一种芯块几何体积测量装置

技术领域

本发明属于芯块图像扫描测量技术领域，尤其涉及一种芯块几何体积测量装置。

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、几何体积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形状如图1和图2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必须控制在设计标准内。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种芯块几何体积测量装置，通过本发明芯块几何体积测量装置的结构设置，实现了芯块的几何尺寸的高效测量。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种芯块几何体积测量装置，所述芯块几何体积测量装置包括：激光传感器、光源、成像单元和数据处理单元；

待测的芯块设置于光源与成像单元之间，并经平行光照射后于成像单元内进行成像；

所述成像单元内获得的成像数据为基于若干点云拟合得到的芯块轮廓，

所述数据处理单元基于成像单元和线激光传感器测得的成像数据完成芯块直径D、高度H，以及芯块上倒角高度h

并基于计算式：

完成芯块的几何体积V

根据一个优选的实施方式，所述芯块几何体积测量装置还包括：支撑座和吸杆；所述光源与所述成像单元经固定件固定于所述支撑座之上，所述光源与所述成像单元相向设置；所述吸杆一端固定于所示支撑座之上，另一端固定所述芯块于光源和成像单元之间。

根据一个优选的实施方式，所述成像单元由若干阵列式成像探测器构成。

根据一个优选的实施方式，所述成像单元拟合得到的芯块轮廓包括：

侧壁轮廓线AB及IJ，顶端倒角轮廓线BC及GI，顶端肩部轮廓线CE及FG，底端倒角轮廓线JK及AP，底端肩部轮廓线PN及MK。

根据一个优选的实施方式，基于两侧壁轮廓线AB及IJ上各点坐标，取两条轮廓线AB及IJ的最小距离作为芯块的圆柱直径值D。

根据一个优选的实施方式，基于两肩部轮廓线CE及PN上各点坐标，取两条轮廓线CE及PN的最小距离作为芯块的圆柱第一高度H1；

基于两肩部轮廓线FG及MK上各点坐标，取两条轮廓线FG及MK的最小距离作为芯块的圆柱第二高度H2；

则芯块的高度H为：H＝(H1+H2)/2。

根据一个优选的实施方式，基于轮廓线BC端点的坐标信息，完成轮廓线BC的长度计算，得到倒角轮廓线BC的长度；并基于轮廓线BC和CE的坐标信息，获得于轮廓线BC和CE的夹角α，且α＜90°；从而，倒角宽度w

根据一个优选的实施方式，所述激光传感器安装于所述支撑座的底面，并产生竖直方向激光线；且支撑座上设有用于通过激光线的条形槽体，所述激光线穿过支撑座用于完成芯块底部扫描；获得底端倒角轮廓线JK及AP，底端肩部轮廓线PN及MK，底端碟形轮廓弧线NM。

根据一个优选的实施方式，基于底部轮廓线内各点坐标数据拟合获得直线L1，然后，直线L1拟合后，进行数据筛选，位于Ll直线上方的数据再次进行直线拟合确定凹坑的基准线L2，且肩部轮廓线PN及MK与基准线L2重合；从基准线L2中心开始向数据两端进行数据筛选，位于直线L2下方点即为碟形轮廓弧线NM的各轮廓点，并取弧线NM的各轮廓点与基准线L2的距离最大值为碟形深度值h

根据一个优选的实施方式，基于碟形轮廓弧线NM，拟合得到半径为R及以原点O为圆心的圆，则圆心O距基准线L2的距离为R-h

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：通过本发明芯块几何体积测量装置的结构设置，实现了芯块的几何尺寸的高效测量。保证了核算料芯块的质量，避免了因为芯块几何体积测量不准引起变形，导致减少核燃料的寿命及影响核反应效率和安全性的问题

