爆炸場結構振動參數探測裝置設計*

王 偉，丁永紅* ，尤文斌，祖 靜

(1.中北大學信息與通信工程學院，太原030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051)

毀傷威力場振動測試是為了了解爆炸沖擊波引起的被打擊目標結構振動加速度信號的特征、破壞機理，掌握炸藥毀傷威力在不同距離上的破壞規律，使炸藥在軍民兩用上發揮更大作用［1］。在爆破測試過程中，采用質點峰值速度來作為評價爆炸振動對周圍建筑物的破壞效應。研究表明爆炸振動的頻率和持續時間與結構響應之間存在著很大的聯系［2］。爆炸場除沖擊波外振動是對建筑物產生破壞的主要原因之一。因此振動加速度是評價爆炸毀傷威力的一項重要參數。而工程中較復雜的結構，由于采用實物測試費用與試驗條件限制，當前關于彈藥爆炸對結構影響的文章較多，多采用有限元數值與高瞬態非線性有限元分析程序法［3］。

本文采用抗惡劣環境的存儲測試技術，采用Hopkinson桿對振動記錄儀進行了沖擊校準，獲得其高沖擊下動態靈敏度［4］。將探測頭安裝在距3 kg TNT爆心周圍的不同位置進行實爆試驗，實時記錄真實的沖擊加速度信號。測試完畢回收探測頭，將記錄數據上傳到上位機，為后續的數據分析與研究提供可靠依據。

1 探測頭優化設計方案

1.1 探測頭電路及機械結構設計

探測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轉換器、控制單元模塊、無線數傳模塊、Flash存儲器、光電轉換接口組成。探測頭可以實時采集、存儲測試點的加速度信號，無線數傳模塊接收響應控制端的控制命令，使存儲采集電路在觸發前循環記錄，存儲器中始終保持最新的8 MByte的數據。接收到觸發信號后，電路系統自動跳轉到另一容量為8 MByte的存儲空間順序記錄，直至存儲空間裝滿后停止。在實爆試驗中，由于TNT起爆后對結構產生的振動加速度具有頻率高、持續時間短、電磁環境惡劣的特點，并且爆炸所產生的電磁干擾極為嚴重，因此機械結構采用了多種材料多層組合的屏蔽測試結構進行電磁屏蔽。

圖1 探測頭工作原理圖

探測頭外殼是由多屏蔽層構成的3級密閉屏蔽結構，結構圖及實物分別如圖2和圖3所示。其第1層由磁導率較高的材料組成，用以屏蔽磁場;第2層是電導率較高的材料，用以屏蔽電場;第3層采用磁導率和電導率良好的材料構成復合屏蔽層，用以密封電路模塊。

圖2 結構振動電子遙測裝置

圖3 探測頭裝置實物圖

1.2 觸發控制單元設計

對于傳統方法中各探測頭觸發無統一的時間基準等缺點，導致的各探頭零時刻無統一的標準以及誤觸發、不觸發故障的發生［5］。利用無線技術在各探測頭安裝無線模塊，主機和各探測頭無線模塊之間采用廣播方式進行參數配置、發送統一的觸發命令，使各個測試點的零時刻具有統一的觸發標準。在測試完成回讀數據后就能確定探測頭的觸發源，并通過各探測頭記錄外觸發的時間修正時間零點，測試系統由此確定了統一的時間基準。現各探測裝置和無線模塊之間采用短光纖連接，探測頭與探測頭之間無任何連接線，進一步提高了其抗干擾能力。

2 傳感器動態特性標定(Hopkinson)

Hopkinson桿和激光多普勒測速儀所組成的校準系統是目前原理最完善，最可靠的沖擊校準方法，它是直接借助計量學的基本量和單位(時間和長度)復現加速度量值與單位的方法。其特點是可以精確給出加速度激勵的絕對量值和真實波形，與加速度計的輸出聯合處理，可最終給出加速度傳感器的動態特性［6］。對高g值加速度計進行動態特性研究。該實驗方法具有重復性好、操作方便等特點，加速度幅值可以高達2×105gn［7］。由于野外使用環境條件惡劣，顛簸振動較大，傳感器的靈敏度容易受到影響，故傳感器應在每次試驗前進行標定校準。

2.1 標定原理及標定方法

標定裝置示意圖如圖4所示，被校準的加速度計通過其下端的M5螺栓固連在安裝座端面上，安裝座側面沿軸線方向貼有反射光柵，另一端面通過真空夾具和油脂緊密吸合于Hopkinson桿一端，桿的另一端通過真空夾具和油脂緊密吸合波形調整墊，其材料取2A12鋁或紫銅。試驗時使用頭部和尾部具有一定錐度的子彈(35CrMnSiA鋼)同軸撞擊調整墊，在桿中產生一個近似為半正弦的壓應力波［8］。由于桿和安裝座的材料均采用鈦合金(TC4)，則壓應力波形幾乎不受影響地通過二者接觸面，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。當桿與安裝座接觸面的合力為靜拉力時，安裝座以及上面的加速度計將從桿端飛離，加速度計獲得加速運動。安裝座上的光柵運動速度經差動激光干涉儀產生頻移信號，由計算機對該頻移信號進行采集、頻率解調和微分，可獲得作用于加速度計的速度或加速度激勵信號，將該信號與加速度計的輸出信號比較，可以實現加速度計的絕對沖擊校準［9］。

