核燃料组件水下试验平台及测试方法与流程

本发明涉及核电的技术领域，尤其涉及一种核燃料组件水下试验平台及测试方法。

背景技术：

辐照对核燃料性能有重大影响，对电厂运行安全构成挑战。随着辐照时间增加，核燃料及包壳的化学行为会逐步发生显著改变，并影响其热工和机械属性，如氧/金属比增加导致热导率降低、芯块温度增加及辐照蠕变率增加；核燃料棒外表面会因辐照及温度的综合作用导致包壳氧化及腐蚀产物沉积，而腐蚀会减小包壳管壁厚度和吸氢，并最终导致氢化物析出，降低材料强度和延展性；燃料组件、包壳及格架的辐照生长等。因此，对运行辐照后的燃料组件进行池边检查，跟踪和监督这些动态变化的燃料性能，对保障电厂安全运行有重要意义，特别是在核燃料有设计变更或新燃料/新材料引入的情况下，更应保持密切的性能跟踪。

核燃料组件变形测量装置是燃料组件池边检查重要设备之一，其主要用于的测量核燃料组件关键尺寸，如倾斜、弯曲、扭转和长度等，为了保证对核燃料组件变形测量的精度，燃料组件变形采用线性位移传感器和视觉测量系统方式相结合的方式。

传统的核燃料测试平台都不可在水下工作，但在核电领域燃料组件在乏燃料池充水的环境中。因此，设计一种核燃料组件在水下进行测试的试验平台是亟待要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种核燃料组件水下试验平台及测试方法，解决了核燃料组件可在水下进行测试的问题，并为后续核电站燃料组件的水下视觉测量系统提供具体的设计依据。

