爆炸場(chǎng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)探測(cè)裝置設(shè)計(jì)*

王 偉，丁永紅* ，尤文斌，祖 靜

(1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

毀傷威力場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試是為了了解爆炸沖擊波引起的被打擊目標(biāo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度信號(hào)的特征、破壞機(jī)理，掌握炸藥毀傷威力在不同距離上的破壞規(guī)律，使炸藥在軍民兩用上發(fā)揮更大作用［1］。在爆破測(cè)試過(guò)程中，采用質(zhì)點(diǎn)峰值速度來(lái)作為評(píng)價(jià)爆炸振動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ锏钠茐男?yīng)。研究表明爆炸振動(dòng)的頻率和持續(xù)時(shí)間與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間存在著很大的聯(lián)系［2］。爆炸場(chǎng)除沖擊波外振動(dòng)是對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞的主要原因之一。因此振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)爆炸毀傷威力的一項(xiàng)重要參數(shù)。而工程中較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由于采用實(shí)物測(cè)試費(fèi)用與試驗(yàn)條件限制，當(dāng)前關(guān)于彈藥爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)影響的文章較多，多采用有限元數(shù)值與高瞬態(tài)非線性有限元分析程序法［3］。

本文采用抗惡劣環(huán)境的存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，采用Hopkinson桿對(duì)振動(dòng)記錄儀進(jìn)行了沖擊校準(zhǔn)，獲得其高沖擊下動(dòng)態(tài)靈敏度［4］。將探測(cè)頭安裝在距3 kg TNT爆心周?chē)牟煌恢眠M(jìn)行實(shí)爆試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄真實(shí)的沖擊加速度信號(hào)。測(cè)試完畢回收探測(cè)頭，將記錄數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與研究提供可靠依據(jù)。

1 探測(cè)頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1.1 探測(cè)頭電路及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

探測(cè)頭的工作原理圖如圖1所示，由加速度傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、控制單元模塊、無(wú)線數(shù)傳模塊、Flash存儲(chǔ)器、光電轉(zhuǎn)換接口組成。探測(cè)頭可以實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的加速度信號(hào)，無(wú)線數(shù)傳模塊接收響應(yīng)控制端的控制命令，使存儲(chǔ)采集電路在觸發(fā)前循環(huán)記錄，存儲(chǔ)器中始終保持最新的8 MByte的數(shù)據(jù)。接收到觸發(fā)信號(hào)后，電路系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到另一容量為8 MByte的存儲(chǔ)空間順序記錄，直至存儲(chǔ)空間裝滿(mǎn)后停止。在實(shí)爆試驗(yàn)中，由于TNT起爆后對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度具有頻率高、持續(xù)時(shí)間短、電磁環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，并且爆炸所產(chǎn)生的電磁干擾極為嚴(yán)重，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了多種材料多層組合的屏蔽測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁屏蔽。

圖1 探測(cè)頭工作原理圖

探測(cè)頭外殼是由多屏蔽層構(gòu)成的3級(jí)密閉屏蔽結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物分別如圖2和圖3所示。其第1層由磁導(dǎo)率較高的材料組成，用以屏蔽磁場(chǎng);第2層是電導(dǎo)率較高的材料，用以屏蔽電場(chǎng);第3層采用磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率良好的材料構(gòu)成復(fù)合屏蔽層，用以密封電路模塊。

圖2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)電子遙測(cè)裝置

圖3 探測(cè)頭裝置實(shí)物圖

1.2 觸發(fā)控制單元設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)方法中各探測(cè)頭觸發(fā)無(wú)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致的各探頭零時(shí)刻無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以及誤觸發(fā)、不觸發(fā)故障的發(fā)生［5］。利用無(wú)線技術(shù)在各探測(cè)頭安裝無(wú)線模塊，主機(jī)和各探測(cè)頭無(wú)線模塊之間采用廣播方式進(jìn)行參數(shù)配置、發(fā)送統(tǒng)一的觸發(fā)命令，使各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的零時(shí)刻具有統(tǒng)一的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)試完成回讀數(shù)據(jù)后就能確定探測(cè)頭的觸發(fā)源，并通過(guò)各探測(cè)頭記錄外觸發(fā)的時(shí)間修正時(shí)間零點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)由此確定了統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)?，F(xiàn)各探測(cè)裝置和無(wú)線模塊之間采用短光纖連接，探測(cè)頭與探測(cè)頭之間無(wú)任何連接線，進(jìn)一步提高了其抗干擾能力。

