一种核燃料包壳表面缺陷检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种核燃料包壳表面缺陷检测系统及方法，该系统包括检测装置，所述检测装置包括底座以及支架，所述支架的一侧安装有旋转机构，所述旋转机构包括转动环以及驱动装置，所述转动环的旋转轴心线沿水平方向设置；所述底座上还设置有支撑座，所述支架和所述支撑座上均具有V形凹槽；所述转动环的内侧安装有激光式线阵传感器，所述激光式线阵传感器的激光发射端正对待检测包壳设置；还包括用于控制所述驱动装置以及用于采集并处理所述激光式线阵传感器检测数据的上位机。本发明专利技术系统和方法具有能够以机器视觉的方式对其表面缺陷进行统一标准的高效检测，快速精确判断是否存在缺陷以及缺陷位置、尺寸，识别率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种核燃料包壳表面缺陷检测系统及方法
本专利技术涉及产品检测
，特别的涉及一种核燃料包壳表面缺陷检测系统及方法。
技术介绍
核燃料包壳是核燃料的密封外壳，也是核电站的第二道安全屏障。包壳是由锆合金经多次熔炼锻造，再经切割打磨制成。其中包壳端部经电弧熔炼会形成明显焊缝，通常焊接工艺容易出现的问题有焊接厚度不均，焊接应力残留，高温作用后材料质地变脆等问题。而在恶劣工况的作用下，这些缺陷极有可能恶化而导致事故。焊缝是包壳管最薄弱的环节，对核燃料包壳的焊缝进行检测是非常有必要的。目前采用的检测方法为人工目测法，即熟练的操作工人手持核燃料芯块包壳，目光平视包壳焊缝区域，将包壳手动旋转一周，观察焊接状况，通过经验判断产品是否合格。现传统的检测方法依赖于工人的经验和熟练程度，检测标准未统一，由于人工检测会存在不确定性，精确度和检测效率无法得到保证。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种能够快速对核燃料芯块包壳表面缺陷进行检测，检测精度较高，有利于大大提高检测效率的核燃料包壳表面缺陷检测系统及方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，包括检测装置，所述检测装置包括底座以及垂直设置在所述底座上的支架，所述支架的一侧安装有呈环状的旋转机构，所述旋转机构包括位于内侧可转动设置的转动环，以及用于驱动所述转动环旋转的驱动装置，所述转动环的旋转轴心线沿水平方向设置；所述底座上还设置有支撑座，所述支撑座位于所述支架背离所述旋转机构的一侧，且在所述转动环的旋转轴心线方向上，所述支架和所述支撑座上均具有沿所述转动环的旋转轴心线方向贯通设置的V形凹槽，使待检测包壳支撑在所述支架和所述支撑座的V形凹槽中时，待检测包壳的轴心线与所述转动环的旋转轴心线相重合；所述转动环的内侧安装有激光式线阵传感器，所述激光式线阵传感器的激光发射端沿径向方向正对支撑在所述支架和所述支撑座上的待检测包壳设置，使其发出的一字线激光能够重合地穿过所述转动环的旋转轴心线；还包括用于控制所述驱动装置以及用于采集并处理所述激光式线阵传感器检测数据的上位机。采用上述结构，通过支架和支撑座上的V形凹槽，可以将待检测包壳支撑在水平位置，并使待检测包壳的焊接部位位于激光式线阵传感器所发出的一字线激光的范围内，激光式线阵传感器的激光发射端所发出的一字线激光投影到待检测包壳的外圆面上，激光式线阵传感器的图像采集端从另一个角度对投影到待检测包壳的外圆面上的一字线激光进行拍照取样，并进行图像数据进行处理后，能够得到一字线激光所在位置上各点在径向方向上的深度，并发送到上位机中。通过上位机能够控制驱动装置，驱动转动环以设定速度旋转，这样，可以使激光式线阵传感器沿周向方向对待检测包壳的焊接部位进行完整的取样，这样，上位机就可以获得待检测包壳的焊接部位上所有的采样点的深度数据，从而可以根据该深度数据判断出焊缝的凹陷。上述检测装置采用高精度的激光式线阵传感器进行检测，检测过程中对工人的经验和熟练程度要求较低，能够采用统一的检测标准，能够快速对核燃料芯块包壳表面缺陷进行检测，检测精度较高，有利于大大提高检测效率。进一步的，所述驱动装置包括伺服电机以及减速齿轮组，所述转动环靠近所述减速齿轮组的一端为齿轮环，所述减速齿轮组的输入端与所述伺服电机相连，输出端与所述齿轮环相啮合。