本发明实施例提供了一种核燃料组件水下试验平台，包括：模拟水箱，设置于所述模拟水箱中的分析部，所述分析部包括：

安装模块，包括设置于所述可调安装台上的反光镜基板，以及设置所述反光镜基板上的反光镜基座和摄像机支架，所述反光镜基座和所述摄像机支架位于所述反光镜基板的同一侧；

检测模块，包括可滑动设置于所述摄像机支架上的水下摄像机，以及可转动设置于所述反光镜基座上的反光镜；

驱动模块，包括用于驱动所述水下摄像机移动的第一驱动组件，以及用于驱动反光镜转动的第二驱动组件；

分析模块，包括与所述水下摄像机电连接的直线位移传感器，以及与所述直线位移传感器电连接的数据分析终端。

进一步地，所述反光镜基板及所述摄像机支架位于所述可调安装平台的同一端。

进一步地，所述摄像机支架与所述水下摄像机的表面分别包胶。

进一步地，所述水下摄像机的摄像头部覆盖有一层耐辐射的氧化膜。

进一步地，所述检测模块还包括设置于所述可调安装台上用于衬托待测物件的背景模板，所述背景模板上刻有标尺。

进一步地，所述第二驱动组件包括电机、蜗轮以及与所述蜗轮配合的的蜗杆，所述蜗杆与所述反光镜基座连接，所述蜗轮设置于所述电机轴上。

进一步地，所述直线位移传感器包括线圈骨架，分布于所述线圈骨架上的初级线圈、两个次级线圈以及可自由移动的杆状铁芯。

进一步地，所述直线位移传感与所述水下摄像机也可通过无线电连。

本发明实施例还提供了一种核燃料组件水下试验平台的测试方法，包括如下步骤：

s01、选取当前测量试场辐照尺寸未变化结构部件作为标定块；

s02、通过标尺精确测量标定物特征物理尺寸；

s03、通过摄像机采集标定物图像，经过直线传感器将信号传递至数据分析终端，通过边缘检测或手动选点方式测量特征标定物像素尺寸；

s04、计算测量视场中每一电视像素所对应物面的实际长度；

s05、获取待测物件的图像尺寸，计算待测物件的实际物理尺寸。

优选地，所述待测物件包括上管座与下管座、以及位于上管座与下管座之间的核燃料组件。

优选地，所述标定物的物理尺寸、所述每一电视像素所对应物面的实际长度是位于空气中测得。

优选地，通过获取所述下管座上表面与所述上管座下表面宽度测量差实现目标实际物理尺寸。

基于上述技术方案，本发明实施例提出的核燃料组件水下试验平台及测试方法，通过分析部中的安装模块、检测模块、驱动模块、分析模块，使得核燃料组件在水下测试成为可能，并为后续核电站燃料组件的水下视觉测量系统提供具体的设计依据。

附图说明

图1为本发明实施例中核燃料组件水下试验平台结构示意图；

图2为本发明实施例中核燃料组件水下试验平台原理省略示意图；

图3为本发明实施例中摄像机支架结构示意图；

图4为本发明实施例中反光镜基座结构示意图；

图5a为本发明实施例中核燃料组件的辊印外观缺陷图；

图5b为本发明实施例中核燃料组件的划痕外观缺陷图；

图5c为本发明实施例中核燃料组件的粘接外观缺陷图；

图5d为本发明实施例中核燃料组件的锈斑外观缺陷图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1至图4所示，本发明实施例提出了一种核燃料组件水下试验平台，其包括模拟水箱1、分析部2，其中，分析部2完全沉积在盛有高硼水的模拟水箱中，分析部2设置在模拟水箱1上。具体地，分析部2可包括安装模块21、检测模块22、驱动模块23、分析模块24，其中：

安装模块21，包括用于设置反光镜基板及摄像机支架的可调安装平台211，以及通过一固定件连接于安装平台211的反光镜基板212，这里，反光镜基板上设置有反光镜基座213与摄像机支架214，且反光镜基座213、摄像机支架214同位于反光镜基板212的一侧；

检测模块22，包括设置在安装平台上的待检测物221，可滑动设置在摄像机机222上的水下摄像机222，可转动设置于反光镜基座213上的反光镜223，这里，水下摄像机222固定于摄像机支架上的可移动滑块232，水下摄像机222可沿着摄像机支架214作往复轴向运动；

驱动模块23，包括可控制设置于所述摄像机机架上滑块232上下移动的第一驱动组件(附图中未画出)，以及可控制设置于反光镜基座213上调整反光镜223轴向转动的第二驱动组件(附图中未画出)；第一驱动组件通过可调式开关来控制，便于人工根据需求操作；第二驱动件通过电机带动蜗轮，蜗轮传动给蜗杆引起反光镜的转动。

分析模块24，包括设置于水下摄像机一端的直线位移传感器(附图中未画出)及数据分析终端；

上述检测模块22与驱动模块23以及分析模块24电连接。

本发明实施例提出的核燃料组件水下试验平台，通过分析部中的安装模块21、检测模块22、驱动模块23、分析模块24，使得核燃料组件在水下测试成为可能，并为后续核电站燃料组件的水下视觉测量系统提供具体的设计依据。

进一步地，在本发明的实施例中，上述反光镜基板212及摄像机支架214同位于可调安装平台211的一端，其位置与设置在可调安装平台211上的待检测物221相对，便于后续测量，上述的摄像机支架214与水下摄像机222的表面分别通过包胶处理，这样既可以防止高硼水腐蚀摄像机支架214，又可以防止高硼水渗入到水下摄像机222当中影响摄像机水下222的寿命。

进一步地，在本发明实施例中，对其所述的水下摄像机222的摄像头包覆一层耐辐射的氧化膜(附图中未画出)，由于核燃料的辐射会加剧缩短摄像机222的使用寿命，为了进一步提高水下摄像机222的寿命，可通过包覆一层耐辐射的氧化膜，这样当摄像头对待测物品进行检测时，可以降低核辐射燃料对其进行辐射，保护了摄像机头，延长了摄像机222的使用寿命。

