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激光测量传感器在核电厂设备表面缺陷三维测量中的应用

发表时间:2023-01-03 10:01

核电厂的重要设备,如反应堆压力容器、稳压器、蒸汽发生器等,因碰撞、异物等原因经常发生宏观性的表面损伤,产生表面缺陷。为保障核电厂的安全运行,必须对相关缺陷进行评价,而表面缺陷评价的重要依据即为缺陷的三维尺寸(缺陷的长度、宽度、深度)。因此,对表面缺陷三维尺寸的精力容器不锈钢堆焊层存在不同程度的确测量可以准确评价缺陷的损伤程度,为核电厂采取必要的处理措施保障电站安全运行提供十分重要的依据。

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核电主要设备的表面缺陷具有如下特点


环境辐射剂量率高;

可能存在水下作业,比如反应堆压力容器;

可能存在着较高温(40-50℃);

目标区域较小,通常为几cm*几cm 的目标区域;缺陷大小通常为毫米量级,甚至为亚毫米量级。

较为成熟的3种非接触式尺寸测量技术


1、超声波测距

超声波测距的基本原理是通过超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的时间差从而计算距离。超声测距的优点是测量范围较宽,计算简单、易于做到实时控制,缺点是精度较低,易受环境温度等影响,且成本较高。

2、红外测距

红外测距是利用红外信号遇到物体距离的不同反射的强度也不同的原理,进行物体远近的测量。红外测距传感器的优点是便宜、易制、安全,缺点是精度低、距离近、方向性较差。

超声、红外技术在无损检测方面的应用非常广泛,比如基于超声红外技术对金属管内壁缺陷的检测,以及作为无损检测主要方法之一的超声检测,但此类应用受限于高精度、三维尺寸测量及远程测量等因素,尚不适用于核电厂设备表面缺陷三维尺寸的远程测量。

3、激光测距

激光测距传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。

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基本三角法原理如上图所示:激光器、成像系统和光敏传感器组成系统的基本结构。激光光源照射到物体表面形成一个亮光点,成像系统把该光点汇聚到传感器上形成像点,当所测距离Y不同时像点会在传感器上移动,反映在光敏器件上的光点像位置X也随之不同,在基线长度已知、光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下,通过测量传感器上像点的位置就能准确确定被测物体与仪器之间的距离。

激光三角测距具有如下的一些优点:I)使用灵活,适用范围广:激光测距是利用被测物体的表面漫反射光进行测量,只要能产生漫反射就皆可被精确测量,完全适用于核电厂主要设备的测量。Ⅱ)测量精度高:可以根据需要调节激光光点的大小和激光发射功率的大小,因此可以达到很高的测量精度。III)测量范围较大,分辨率较高:测量范围可从1mm至几cm,分辨率可从几um至几十um。IV)处理速度快:可满足在线实时测量。

相比起超声、红外技术,激光测距技术的应用研究更加广泛,比如利用激光雷达实现快速三维扫描,但此类系统虽能实现三维扫描,对于核电厂主要设备的表面缺陷来说,其在扫描精度、便携性等方面存在较大不足。分析以上各种技术手段,以及考虑到本文提及的核电厂设备表面缺陷来说,其在扫描精度、便携性等方面存在较大不足。分析以上各种技术手段,以及考虑到核电厂设备表面缺陷的特点,采用激光测距的技术手段,实现核电厂设备表面缺陷三维尺寸的远程测量。

现有设备应用的局限性


尽管目前市场上存在种类繁多的测距装置,但是,还并没有一套成熟的能够适用于核电厂,实现设备表面缺陷三维尺寸高精度(亚毫米)测量的装置。能够实现高精度测量的激光测距传感器,却无法直接实现缺陷的三维测量,或无法便携地用于核电厂恶劣的现场检测(受限空间、温度、水下、高辐射等作业条件)。

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系统设计方案


综合分析红外、超声波、激光各自的技术特点,在核电厂具有高辐射剂量、作业空间狭小、水下作业(部分)、高温作业(部分)的条件下,及测量精度要求达到亚毫米的精度下,为保证技术的可靠性,采用激光测距技术实现核电厂远距离设备表面缺陷三维尺寸的无损测量。该系统设计方案由以下四个部分组成:

1、线式激光测距传感器

前端激光探头采用非接触式扫描,一次扫描可获取目标区域二维信息(深度、宽度)。线式激光测距传感器的主要性能可参照目前市场上较成熟的产品。 高精度机械传动及定位装置为使线式激光实现三维扫描,还需增加一个扫描纬度。高精度机械传动装置可使线式激光在原有二维扫描的基础上,实现三维扫描。机械传动装置增加目标区域长度方向的信息,步进电机每次给出的步进与线性激光每次扫描获得的二维信息一一对应,构成了三维信息。机械传动的最小步长不大于0.2mm。机械传动装置的另外一个作用是将激光探头传送至目标区域,提供扫描前的定位。

2、电路控制系统

控制系统为前端激光探头及机械传动装置提供控制信号,并负责提供机械传动装置工作所需的电流。

3、三维成像系统

前端得到的三维数据,通过一个三维成像系统,最后得到表面缺陷的三维立体图形,以及表面缺陷长度、宽度、深度的尺寸信息。


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