2 傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定(Hopkinson)

Hopkinson桿和激光多普勒測(cè)速儀所組成的校準(zhǔn)系統(tǒng)是目前原理最完善，最可靠的沖擊校準(zhǔn)方法，它是直接借助計(jì)量學(xué)的基本量和單位(時(shí)間和長(zhǎng)度)復(fù)現(xiàn)加速度量值與單位的方法。其特點(diǎn)是可以精確給出加速度激勵(lì)的絕對(duì)量值和真實(shí)波形，與加速度計(jì)的輸出聯(lián)合處理，可最終給出加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性［6］。對(duì)高g值加速度計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究。該實(shí)驗(yàn)方法具有重復(fù)性好、操作方便等特點(diǎn)，加速度幅值可以高達(dá)2×105gn［7］。由于野外使用環(huán)境條件惡劣，顛簸振動(dòng)較大，傳感器的靈敏度容易受到影響，故傳感器應(yīng)在每次試驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。

2.1 標(biāo)定原理及標(biāo)定方法

標(biāo)定裝置示意圖如圖4所示，被校準(zhǔn)的加速度計(jì)通過(guò)其下端的M5螺栓固連在安裝座端面上，安裝座側(cè)面沿軸線方向貼有反射光柵，另一端面通過(guò)真空夾具和油脂緊密吸合于Hopkinson桿一端，桿的另一端通過(guò)真空夾具和油脂緊密吸合波形調(diào)整墊，其材料取2A12鋁或紫銅。試驗(yàn)時(shí)使用頭部和尾部具有一定錐度的子彈(35CrMnSiA鋼)同軸撞擊調(diào)整墊，在桿中產(chǎn)生一個(gè)近似為半正弦的壓應(yīng)力波［8］。由于桿和安裝座的材料均采用鈦合金(TC4)，則壓應(yīng)力波形幾乎不受影響地通過(guò)二者接觸面，并在安裝座的自由一端反射為拉伸波，使入射壓力波與反射拉伸波疊加。當(dāng)桿與安裝座接觸面的合力為靜拉力時(shí)，安裝座以及上面的加速度計(jì)將從桿端飛離，加速度計(jì)獲得加速運(yùn)動(dòng)。安裝座上的光柵運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)差動(dòng)激光干涉儀產(chǎn)生頻移信號(hào)，由計(jì)算機(jī)對(duì)該頻移信號(hào)進(jìn)行采集、頻率解調(diào)和微分，可獲得作用于加速度計(jì)的速度或加速度激勵(lì)信號(hào)，將該信號(hào)與加速度計(jì)的輸出信號(hào)比較，可以實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的絕對(duì)沖擊校準(zhǔn)［9］。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

本探測(cè)頭系統(tǒng)采用的振動(dòng)傳感器型號(hào)為CAYD－111GM，參考靈敏度為 0.062 pc/gn，其頻率響應(yīng)高，最大允許加速度為5×105gn，最大橫向靈敏度比小于5%。利用Hopkinson桿對(duì)所設(shè)計(jì)的振動(dòng)探測(cè)頭進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)，圖5為Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置。圖6為其中一次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多普勒信號(hào)，圖7為多普勒信號(hào)經(jīng)處理后的加速度曲線與傳感器輸出的第一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)比。由圖6可知，經(jīng)多普勒信號(hào)計(jì)算得到的加速度值為45 136 gn，探測(cè)頭測(cè)得的電壓乘以靈敏度系數(shù)后得到加速度值為46 223 gn，測(cè)試系統(tǒng)誤差為2.4%。