进一步地，在本发明的实施例中，上述检测模块22还包括设置于待测物件背后的背景模板(附图中未画出)，上述的背景模板上刻有标尺，这里，当摄像照射在待测物体时，附带将其背景模板一起照射，通过背景模板上的标尺可以更加准确的测试出待测物体的长度，从而提高了其测试精度。

进一步地，在本发明的实施例中，待检测物是由上管座2211、下管座2213以及上管座与下管座之间的核燃料组件2212组成，通过相机成像出上管座2211的下表面2213与下管座的上表面之间距离，测试出待测物体的长度。上述待检测物还可为其他的结构形式，此处不作唯一限定。

进一步地，在本发明的实施例中，上述的调节水下摄像机222沿着摄像机支架214作轴向运动的第一驱动组件，这里，第一驱动组件通过控制水下摄像机上的滑块实现水下摄像机222的移动，此时的滑块可移动也可通过固定装置来固定，上述控制水下摄像机222上下移动不局限于滑块232，也可以是其他结构件。

进一步地，在本发明的实施例中，也可将所述滑块移动到摄像机支架的上端，然后通过固定装置将其固定，通过添加反光镜，让其摄像机灯光将其打射在反光镜上，使其放光镜呈现物像，若反光镜没有呈现全相，可微调反光镜让其在反光镜中呈现全相。上述反光镜223安装在反光镜基座213上，由于核燃料组件固有的高放射性对电气元件寿命有较大影响，因此摄像机直接照射并观测燃料组件会显著缩短摄像装置的使用寿命，通过添加反光镜223，避免了摄像机222与核燃料组件的直接接触，提高其摄像机222的使用寿命。

进一步地，在本发明的实施例中，上述控制反光镜223转动的第二驱动组件包括蜗轮以及与之相匹配的蜗杆(附图中未画出)，所述的蜗杆与反光镜基座213连为一体，所述的蜗轮固定与电机装置231的转动轴上，且蜗轮通过外在的电机装置231来控制，这样，通过远程控制电机装置231，电机装置231驱动蜗轮转动，蜗轮通过与蜗杆啮合驱动蜗杆转动，蜗杆驱动反光镜基座转动，反光镜可以实现其轴向转动，从而实现反光镜223的微调。通过远程操作实现反光镜223的微调，使其相机通过反光镜223能够对测量物体完成成像，避免了人工近距离操作，防止核燃料辐射对人体的伤害，提高工作效率上述驱动结构还可为其他的结构形式，此处不作唯一限定。

进一步地，在本发明的实施例中，上述直线位移传感器24由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成，初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯(附图未作出)。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。相应的通过电源输出大小，通过线性关系确定其位移大小，达到测量的目的。上述的直线位移传感器可以与水下摄像机通过有线电连或无线电连，这里不作赘述。

进一步地，在本发明的实施例中，上述核燃料组件水下试验平台置于装有高硼水的模拟水箱中。这里，高硼水具有较高的硼含量，可以延缓核燃料辐射的照射速度对其测试的影响，其次，高硼水的水质条件较好，杂质较少，避免了水质对测试结果的影响，提高水下测量精度。