采用上述结构，通过伺服电机可以确保转动环保持匀速转动，避免转动环的抖动，有利于提高检测的精度。采用减速齿轮组降低转动环的旋转速度，能够在激光式线阵传感器固定的扫描频率下，尽可能多的采集数据。进一步的，所述支撑座的V形凹槽的两侧均设置有滚珠，使得架设在所述支撑座的V形凹槽上的待检测包壳能够沿轴向方向滑动。这样，可以便于引导包壳进入指定检测区域。进一步的，所述支撑座的高度可调节。进一步的，所述底座的底部设置有四个高度可调节的橡胶底座。这样，可以通过调整橡胶底座的高度，将底座调平。一种核燃料包壳表面缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、获取上述的核燃料包壳表面缺陷检测系统；将待检测包壳支撑在所述支架和所述支撑座的V形凹槽中，使待检测包壳的焊接部位位于所述激光式线阵传感器的激光发射端所正对的区域；S2、通过上位机控制驱动装置带动转动环以设定速度旋转一周，使安装在转动环内侧的激光式线阵传感器随转动环一同绕待检测包壳的周向方向转动，完成对待检测包壳的焊接部位的外圆面的扫描检测，并获得焊接部位外圆面上各采样点在径向方向上的深度的二维数据矩阵，该二维数据矩阵中行方向上的深度数据与待检测包壳的周向方向上的采样点相对应，列方向上的深度数据与待检测包壳的轴向方向上的采样点相对应；S3、上位机接收到激光式线阵传感器检测的数据后，进行数据处理，截取一个n行m列的最大有效数据矩阵A＝(a1,a2,……,am)，其中a1、a2、……am均为列向量，分别包含激光式线阵传感器每一次触发采样所得到的有效数据；S4、对采样数据的偏心校正：采用最小二乘法对上述每一个列向量a1、a2、……am进行直线拟合，即，yx＝bx+a其中，校正角为θ＝arctanb，再采用矩阵旋转变换公式：x'＝xcosθ-yxsinθyx'＝xsinθ+yxcosθ得到偏心校正后的新矩阵A’；其中yx为每一个列向量a1、a2、……am中由上向下排序的第x个元素的值，x为1～n，为对应列向量中所有元素的排序编号的平均值，为对应列向量中所有元素值的均值；a为拟合直线方程的截距，b为拟合直线方程的斜率；yx'为yx在偏心校正后的新矩阵A’中的对应元素值；S6、缺陷位置提取：将校正后的数据矩阵分成c*c的若干个数据块，将每个数据块的均值取代该数据块所在位置得到新的数据矩阵B，将矩阵B进行阈值分割提取缺陷位置数据矩阵，并将缺陷位置数据矩阵中的数据恢复为原始c*c的数据块，得到缺陷位置矩阵C；S7、缺陷判别；缺陷位置矩阵C中的每一个元素为对应缺陷位置的采样点在包壳表面的深度值，根据该深度值的分布选取分度作深度值的区间统计，确定元素的众数区间，并取其中位数at，at表示缺陷部位的总体质量；将矩阵中的每一列向量间隔作差，得到矩阵：对矩阵D进行阈值分割并计数为N，N代表缺陷部位的极端质量，将总体质量at和极端质量N分别与设定阈值q1和q2相比较，当at≤q1且N≤q2时判断为合格，否则判定为不合格。采用上述方法，由于核燃料包壳表面缺陷检测系统的检测装置的生产工艺会导致待检测包壳与激光式线阵传感器之间存在一定的偏角，采用上述步骤S2进行数据处理，可以对数据进行偏心校正，有利于提高检测的精度。进一步的，所述步骤S6前，还包括步骤S5，去除杂散数据点：采用3δ原则，对确定的范围(x_left,x_right)内的数据点进行正态分布统计，并计算其标准差及平均值，去除(u-3δ,u+3δ)(其中u为平均值)以外的数据杂点。由于核燃料芯块包壳为金属材料，在检测过程中，难免有自然光照射到包壳表面形成反射光，会对检测结果造成影响，采用上述方法，采用3δ原则，可以去除数据咋点，有利于提高测量的精度。