圖4 試驗裝置示意圖

2.2 標定數據分析

本探測頭系統采用的振動傳感器型號為CAYD－111GM，參考靈敏度為 0.062 pc/gn，其頻率響應高，最大允許加速度為5×105gn，最大橫向靈敏度比小于5%。利用Hopkinson桿對所設計的振動探測頭進行了動態校準試驗，圖5為Hopkinson桿實驗裝置。圖6為其中一次實驗測得的多普勒信號，圖7為多普勒信號經處理后的加速度曲線與傳感器輸出的第一個脈沖信號對比。由圖6可知，經多普勒信號計算得到的加速度值為45 136 gn，探測頭測得的電壓乘以靈敏度系數后得到加速度值為46 223 gn，測試系統誤差為2.4%。

圖6 多普勒信號

圖7 加速度對比

3 現場試驗與結果分析

在進行現場爆炸試驗時將各裝置布設于爆心四周，圖8為現場布置效果圖、圖9為爆炸現場。振動測試中的測點布置極其重要，它直接影響測試的效果及觀測數據的應用價值，測點布置主要依據測試目的和要求進行。此外，為避免試驗數據密集在某一區域內，在一條測線上測點數一般不少于6個［10］。

圖8 現場布置效果圖

圖9 爆炸現場

圖10所示為毀傷測試系統振動探測頭距爆心1.5 m處測點的加速度信號，圖11是毀傷測試系統振動探測頭距爆心3 m處的加速度信號，該數據為2012年12月26日于XX靶場試驗1.5 kg、3 kg TNT測得，所取數據為3 kg TNT實測曲線。

圖10 距爆心1.5m處的振動曲線

由圖12、圖13測點實測加速度數據10 kHz濾波后得出，在22.07 ms時刻至28.84 ms時刻之間為距爆心1.5 m處測點測到的振動信號曲線，加速度到達時間為27.41 ms，達到最大值時間為38.84 ms，加速度最大峰值為15 570 gn。在35.36 ms時刻為爆炸振動信號傳至距爆心3 m處測點的時刻，在35.39 ms時刻振動峰值達到最大值為5 306 gn。

圖11 距爆心3m處的振動曲線

圖12 距爆心1.5m處測點10 kHz濾波曲線

圖13 距爆心3 m處測點10 kHz濾波曲線

圖14、圖15所示為傳統引線測試方法測得的加速度曲線及其濾波曲線，對比圖10、圖12可知本文涉及的沖擊振動加速度探測裝置很好的解決了沖擊振動測試中常伴隨爆炸產生的干擾問題。本系統結合了電磁屏蔽技術、存儲測試技術及光纖傳輸技術，具有精度高、信號完整性好、抗干擾能力強等特點，對要求測試信號精度高、完整性好的動態測試中有現實意義。

圖14 傳統方法測得的加速度曲線

圖15 傳統方法測得的加速度濾曲線

4 總結

本文提出的便攜式結構振動參數遙測裝置，實時記錄了實爆試驗中3 kg TNT當量爆炸所產生的沖擊加速度曲線，實測曲線信號完整、無干擾。分析記錄的多組數據表明距爆心不等距下毀傷目標的沖擊振蕩加速度幅值規律:在距爆心1.5 m時沖擊波產生的沖擊振動加速度達到了最大值，在距爆心3 m時沖擊加速度幅值有所衰減。爆炸后自激振動幅度與沖擊波產生的振蕩加速度相當，衰減速度更長，結構體的自激振蕩是結構毀傷的另一個主要因素。測試結果對評估彈箭等戰斗部的毀傷威力性能具有重要的參考價值。

［1］ 張玉明，張奇，白春華，等.爆炸振動測試技術若干基本問題的研究［J］.爆破，2002，19(2):4－6.

［2］ 尤文斌，丁永紅.爆炸場振動裝置的設計與數據分析［J］.電子測試，2009(5):55－57.

［3］ 龍源，謝全民，鐘明壽，等.爆破震動測試信號預處理分析中趨勢項去除方法研究［J］.工程力學，2012(10):63－68.

［4］ 丁永紅，尤文斌，張晉業.艦用動爆振動記錄裝置的設計與應用［J］.彈箭與制導學報，2012，32(5):147－148，15.

［5］ 楊會，沈大偉，祖靜.彈底壓力測試中壓力傳感器的加速度效應及其校準方法［J］.傳感技術學報，2011，24(9):1256－1259.

［6］ 田運生.爆破地震地面運動的演變功率譜密度函數分析［J］.爆炸與沖擊，2007(1):8－11.

［7］ 張瑜，裴東興，祖靜.高壓傳感器在高靜壓下的動態校準方法［J］.傳感技術學報，2011，27(8):1146－1150.

［8］ 董培濤，黎淵，吳學忠，等.測試壓阻式三軸高g加速度計的霍普金森桿法(英文)［J］.光學精密工程，2009(6):1473－1478.

［9］ Kajberg，Jorgen，Sundin K G.Material Characterisation Using High-Temperature Split Hopkinson Pressure Bar［J］.Journal of Materials Processing Technology，2013，213(4):522－531.

［10］崔海濤，劉慶明.沖擊波壓力傳感器測試系統的動態標定［J］.流體力學實驗與測量，2004，18(1):92－96.