一种包覆颗粒的检测方法及其装置与流程

1.本发明涉及测量与检测技术领域，具体涉及一种包覆颗粒的检测方法及其装置。


背景技术：

2.包覆颗粒是高温气冷堆的燃料元件的基本构成单元，其由燃料核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层组成；由该四层构成的微球形复合压力容器能包容燃料和放射性裂变产物，是阻挡放射性裂变产物的最主要屏障。因此，包覆颗粒的质量直接关系到核反应堆的安全运行。从而在包覆颗粒的生产过程中，就要求工艺流程能够较为快速、准确地测量包覆颗粒各包覆层的厚度，从而根据测量结果及时调整工艺参数，以确保制备出高性能的高温气冷堆包覆颗粒。
3.目前，用于检测核燃料颗粒包覆层厚度的方法主要有x射线显微成像法、v型槽法、金相法、颗粒尺寸分析仪法等。综合考虑检测成本、检测效率、检测精度以及对检测环境的需求，最适合工业应用的是金相法。金相法通常采用树脂包裹核燃料颗粒，通过磨削加工使核燃料颗粒露出核芯和各包覆层，制成磨削样片；由人工通过显微镜观察样片表面，挑选出完整且磨削状态良好的核燃料颗粒，再人工在各包覆层边界标记三个点进行圆拟合。但是，由于包覆颗粒每层的边缘形状并不规则，选取的点也具有一定的随机性，难以保证该厚度测量方法的精度和准确性，且人工操作效率低、包覆颗粒受伤害程度高。
4.现有技术中，cn110428916a公开了一种包覆颗粒的厚度检测方法，在计算设备中执行，所述包覆颗粒包括内核层和至少一个包覆层，该方法包括步骤：获取包括待测包覆颗粒的全局剖面图像，并从全局剖面图像中提取待测颗粒图像；从待测颗粒图像中确定各层的种子点，并基于各层的种子点进行种子区域生长，得到各层的区域范围；基于各层的区域范围计算各层的轮廓线，并确定内核层的中心点；以及根据内核层的中心点和各层的轮廓线计算各层的厚度；该专利文献还公开了相应的包覆颗粒的厚度检测装置和计算设备。该技术虽然从一定程度上解决了上述人工处理精度低、效率低等技术问题，但是仅仅对完整的包覆颗粒的包覆层厚度进行计算，并不能很好的识别破损的颗粒和对其进行破损率统计；同时由于采用多个不同倍率的图像采集装置转换来采集多个图像进行合并处理，操作较为繁琐，图像处理效率较低。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种包覆颗粒的检测方法，实现对包覆颗粒的自动化识别定位，同时能够对完好包覆颗粒的包覆层厚度进行快速准确地测量。
6.实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种包覆颗粒的检测方法，包括以下步骤：1）制作金相样品；2）图像预处理：由图像采集和处理系统采集所述金相样品上同一平面的图像，并
进行图像预处理；3）颗粒识别：对预处理的图像依次进行目标轮廓提取、拟合定位圆心和颗粒轮廓识别；4）颗粒定位：依次识别金相样品上同一平面上的颗粒，并记录其坐标；5）分析计算：对识别的颗粒进行图像处理、目标区域及内边缘提取和分析，记录破损率以及计算颗粒的各层厚度。
7.进一步，本发明还提供一种检测包覆颗粒的装置，根据上述检测方法由图像采集和处理系统进行图像预处理、颗粒识别、颗粒定位和分析计算；所述图像采集和处理系统包括处理器、金相显微镜，在金相显微镜的下方设有二维平移台，所述二维平移台上安装有一动态定标夹持装置用于固定金相样品；所述图像采集和处理系统、二维平移台均设于机架上。
8.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明检测方法通过采集图像预处理和颗粒识别，能够快速、准确地定位包覆颗粒的核芯位置和提取其边缘轮廓，从而识别包覆颗粒的完整性，并对完整的包覆颗粒进行标记和对其包覆层厚度进行快速、精确的计算，同时对破损的包覆颗粒进行统计，最终能够高效的得出金相样品中的包覆颗粒的分布情况、破损情况以及包覆颗粒包覆层的厚度尺寸，为包覆颗粒的生产工艺、质量检测等提供技术参考。
