能源是人类用来维持生存活动的能量来源，也是国民经济增长的重要物质基础。随着社会经济的发展，人们对能源的需求也越来越大，随之也产生了一系列严重的后果——日益严重的气候问题、环境污染和能源危机。因此，作为新型清洁能源的核能便成为各国竞相发展的新能源。

核能发电的原料是二氧化铀陶瓷芯块，一般呈小圆柱形，芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，形成燃料棒。燃料棒的质量和燃烧效率以及燃烧的安全性与它的芯块密度参数密切相关，芯块密度也是核燃料产品质量控制的一个重要指标^[1-2]。在大批量生产过程中对核燃料芯块密度的精确测量具有重要的实用价值和现实意义^[3-5]。

目前，国内在核燃料芯块密度检测领域尚无先进的测量技术和仪器，工厂主要采用千分尺测量法或水测法测量芯块密度：千分尺测量法需接触芯块测量，易对芯块造成损坏，容易产生人眼读数误差；而水测法对测量环境要求较高，测量速度缓慢。为了解决上述问题，提高测量精度和检测速度，文中采用光学扫描方法对芯块高度和直径进行快速同步非接触式测量，采用电子天平同步测量芯块重量，经过数据处理获得芯块的几何密度。系统涉及精密机械、光学、信号处理、自动控制和计算机技术等，是集光、机、电、算技术一体的实现芯块尺寸和密度自动检测的先进测量系统。

1 系统构成及原理 1.1 系统构成

系统主要由3个部分组成：核燃料芯块密度仪、计算机和服务器。核燃料芯块密度仪用于核燃料芯块直径、高度及重量的采集，主要由直径和高度传感器、电子分析天平、显示控制器、电机驱动控制等组成(见图 1)。

计算机用于测量平台的控制，数据显示、超差报警、存储查询、报表生成等功能的实现。服务器用于测量数据的存储与管理。

1.2 测量原理

核燃料芯块外形如图 2所示，系统需要测量的几何尺寸是芯块的直径和高度，质量采用电子分析天平来进行测量，利用密度公式计算出芯块的几何密度为

$ \rho =\frac{M}{V}=\frac{M}{\frac{\pi H{{D}^{2}}}{4}-{{V}_{0}}}, $

(1)

式中：M为质量；H为高度；D为直径；V₀为空腔体积。空腔体积采用其他测量系统进行测量，系统中空腔体积V₀为常数。

芯块高度和直径测量原理如图 3所示。LED发出的辐射光经过散射器件和准直仪镜头变成一定宽度均匀的平行光，然后投射到待测芯块上，由于芯块不透光，自身遮挡的部分呈现阴影。没有被遮挡的那部分平行光，进入接收端的远心光学系统并成像在传感器上，通过检测芯块图像的边缘来测量待测参数。由于亮区和暗区之间的界限不是很清晰，因此在输出参数之前必须进行边缘检测，系统采用DE(数字边缘检测)处理器对边缘进行检测。边缘检测完成之后，通过CPU进行数据处理，再将数据通过接口传输给计算机^[6-9]。

核燃料芯块质量是影响核反应堆安全的关键，为排除芯块锥度影响，对芯块直径采用扫描式测量。将步进电机安装于直径测量传感器接收端的升降平台内，从而驱动升降台完成直径的扫描式测量。在保证精度的前提下，可以满足7、5、3 mm 3种扫描距离选择(每种扫描距离至少可扫描20个点，可选择最大值、最小值、平均值)。

2 系统软件

系统软件采用Visual C++编程^[10]，主要由测量、查询、报表中心、用户管理、权限设置和系统设置组成(见图 4)。

2.1 测量模块

测量模块包括电机驱动控制、数据采集^[11]、数据显示及存储^[12]、高度和直径建标(利用标准芯块建立系统测量基准)、阈值设置及超差报警等功能。

测量流程如图 5所示。程序首先对电机、接口等进行初始化，然后对测量参数及范围进行初始化，为防止扫描过程中操作人员误触空格键对测量过程造成影响，在扫描过程中设置了键盘钩子屏蔽了空格键。测量结束后，测量数据通过接口读入计算机显示。根据预先设置的阈值范围，程序将自动检查数据是否超差并做出相应处理。该模块还实现了网络状态实时监控和测量数据存储管理功能。