圖6 多普勒信號(hào)

圖7 加速度對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與結(jié)果分析

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)時(shí)將各裝置布設(shè)于爆心四周，圖8為現(xiàn)場(chǎng)布置效果圖、圖9為爆炸現(xiàn)場(chǎng)。振動(dòng)測(cè)試中的測(cè)點(diǎn)布置極其重要，它直接影響測(cè)試的效果及觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，測(cè)點(diǎn)布置主要依據(jù)測(cè)試目的和要求進(jìn)行。此外，為避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)密集在某一區(qū)域內(nèi)，在一條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)數(shù)一般不少于6個(gè)［10］。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)布置效果圖

圖9 爆炸現(xiàn)場(chǎng)

圖10所示為毀傷測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)探測(cè)頭距爆心1.5 m處測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)，圖11是毀傷測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)探測(cè)頭距爆心3 m處的加速度信號(hào)，該數(shù)據(jù)為2012年12月26日于XX靶場(chǎng)試驗(yàn)1.5 kg、3 kg TNT測(cè)得，所取數(shù)據(jù)為3 kg TNT實(shí)測(cè)曲線。

圖10 距爆心1.5m處的振動(dòng)曲線

由圖12、圖13測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)10 kHz濾波后得出，在22.07 ms時(shí)刻至28.84 ms時(shí)刻之間為距爆心1.5 m處測(cè)點(diǎn)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)曲線，加速度到達(dá)時(shí)間為27.41 ms，達(dá)到最大值時(shí)間為38.84 ms，加速度最大峰值為15 570 gn。在35.36 ms時(shí)刻為爆炸振動(dòng)信號(hào)傳至距爆心3 m處測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻，在35.39 ms時(shí)刻振動(dòng)峰值達(dá)到最大值為5 306 gn。

圖11 距爆心3m處的振動(dòng)曲線

圖12 距爆心1.5m處測(cè)點(diǎn)10 kHz濾波曲線

圖13 距爆心3 m處測(cè)點(diǎn)10 kHz濾波曲線

圖14、圖15所示為傳統(tǒng)引線測(cè)試方法測(cè)得的加速度曲線及其濾波曲線，對(duì)比圖10、圖12可知本文涉及的沖擊振動(dòng)加速度探測(cè)裝置很好的解決了沖擊振動(dòng)測(cè)試中常伴隨爆炸產(chǎn)生的干擾問(wèn)題。本系統(tǒng)結(jié)合了電磁屏蔽技術(shù)、存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)及光纖傳輸技術(shù)，具有精度高、信號(hào)完整性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)要求測(cè)試信號(hào)精度高、完整性好的動(dòng)態(tài)測(cè)試中有現(xiàn)實(shí)意義。

圖14 傳統(tǒng)方法測(cè)得的加速度曲線

圖15 傳統(tǒng)方法測(cè)得的加速度濾曲線

4 總結(jié)

本文提出的便攜式結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)遙測(cè)裝置，實(shí)時(shí)記錄了實(shí)爆試驗(yàn)中3 kg TNT當(dāng)量爆炸所產(chǎn)生的沖擊加速度曲線，實(shí)測(cè)曲線信號(hào)完整、無(wú)干擾。分析記錄的多組數(shù)據(jù)表明距爆心不等距下毀傷目標(biāo)的沖擊振蕩加速度幅值規(guī)律:在距爆心1.5 m時(shí)沖擊波產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)加速度達(dá)到了最大值，在距爆心3 m時(shí)沖擊加速度幅值有所衰減。爆炸后自激振動(dòng)幅度與沖擊波產(chǎn)生的振蕩加速度相當(dāng)，衰減速度更長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)體的自激振蕩是結(jié)構(gòu)毀傷的另一個(gè)主要因素。測(cè)試結(jié)果對(duì)評(píng)估彈箭等戰(zhàn)斗部的毀傷威力性能具有重要的參考價(jià)值。

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