9.2、采用本发明检测装置，能够快速、精准地将待测样品进行固定和定位，并能方便地调整高度和进行水平二维移动，同时采用动态定标夹持装置后，使用金相显微镜对单个或多个金相样品进行检测时，不需要采用不同倍率的物镜进行切换便可以采集到高精度的图像，并且处理效率高，精度较好，便于对包覆颗粒的金相样品进行自动化定位和识别，统计其破损率和计算包覆层的各层厚度。
10.3、本发明在动态定标夹持装置上设置夹持座、固定块和锁紧机构，便于对金相样品进行固定；同时通过设置横向和竖向的标准块，使得采集得到的图像在横向和竖向均具有很好的参考，防止图像失真或拉伸等不良环境因素带来的精度下降，进一步的提高了包覆颗粒的识别和各层厚度的尺寸计算精度。
附图说明
11.图1为本发明包覆颗粒检测方法中颗粒识别流程图；图2为本发明包覆颗粒记录破损数据和厚度检测流程图；图3为本发明包覆颗粒检测装置的结构示意图；图4为本发明包覆颗粒检测装置中动态定标夹持装置结构示意图（俯视）；图中，1
‑
图像采集和处理系统，2
‑
物镜，3
‑
金相样品，4
‑
动态定标夹持装置，41
‑
底板，42
‑
夹持座，43
‑
定标标准块，44
‑
锁紧螺栓，45固定块，5
‑
二维平移台，6
‑
机架。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明测量包覆颗粒层厚度的方法及其装置的作进一步详细说明。
13.一、本发明提供一种包覆颗粒的检测方法，包括以下步骤：
1）制作金相样品；2）图像预处理：由图像采集和处理系统采集所述金相样品上同一平面的图像，并进行图像预处理；3）颗粒识别：对预处理的图像依次进行目标轮廓提取、拟合定位圆心和颗粒轮廓识别；4）颗粒定位：依次识别金相样品上同一平面上的颗粒，并记录其坐标；5）分析计算：对识别的颗粒进行图像处理、目标区域及内边缘提取和分析，记录破损率以及计算颗粒的各层厚度。
14.其中，所述步骤1）制作金相样品：包括将若干包覆颗粒在模具中通过粘合剂粘接为一体，再对该金相样品的待检测面进行研磨和抛光，直至在同一平面上露出若干包覆颗粒的核芯和各包覆层。所述步骤2）图像预处理：包括由图像采集和处理系统对金相样品的待检测面进行扫描拍摄采集图像，并对采集得到的图像进行灰度化、降采样、图像滤波去噪、直方图均衡化增强和固定阈值分割的预处理，得到具有清晰边缘特征的各包覆层图像。所述步骤3）颗粒识别：包括通过对预处理得到的图像进行目标区域提取、定位核芯、轮廓初步提取、多判据去除伪边缘和模糊轮廓提取处理，实现露出的包覆颗粒各包覆层轮廓的提取；其中，所述定位核芯采用圆拟合的方式得到核芯的轮廓并定位其圆心和坐标。所述步骤4）颗粒定位：包括提取颗粒轮廓后，对该包覆层轮廓进行判断，当包覆层部分缺失或包覆层部分断裂或核芯丢失，则记为破损颗粒；当检测到的包覆颗粒核芯轮廓和包覆层轮廓均完整时，则记为完整颗粒并标记其位置。所述步骤5）分析计算：根据所述待检测面的包覆颗粒数和破损数，计算得到所述金相样品中包覆颗粒的破损率；并根据完整包覆颗粒的核芯中心点向外沿多个方向建立方向矢量，并找出各包覆层在该方向矢量上的边缘点，计算得到各包覆层的相应像素平均值，并计算得到各包覆层的实际尺寸。
15.参见图1，本发明包覆颗粒检测方法中颗粒识别流程，包括图像预处理（采样、滤波去噪、增强、阈值分割）、颗粒识别（目标轮廓提取、拟合定位圆心、轮廓识别）、确定是否存在颗粒、自动控制平移台运动，最后记录颗粒坐标。
16.参见图2，本发明包覆颗粒记录破损数据和厚度检测流程，包括图像采集、预处理去噪、自适应轮廓检测、目标区域及内边缘提取、边缘层数缺少判断、记录破损点、计算各层厚度，最后结束。
17.二、本发明还提供一种包覆颗粒的检测装置根据上述检测方法由图像采集和处理系统1进行图像预处理、颗粒识别、颗粒定位和分析计算。参见图3，包覆颗粒的检测装置主要包括图像采集和处理系统1、二维平移台5和机架6；所述图像采集和处理系统1、二维平移台5均设于机架6上。所述图像采集和处理系统1包括处理器、金相显微镜（含物镜2），所述二维平移台5设于图像采集和处理系统1的金相显微镜之下方，二维平移台5上安装有一动态定标夹持装置4用于固定金相样品3。所述二维平移台5包括水平向驱动机构和竖向驱动机构，使二维平移台能够沿水平和竖直方向调节位置。所述二维平移台5由自动控制系统调节控制水平和竖起方向的位移。