在本发明实施例中，上述发明还公开了核燃料组件水下试验平台的测试方法，该测试方法包括如下步骤：

s01选取当前测量试场辐照尺寸未变化结构部件作为标定块；

s02通过标尺精确测量标定物特征物理尺寸l标定；

s03通过摄像机采集标定物图像，经过直线传感器将信号传递至数据分析终端，通过边缘检测或手动选点方式测量特征标定物像素尺寸n像；

s04计算测量视场中每一电视像素所对应物面的实际长度：d当量＝l标定/n像；

s05获取待测目标的图像尺寸n目标，计算待测目标的实际物理尺寸l目标＝n目标×d当量。

优选地，在本发明实施例中，选取当前测量试场辐照尺寸未变化结构部件作为标定块，优选地，选取上管座未与核燃料组件接触的凸台部分作为标定块，通过水上测量标定物的宽度l标定，随后，通过自开发的视觉测量软件卡尺工具测量得到特征方块横向宽度像素尺寸。经过像素当量计算公式求取像素当量实际值d当量＝l标定/n像。实际测量时，像素当量测量值会随着摄像机与测量面之间的距离变化而变化，为了确定像素当量与物距之间的关系，通过将摄像机按距离上下管座表面从远及近四个安装位置分别对像素当量进行标定(参见表1)。

通过表1可以看出，在其他条件不变的情况下，物距变化，即观测距离不同，对像素当量的标定结果影响很大，观测距离越近，像素当量越小，因此，当测量面与标定面不重合时，不可避免的会产生测量误差，故在实际现场测量中，应使标定面与测量面之间的距离尽量小，以减少像素当量标定产生的误差。故，在视觉测量中，工业相机标定完成后，在观测方向理论上是不能移动的。即保持物距恒定。

表1不同观测距离下像素当量标定结果

实施例1

在本实施例中，上述确定实际当量值是在水上进行，确定最终当量值，即摄像机与待测物之间的距离确定，保持该距离不变，将其测试平台放置于水下，测试水下环境对核燃料高度测量结果的影响，由于水上与水下环境对当量值的影响较小，故在此不考虑环境对当量值的影响。

进一步地，表2和表3分别表示水上、水下上下管座高度差测量结果。这里的水介质为普通自然水。固定水上、水下摄像装置与目标之间距离，将试验平台调校到最佳状态下，多次对核燃料组件上管座宽度、下管座宽度、上下管座之间距离进行测量，分析视觉重复测量的稳定性以及测量精度的影响因素。从测试结果可以看出，本实施例分别对水上、水下测量结果进行测试，从水上与水下测量结果可以看出，水下较水上测量结果误差增大，这可能是由于模拟水箱是采用钢化玻璃制成，四周透明，外部灯光对成像画面有很大干扰，会出现光照不均匀现象，导致关注特征不明显，影响测量精度。

进一步地，表4表示不同介质下上下管座高度差测量结果，从结果可以看出，在高硼水的介质中误差明显小于普通的自然水，这表明通过使用高硼水可以减少测量误差，提高测量精度。

表2水上上下管座高度差测量结果

表3水下上下管座高度差测量结果

表4不同介质下上下管座高度差测量结果

实施例2

在本实施例中，采用反光镜成像原理，对目标样件进行间接成像试验，并验证测量精度。优选地，本试验分别针对水上和水下两种情况对核燃料组件上管座宽度进行测量。将滑块移动到摄像机支架的上端，然后通过固定装置将其固定，通过摄像机灯光打射在反光镜上，使其放光镜呈现物像，若反光镜没有呈现全相，可根据第二驱动组件让其在反光镜中呈现全相。表4和表5分别表示水上、水下上管座宽度测量结果，通过对比可以看出，反光镜成像模型与直照模型的测量结果较接近，因此反光镜成像模型在增强摄像机使用寿命的前提下，其测量精度在允许误差范围内。

表5水上上下管座高度差测量结果

表6水下上下管座高度差测量结果

实施例3

在本实施例中，核燃料组件试验平台还可以对核燃料组件外观的完整性进行测量。通过在核燃料组件表面上制造缺陷，比如辊印、划痕、粘结、锈斑(见图5a至5d)，合理的选型摄像装置，人为调整摄像装置参数，可以拍摄目标物清洗图像，实现目标物表面完整性检测。如果目标物表面完整性受到破坏，可以通过相机探头检测，并利用软件对缺陷部位进行标记。从图5a至5d可以明显的看出，样品缺陷可以很明显的被探测出，实现了试验平台能够在水下对缺陷物进行外观完整性的检测的可能。

以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。