附图说明

图1是待测芯块的立体结构示意图；

图2是待测芯块的轮廓结构示意图；

图3是本发明芯块几何体积测量装置的结构示意图；

图4是本发明芯块几何体积测量装置的测量原理示意图；

图5是本发明芯块几何体积测量装置测得的芯块轮廓结构示意图；

图6是本发明芯块几何体积测量装置测得芯块底部轮廓示意图；

图7是本发明芯块几何体积测量装置拟合芯块底部上肩部轮廓过程示意图；

图8是本发明芯块几何体积测量装置拟合芯块底部上肩部轮廓示意图；

图9是本发明芯块几何体积测量装置进行芯块底部上芯块碟形深度求解示意图；

图10是本发明芯块几何体积测量装置进行芯块底部上芯块碟形宽度求解示意图；

其中，101-支撑座，102-成像单元，103-光源，104-激光传感器，105-吸杆，200-芯块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图3至图10所示，图中示出了一种芯块几何体积测量装置，所述芯块几何体积测量装置包括：支撑座101、光源103、成像单元102、激光传感器104、吸杆105和数据处理单元。

所述支撑座101用于实现各功能单元的搭载。所述光源103用于产生平行光束。所述成像单元102用于实现待测芯块200的轮廓成像。所述激光传感器104用于完成芯块200底部轮廓扫描。所述吸杆105用于芯块200的固定。

优选地，所述光源103与所述成像单元102经固定件固定于所述支撑座101之上，所述光源103与所述成像单元102相向设置。

吸杆105一端固定于所示支撑座101之上，另一端固定所述芯块200于光源103和成像单元102之间。

进一步地，所述激光传感器104安装于所述支撑座101的底面，并产生竖直方向激光线。且支撑座101上设有用于通过激光线的条形槽体，完成芯块200底部轮廓扫描。

优选地，待测的芯块200设置于光源103与成像单元102之间，并经平行光照射后于成像单元102内进行成像。

优选地，所述成像单元102内获得的成像数据为基于若干点云拟合得到的芯块200轮廓，具体地，成像单元102由若干阵列式成像探测器构成。

数据处理单元基于成像单元102和激光传感器104测得的成像数据完成芯块200直径D、高度H，以及芯块(200)上倒角高度h

并基于计算式：

完成芯块200的几何体积V

具体地，所述成像单元102拟合得到的芯块200轮廓包括：

侧壁轮廓线AB及IJ，顶端倒角轮廓线BC及GI，顶端肩部轮廓线CE及FG，底端倒角轮廓线JK及AP，底端肩部轮廓线PN及MK。

进一步地，成像单元102获取数据后先通过滤波算法，对波形进行平滑，滤除波形中的离群点及曝光不足的零值，然后再进行轮廓拟合。

优选地，基于两侧壁轮廓线AB及IJ上各点坐标，取两条轮廓线AB及IJ的最小距离作为芯块200的圆柱直径值D。

优选地，基于两肩部轮廓线CE及PN上各点坐标，取两条轮廓线CE及PN的最小距离作为芯块200的圆柱第一高度H1；基于两肩部轮廓线FG及MK上各点坐标，取两条轮廓线FG及MK的最小距离作为芯块200的圆柱第二高度H2；则芯块20)的高度H为：H＝(H1+H2)/2。

优选地，基于轮廓线BC端点的坐标信息，完成轮廓线BC的长度计算，得到倒角轮廓线BC的长度；并基于轮廓线BC和CE的坐标信息，获得于轮廓线BC和CE的夹角α，且α＜90°；从而，倒角宽度w

具体地，激光传感器104获得芯块200底端倒角轮廓线JK及AP，底端肩部轮廓线PN及MK，底端碟形轮廓弧线NM。

数据处理单元基于底部轮廓线内各点坐标数据拟合获得直线L1，

然后，直线L1拟合后，进行数据筛选，位于Ll直线上方的数据再次进行直线拟合确定凹坑的基准线L2，且肩部轮廓线PN及MK与基准线L2重合；

从基准线L2中心开始向数据两端进行数据筛选，位于直线L2下方点即为碟形轮廓弧线NM的各轮廓点，并取弧线NM的各轮廓点与基准线L2的距离最大值为碟形深度值h

数据处理单元基于碟形轮廓弧线NM，拟合得到半径为R及以原点O为圆心的圆，则圆心O距基准线L2的距离为R-h

从而，通过本发明芯块几何体积测量装置的结构设置，实现了芯块的几何尺寸的高效测量。保证了核算料芯块的质量，避免了因为芯块几何体积测量不准引起变形，导致减少核燃料的寿命及影响核反应效率和安全性的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。