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)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

毀傷威力場振動(dòng)測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］。在爆破測試過程中，采用質(zhì)點(diǎn)峰值速度來作為評價(jià)爆炸振動(dòng)對周圍建筑物的破壞效應(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］。爆炸場除沖擊波外振動(dòng)是對建筑物產(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)物測試費(fèi)用與試驗(yàn)條件限制，當(dāng)前關(guān)于彈藥爆炸對結(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)境的存儲測試技術(shù)，采用Hopkinson桿對振動(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］。將探測頭安裝在距3 kg TNT爆心周圍的不同位置進(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。測試完畢回收探測頭，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 探測頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

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

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(zhuǎn)換器、控制單元模塊、無線數(shù)傳模塊、Flash存儲器、光電轉(zhuǎn)換接口組成。探測頭可以實(shí)時(shí)采集、存儲測試點(diǎn)的加速度信號，無線數(shù)傳模塊接收響應(yīng)控制端的控制命令，使存儲采集電路在觸發(fā)前循環(huán)記錄，存儲器中始終保持最新的8 MByte的數(shù)據(jù)。接收到觸發(fā)信號后，電路系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)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(shí)爆試驗(yàn)中，由于TNT起爆后對結(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試結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)成的3級密閉屏蔽結(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;第2層是電導(dǎo)率較高的材料，用以屏蔽電場;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)電子遙測裝置

圖3 探測頭裝置實(shí)物圖

1.2 觸發(fā)控制單元設(shè)計(jì)

對于傳統(tǒng)方法中各探測頭觸發(fā)無統(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］。利用無線技術(shù)在各探測頭安裝無線模塊，主機(jī)和各探測頭無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)測試點(diǎn)的零時(shí)刻具有統(tǒng)一的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。在測試完成回讀數(shù)據(jù)后就能確定探測頭的觸發(fā)源，并通過各探測頭記錄外觸發(fā)的時(shí)間修正時(shí)間零點(diǎn)，測試系統(tǒng)由此確定了統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)?，F(xiàn)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(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(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，由計(jì)算機(jī)對該頻移信號進(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，將該信號與加速度計(jì)的輸出信號比較，可以實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的絕對沖擊校準(zhǔn)［9］。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

本探測頭系統(tǒng)采用的振動(dòng)傳感器型號為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桿對所設(shè)計(jì)的振動(dòng)探測頭進(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)測得的多普勒信號，圖7為多普勒信號經(jīng)處理后的加速度曲線與傳感器輸出的第一個(gè)脈沖信號對比。由圖6可知，經(jīng)多普勒信號計(jì)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(shù)后得到加速度值為46 223 gn，測試系統(tǒng)誤差為2.4%。

圖6 多普勒信號

圖7 加速度對比

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與結(jié)果分析

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

圖8 現(xiàn)場布置效果圖

圖9 爆炸現(xiàn)場

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

圖10 距爆心1.5m處的振動(dòng)曲線

由圖12、圖13測點(diǎn)實(shí)測加速度數(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處測點(diǎn)測到的振動(dòng)信號曲線，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)信號傳至距爆心3 m處測點(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處測點(diǎn)10 kHz濾波曲線

圖13 距爆心3 m處測點(diǎn)10 kHz濾波曲線

圖14、圖15所示為傳統(tǒng)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(dòng)加速度探測裝置很好的解決了沖擊振動(dòng)測試中常伴隨爆炸產(chǎn)生的干擾問題。本系統(tǒng)結(jié)合了電磁屏蔽技術(shù)、存儲測試技術(shù)及光纖傳輸技術(shù)，具有精度高、信號完整性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對要求測試信號精度高、完整性好的動(dòng)態(tài)測試中有現(xiàn)實(shí)意義。

圖14 傳統(tǒng)方法測得的加速度曲線

圖15 傳統(tǒng)方法測得的加速度濾曲線

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)測曲線信號完整、無干擾。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，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。測試結(jié)果對評估彈箭等戰(zhàn)斗部的毀傷威力性能具有重要的參考價(jià)值。

［1］ 張玉明，張奇，白春華，等.爆炸振動(dòng)測試技術(shù)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(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析［J］.電子測試，2009(5):55－57.

［3］ 龍?jiān)矗x全民，鐘明壽，等.爆破震動(dòng)測試信號預(yù)處理分析中趨勢項(xiàng)去除方法研究［J］.工程力學(xué)，2012(10):63－68.

［4］ 丁永紅，尤文斌，張晉業(yè).艦用動(dòng)爆振動(dòng)記錄裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012，32(5):147－148，15.

［5］ 楊會(huì)，沈大偉，祖靜.彈底壓力測試中壓力傳感器的加速度效應(yīng)及其校準(zhǔn)方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(9):1256－1259.

［6］ 田運(yùn)生.爆破地震地面運(yùn)動(dòng)的演變功率譜密度函數(shù)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(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，27(8):1146－1150.

［8］ 董培濤，黎淵，吳學(xué)忠，等.測試壓阻式三軸高g加速度計(jì)的霍普金森桿法(英文)［J］.光學(xué)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(tǒng)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量，2004，18(1):92－96.