分布式測試系統(tǒng)在水中爆炸中的應(yīng)用

王蓬鵬

(邢臺現(xiàn)代職業(yè)學(xué)校，河北 邢臺 054000)

一 水中爆炸測試的國內(nèi)外研究情況綜述

1.研究情況綜述

水中爆炸研究最早出現(xiàn)在文字記載是19世紀(jì)40年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)60年代，我們國家科研院所和大專院校開始進(jìn)行該項研究工作。比如，清華大學(xué)1965開展了該項工作，當(dāng)時實驗環(huán)境為水池和水庫。再比如中國水利水電科學(xué)研究院在一九八六至一九八八年期間，進(jìn)行了該項工作，工作試驗點(diǎn)在廣西。當(dāng)時他們建造了水域面積1800平方米，最大水深3.5米的試驗場所，該試驗重點(diǎn)對水中沖擊波的特性和水下結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了研究并取得了如其效果。20世紀(jì)，我國最大的水利樞紐工程—葛洲壩工程，在大江圍堰拆除中，使用了該技術(shù)如鴨河口電廠進(jìn)水口水下鉆孔爆破。隨后在一系列工程中，比如密云水庫，豐滿水庫都采用了該技術(shù)，這些技術(shù)在工程中的大量使用，積累了大量的資料數(shù)據(jù)，豐富了水中爆炸的理論，提高了技術(shù)工作認(rèn)真的操作水平，為我國在該領(lǐng)域量測及傳感器的使用奠定了基礎(chǔ)。

2.水中沖擊波測試技術(shù)發(fā)展情況

如何測試水中沖擊波是水中測試技術(shù)的核心，必須在測試前建立一個測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)理論上應(yīng)該包括信號放大等系統(tǒng)如電荷放大器和電壓放大器。記錄分析系統(tǒng)最好是跟隨式放大自記儀、動態(tài)分析系統(tǒng)及傳感器。目前較為常見的測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水中沖擊波測試系統(tǒng)示意圖

在整個測試過程中，壓力傳感器的造測是至關(guān)重要的，壓力傳感器的傳感器件應(yīng)選擇敏感元件比如電石氣、石英等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人造陶瓷壓電材料如鋯鈦酸鉛材料也有了廣泛的應(yīng)用，但其穩(wěn)定性較差。在穩(wěn)定性方面天然材料最好。鋯鈦酸鉛材料靈敏度高，價格低。水中壓力傳感器有兩種，一種是膜片式壁壓傳感器，另一種是壓桿式水中自由場傳感器。兩種傳感器各有特點(diǎn)，在選擇時應(yīng)根據(jù)達(dá)到的目的進(jìn)行選擇，測試頻率不同，傳感器的選擇也會不同，如浪壓力、脈動壓力等，不管什么傳感器，對傳感器的主要要求是工作頻帶必須滿足測試條件，否則不能用。同時傳感器必須具有良好的相頻特性和幅頻特性。這樣就必須用較高的價錢對傳感器進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。如果傳感器生產(chǎn)廠家有定型產(chǎn)品是時，該標(biāo)定已由廠家完成，試驗人員無須在進(jìn)行價格高昂的標(biāo)定。

壓電式水中壓力傳感器一般配用高阻輸入電壓放大器或電荷放大器，它們具有信號放大功能和阻抗轉(zhuǎn)換。電壓放大器的特點(diǎn)：(1)傳感器輸出信號為電荷;(2)是具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，實質(zhì)是一個電流電壓轉(zhuǎn)換器;(3)不容易引入現(xiàn)場干擾信號，電路受連接電纜長度變化的影響不大，幾乎可忽略不計，可用于壓電式傳感器遠(yuǎn)距離傳輸放大。(4)可對靜態(tài)壓力進(jìn)行有效測量。(5)頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕。而電荷放大器是一個輸入阻抗特高，具有電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，電荷放大器由電荷變換級、適調(diào)級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放、電源幾部分組成。它能直接將產(chǎn)生的電荷正比例的變換為輸出電壓，而且還能改變反饋電容讀數(shù)的大小，即可方便地改變電荷放大器的輸出放大倍數(shù)值，這樣可將不同靈敏度的傳感器進(jìn)行歸一化輸出，而且對于傳感器電纜的輸入電容也可以忽略不計，因而測試分析變得更為簡便，野外現(xiàn)場測試較為方便，其主要缺點(diǎn)是市場價格較高并且易損壞。在測試中除采用壓力傳感器外，還可采用壓阻式應(yīng)變式等壓力傳感器時，配用動態(tài)應(yīng)變儀等測試系統(tǒng)也是較為常見的方法。

二 分布式測試系統(tǒng)

分布式測試系統(tǒng)是指通過因特網(wǎng)和局域網(wǎng)，把分布于各個測控點(diǎn)、獨(dú)立完成特定功能的測量設(shè)備用計算機(jī)把它們連接起來，這樣可以達(dá)到測量資源共享、分散操作、協(xié)同工作、集中管理、負(fù)載均衡、測量過程監(jiān)控和設(shè)備診斷等目的的計算機(jī)測量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是動態(tài)性、分布性、實時性、開放性。

在1988年，美國NASA研究中心在水中從測試中首先使用了高速分布式仿真測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)在美國第四代戰(zhàn)機(jī)F-22中也有應(yīng)用，比如它的軟件平臺和硬件平臺，從而形成了集成測試系統(tǒng)。

在我國，許多領(lǐng)域積極開展分布式測量系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，該測量系統(tǒng)的發(fā)展總體來講進(jìn)展緩慢。部分專業(yè)受國外技術(shù)封鎖，其發(fā)展受到影響，我國科研工作者為打破國外價格技術(shù)壟斷還在開發(fā)符合我國國情價格適中、性能優(yōu)良的分布式測試系統(tǒng)。

三 水中爆炸的分布式測試

首先，以水中爆炸的分布式測試為研究對象，水中分布著許多測試點(diǎn)(不少于8個)，對水中爆炸源信號沖擊波進(jìn)行測試。它們的分布是隨機(jī)分布的，不是固定分布的。有的測試點(diǎn)距離爆炸源遠(yuǎn)，有的距離爆炸源近。

分布式測試系統(tǒng)在水中爆炸中已有廣泛的應(yīng)用，爆炸信號的傳送(觸發(fā))是基于分布式測試系統(tǒng)的。在水中爆炸領(lǐng)域先后進(jìn)行了水中爆炸相似律研究和不同比爆高條件的水面爆炸沖擊波特性研究。在國防和水電工程中，對涉及水中爆炸條件的諸多工程項目均進(jìn)行了水中沖擊波的監(jiān)測和對周圍建筑結(jié)構(gòu)的安全評估分析，積累了豐富的資料和實踐經(jīng)驗。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將應(yīng)用于分布式測試系統(tǒng)，使水中爆炸技術(shù)研究更為快捷、簡便。

［1］薩格拉斯頓.核武器效應(yīng)［M］.姚琮，黃新渠，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1965.

［2］P庫爾.水下爆炸［M］.羅耀杰，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1960.

［3］陸遐齡，孫翠蘭.對水下鉆孔爆破動水壓力研究［J］.水利發(fā)電，1990，5：12 ～13.

［4］賀安之.閻大鵬.現(xiàn)代傳感器原理與應(yīng)用［M］.北京：宇航出版社，2002.94～132.