18.参见图4，所述动态定标夹持装置4包括底板41，在底板41上设有夹持座42，相对夹持座卡口侧设有固定块45，在所述固定块45上设有一锁紧螺栓44，转动锁紧螺栓44能够将金相样品3锁紧在卡口内；所述定标标准块43包括相互垂直的横向和纵向标准块。
19.三、本发明包覆颗粒检测方法及其装置的应用1、制取金相样品。将若干包覆颗粒（通常粒径为1mm左右）按常规方法由树脂粘接制成金相样品3；其中，包覆颗粒随机分布，以模拟实际元件的结构特征和形状。在检测时，对该金相样品3的待检测面进行研磨和抛光，直至露出包覆颗粒的核芯和各包覆层。
20.2、图像采集。将上述金相样品置于动态定标夹持装置4固定，将所述动态定标夹持装置4安装到二维平移台5上，并使该金相样品3的待检测面正对金相显微镜的物镜2，调整物镜与二维平移台5之间的高度，获得包含所述定标标准块43和金相样品3的清晰成像，并建立像素分辨率数据。所述二维平移台5包括水平向驱动机构和竖向驱动机构，使二维平移台5能够沿水平和竖向移动。所述水平向驱动机构和竖向驱动机构采用液压传动或齿条传动或螺杆传动机构，用于驱动二维平移台5沿预设轨道水平或竖向移动。扫描方式采用周期性的方式扫描，由自动控制系统控制根据图像的处理进度来控制二维平移台5的移动，这样可以在稳定的条件下采集清晰的图像以方便后续的图像处理识别。为进一步加快扫描速度，并防止在识别过程中出现重复识别的问题，当每次扫描识别出完整颗粒后，停止图像识别，并标记识别颗粒周围直径范围内的区域为非扫描采集图像点，并且直到二维平移台5沿原方向移动颗粒的直径距离后，再开始进行扫描识别。
21.通过将金相样品3固定在动态定标夹持装置4上，并在该动态定标夹持装置4上设有经计量院标定的定标标准块。在采集金相样品的图像时，采集的图像中始终包含该定标标准块，或调整好金相显微镜与金相样品之间的高度后，先拍摄定标标准块，然后再拍摄金相样品，从而更好的建立像素分辨率数据，在采集的不同的图像中，通过定标标准块在图像上所占用的像素点，可以很方便的计算换算出占用相应像素点的包覆层的实际尺寸，便于数据的统一和计量，精确度较高。
22.3、图像预处理。由图像采集和处理系统1的物镜采集所述金相样品上同一圆平面的图像，并进行图像预处理。对采集的图像先灰度化，为了加快后续的图像核心的定位，减少运算量，在不影响后续图像定位产生大的影响的情况下对图像进行降采样操作，中值滤波在滤除无噪声的同时，使得包覆颗粒的边缘特征得到了很好地保留。
23.由于实际扫描拍摄过程中图像的质量会受到很多因素的影响，比如当拍摄时曝光不足时可能会导致图片部分偏暗，光强分布不均的情况发生，采用直方图均衡化增强，增强后整体图像亮度得到增强，并且对比度也得到了整体的增强，目标区域与相邻的包覆层边界明显。
24.阈值分割采用固定阈值法，该方法不仅能够将核心区域分割开来，而且第二、三层的边缘也被较好的分割开来，能较好适应核心缺失的情况。
25.4、颗粒识别：对预处理的图像依次进行目标轮廓提取、拟合定位圆心和颗粒轮廓识别。通过对该预处理得到的图像进行目标区域提取、定位核芯、轮廓初步提取、多判据去除伪边缘和模糊轮廓提取处理，实现包覆颗粒各包覆层轮廓的提取。
26.其中，预处理先灰度化减少了数据量，采用中值滤波在滤除噪声的同时还很好地保留了图像的边缘特征，有利于后续轮廓边缘的识别和提取。采用基于局部的自适应阈值分割检测目标的轮廓，在检测到主要轮廓后，由于被测目标区域周围存在其他背景信息，且其中有一些细小的干扰和第二层轮廓存在许多断裂的像素点，通过目标区域提取、定位核芯、轮廓初步提取、多判据去除伪边缘和模糊轮廓提取五个操作实现提取其各层边缘。
27.目标区域提取的轮廓提取算法采用suzuki 等人提出的基于拓扑结构分析的边界跟踪算法，从背景中分离整个目标颗粒。