2.2 其他功能模块

测量数据的管理是工程测量中的重要环节。查询模块主要用于测量数据的查询及导出；报表中心模块主要根据需求定制生成报表并预览及打印，其中包括数据报表、频率图报表及波动图报表；用户管理模块主要用于操作用户的新增、修改及删除；权限设置模块主要用于操作用户权限的新增、修改及删除；系统设置模块主要用于服务器IP、名称的设置及报警提示音设置。

3 测量系统误差分析

芯块密度主要依据直径、高度、质量3个测量数据进行计算得到，测量误差主要包括以下几个方面^[13-15]。

3.1 标准块建标误差

测量前，需对系统进行建标，建标采用的标准芯块有一定的加工精度，通过在同一点做旋转实验，高度和直径值有一定的变化，转完1周以后2个测量值又回到原值。根据计量监测局检定报告数据，直径误差Δ_D1=±1 μm，高度误差Δ_H1=±2 μm。

3.2 传感器误差

传感器采用高亮度氮化镓绿色LED作为光源，提供了稳定的光源照明，而双远心光学系统保证了光线的准直性，通过利用标准块对系统进行建标以及软、硬件等校正环节，传感器误差可控制为Δ_D2=Δ_H2=±1 μm。

3.3 底座平面平行度误差

当被测芯块所处的底座倾斜时，会造成测量光束与芯块轴线不平行，从而产生测量误差。如图 6所示，α为底座倾斜角，d为芯块移动的最大距离。芯块采用标定测量，因此平行度对直径测量几乎没有影响，即Δ_D3=0；底座倾斜角α非常小，系统可以控制为2′，高度测量误差Δ_H3=±1 μm。

3.4 基准位置变化误差

高度是以底座平面为基准进行测量的，而底座是直接放置在天平上的。系统是在将标准块放置在底座上之后才建标定基准，由于天平测量质量采用的是杠杆原理，其横梁的硬度足够大，当放入其他芯块进行测量时，其基准位置的变化很小，可以忽略不计。此项误差对直径和高度没有任何影响，即Δ_D4=Δ_H4=0。

上述各个误差之间相互对立，综合上述4项误差可以得到：

直径误差：

$ {{\Delta }_{D}}=\pm \sqrt{{{\Delta }_{D1}}^{2}+{{\Delta }_{D3}}^{2}+{{\Delta }_{D3}}^{2}+{{\Delta }_{D4}}^{2}}=\pm 1.41\ \mu \rm{m}。$

(2)

高度误差：

$ \begin{align} & {{\Delta }_{H}}=\pm \sqrt{{{\Delta }_{H1}}^{2}+{{\Delta }_{H2}}^{2}+{{\Delta }_{H3}}^{2}+{{\Delta }_{H4}}^{2}} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\pm 2.45\ \mu \text{m} 。\\ \end{align} $

(3)

4 系统测试 4.1 精度测试

现对1个标准块(计量监测局检定的直径和高度值分别为：8.430 0 mm和10.920 0 mm，不确定度为±1 μm)重复测量80次，对芯块每测量4次后重新放置，测量40次后把芯块倒置再测，测量结果见表 1。

由表 1可以得出，系统重复性好，精度高。直径标准差0.3 μm，极限误差0.9 μm，高度标准差0.8 μm，极限误差2.4 μm，与误差理论分析结果相吻合。

4.2 速度测试

经测试，系统对核燃料芯块的检测速度分别为7块/min(7 mm扫描范围)，9块/min(5 mm扫描范围)，12块/min(3 mm扫描范围)。

目前，该系统已正式投入使用。运行期间，系统各项指标完全符合“直径检测误差≤2 μm，高度检测误差≤5 μm，检测速度≥5块/min”的设计要求。

5 结束语

核燃料芯块几何尺寸及密度检测系统利用光学传感技术、自动控制技术和计算机技术，对核燃料芯块几何密度实现了快速在线高精度测量。检测速度达到了7块/min，直径检测精度达到1 μm，高度检测精度达到3 μm；系统软件界面美观，操作简便，具有数据实时显示、超差报警、存储查询、报表生成、用户管理等功能。整个系统实现了核燃料芯块几何密度的高精度快速检测，极大地提高了芯块检测的自动化水平。