综上所述，本专利技术系统和方法具有能够以机器视觉的方式对其表面缺陷进行统一标准的高效检测，快速精确判断是否存在缺陷以及缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，包括检测装置，所述检测装置包括底座(1)以及垂直设置在所述底座(1)上的支架(2)，所述支架(2)的一侧安装有呈环状的旋转机构(3)，所述旋转机构(3)包括位于内侧可转动设置的转动环，以及用于驱动所述转动环旋转的驱动装置，所述转动环的旋转轴心线沿水平方向设置；所述底座(1)上还设置有支撑座(4)，所述支撑座(4)位于所述支架(2)背离所述旋转机构(3)的一侧，且在所述转动环的旋转轴心线方向上，所述支架(2)和所述支撑座(4)上均具有沿所述转动环的旋转轴心线方向贯通设置的V形凹槽，使待检测包壳支撑在所述支架(2)和所述支撑座(4)的V形凹槽中时，待检测包壳的轴心线与所述转动环的旋转轴心线相重合；所述转动环的内侧安装有激光式线阵传感器(5)，所述激光式线阵传感器(5)的激光发射端沿径向方向正对支撑在所述支架(2)和所述支撑座(4)上的待检测包壳设置，使其发出的一字线激光能够重合地穿过所述转动环的旋转轴心线；还包括用于控制所述驱动装置以及用于采集并处理所述激光式线阵传感器(5)检测数据的上位机。

【技术特征摘要】
1.一种核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，包括检测装置，所述检测装置包括底座(1)以及垂直设置在所述底座(1)上的支架(2)，所述支架(2)的一侧安装有呈环状的旋转机构(3)，所述旋转机构(3)包括位于内侧可转动设置的转动环，以及用于驱动所述转动环旋转的驱动装置，所述转动环的旋转轴心线沿水平方向设置；所述底座(1)上还设置有支撑座(4)，所述支撑座(4)位于所述支架(2)背离所述旋转机构(3)的一侧，且在所述转动环的旋转轴心线方向上，所述支架(2)和所述支撑座(4)上均具有沿所述转动环的旋转轴心线方向贯通设置的V形凹槽，使待检测包壳支撑在所述支架(2)和所述支撑座(4)的V形凹槽中时，待检测包壳的轴心线与所述转动环的旋转轴心线相重合；所述转动环的内侧安装有激光式线阵传感器(5)，所述激光式线阵传感器(5)的激光发射端沿径向方向正对支撑在所述支架(2)和所述支撑座(4)上的待检测包壳设置，使其发出的一字线激光能够重合地穿过所述转动环的旋转轴心线；还包括用于控制所述驱动装置以及用于采集并处理所述激光式线阵传感器(5)检测数据的上位机。2.如权利要求1所述的核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，所述驱动装置包括伺服电机以及减速齿轮组，所述转动环靠近所述减速齿轮组的一端为齿轮环，所述减速齿轮组的输入端与所述伺服电机相连，输出端与所述齿轮环相啮合。3.如权利要求1所述的核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，所述支撑座(4)的V形凹槽的两侧均设置有滚珠，使得架设在所述支撑座(4)的V形凹槽上的待检测包壳能够沿轴向方向滑动。4.如权利要求1所述的核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，所述支撑座(4)的高度可调节。5.如权利要求1所述的核燃料包壳表面缺陷检测系统，其特征在于，所述底座(1)的底部设置有四个高度可调节的橡胶底座。6.一种核燃料包壳表面缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、获取如权利要求1～5中任一权利要求所述的核燃料包壳表面缺陷检测系统；将待检测包壳支撑在所述支架(2)和所述支撑座(4)的V形凹槽中，使待检测包壳的焊接部位位于所述激光式线阵传感器(5)的激光发射端所正对的区域；S2、通过上位机控制驱动装置带动转动环以设定速度旋转一周，使安装在转动环内侧的激光式线阵传感器随转动环一同绕待检测包壳的周向方向转动，完成对待检测包壳的焊接部位的外圆面的扫描检测，并获得焊接部位外圆面上各采样点在径向方向上的深度的二维数据矩阵，该二维数据矩阵中行方向上的深度数据与待检测包壳的周向方向上的采样点相对应，列方向上的深度数据与待检测包壳的轴向方向上的采样点相对应；S3、上位机接收到激光式线阵传感器检测的数据后，进行数据处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：高潮，郭永彩，胡克林，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50