面标定，得到各组视觉标定单元的上表面光平面参数和下表面光平面参数；
S23、每组视觉标定单元各投射2束线激光到对应的标准块，采集相应的激光条纹图像，根据所述激光条纹图像、所述相机参数、所述上表面光平面参数和所述下表面光平面参数，三维重建获得所述重建点云数据。
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2021
- 2021-11-04 CN CN202111298974.9A patent/CN114061473A/zh active Pending
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