28.在将目标区域提取出来后，对核芯圆进行定位，以确定整个颗粒的中心位置，便于后续各层轮廓的分层提取。由于图像中除了目标轮廓之外，还存在许多干扰轮廓，而核芯的剖面形状为圆形，因此核芯圆的定位采用最小二乘圆拟合来实现。
29.目标区域提取后的分割图像其中有一些细小的干扰，这些干扰会影响到轮廓的提取，采用形态学的开闭运算可以去除轮廓附近一些干扰的像素点和连接断开的像素点。提取轮廓的过程中存在很多干扰轮廓，且阈值化分割图像中提取的边缘线较粗，会存在伪边缘，先采用各个轮廓线长度作为判据，滤除一些小的干扰轮廓，再以轮廓的面积和其重心作为双判据，初步寻找目标区域各层轮廓，初步提取的轮廓存在伪边缘，再采用圆形度和相邻两轮廓面积比双判据识别伪边缘。针对包裹核芯的第一、二层模糊的轮廓线曲折的特点，对该层采用更大结构元素的形态学开闭运算操作，再提取该层边缘。
30.5、包覆颗粒的标记。提取各包覆层轮廓后，对该包覆层轮廓进行判断，当包覆层部分缺失或包覆层部分断裂或核芯丢失，则将该包覆颗粒标记为破损颗粒；当包覆颗粒的核芯轮廓和包覆层轮廓均完整时，则将该包覆颗粒标记为完整颗粒并标记其位置。
31.6、分析计算。对识别的颗粒进行图像处理、目标区域及内边缘提取和分析，记录破损点以及计算颗粒的各层厚度。破损的颗粒会存在轮廓层数缺少的情况，其内部主要会存在下列几种情况：其一，包裹核芯的外面各层出现层缺失；其二，包裹核芯的外面各层中出现部分层断裂；其三，核芯出现丢失。当出现情况一和二种时，在轮廓初步提取阶段就会出现轮廓层数减少的情况，当去除伪边缘轮廓后，当整个颗粒轮廓的层数少于5层时，即可认为该颗粒属于破损颗粒；当出现情况三时，在进行扫描阶段就会将其识别出来，直接将该颗粒标记为破损颗粒。当出现以上几种情况时，自动把该颗粒标记为破损颗粒，通过总的颗粒数和破损的颗粒数据就可以得到该批次样品的破损率。
32.对其中的完整颗粒，以其核芯的中心点向外沿多个方向建立方向矢量，并找出各包覆层在该方向矢量上的边缘点，计算得到各包覆层的相应像素平均值，结合所述的像素分辨率数据，计算得到各包覆层的实际尺寸。
33.本发明通过对采集的图像的预处理和颗粒识别的方法，能够快速、准确地定位包覆颗粒的核芯位置和提取其边缘轮廓，从而识别包覆颗粒的完整性，并对完整的包覆颗粒进行标记和对其包覆层厚度进行快速、精确的计算，同时对破损的包覆颗粒进行统计，最终能够高效的得出金相样品3中的包覆颗粒的分布情况、破损情况以及包覆颗粒包覆层的厚度尺寸。
34.进一步，本发明通过将金相样品3固定在动态定标夹持装置4上，并在该动态定标夹持装置4上设有经计量院标定的定标标准块43，在采集金相样品3的图像时，采集的图像中始终包含该定标标准块43，或调整好金相显微镜与金相样品3之间的高度后，先拍摄定标标准块43，然后再拍摄金相样品3，从而更好的建立像素分辨率数据，在采集的不同的图像中，通过定标标准块43在图像上所占用的像素点，可以很方便的换算出占用相应像素点的包覆层的实际尺寸，便于数据的统一和计量，精确度较高。同时采用动态定标夹持装置4后，使用金相显微镜对单个或多个金相样品3进行检测时，不需要采用不同倍率的物镜2进行切换便可以采集到高精度的图像，处理效率高，精度较好，便于对包覆颗粒的金相样品3进行
自动化定位和识别，统计其破损率和计算包覆层的各层厚度。
35.本发明还通过在动态定标夹持装置4上设置夹持座42和固定块45，在固定块45上设置锁紧机构，便于对金相样品3进行固定，同时通过横向和竖向的标准块设置，使得采集得到的图像在横向和竖向均具有很好的参考，防止图像失真或拉伸等不良环境因素带来的精度下降，进一步的提高了包覆颗粒的识别和各层厚度的尺寸计算精度。
36.采用本发明的包覆颗粒的包覆层检测方法及其装置，能够实现对包覆颗粒的自动化识别定位，并能够快速、精确、高效的识别和统计破损颗粒和颗粒的破损率，同时能够对完好包覆颗粒的包覆层厚度进行快速准确地测量，为包覆颗粒的生产工艺、质量检测等提供技术参考。
37.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。