CN102155888B

CN102155888B - 一种微秒级精确延时起爆装置

Info

Publication number: CN102155888B
Application number: CN2011100677102A
Authority: CN
Inventors: 王志华; 顾文彬; 赵兆; 刘建青; 赵仲郎; 王玮
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: CN102155888A

Abstract

本发明涉及一种用于工程爆破控制领域的延时起爆装置，特别是一种微秒级精确延时起爆装置,它包括直流稳压电源，其特征在于设有远程编程控制单元、RS485通讯总线、起爆充电开关和延时起爆控制单元。远程编程控制单元通过RS485通讯总线与延时起爆控制单元相连接，直流稳压电源分别与远程编程控制单元、起爆充电开关和延时起爆控制单元连接，延时起爆控制单元与外部的瞬发雷管连接。本发明能够实现对多级瞬发雷管的微秒级精确延时起爆，而且延时时间可控、安全可靠，系统整体误差在10μs以内，适于在各种工程爆破场合推广应用。

Description

一种微秒级精确延时起爆装置

一、技术领域

本发明涉及一种用于工程爆破控制领域的延时起爆装置，特别是一种微秒级精确延时起爆装置。

二、背景技术

随着经济社会的发展，工程爆破技术得到越来越广泛的应用。在一些对爆破深度要求比较高的场所，如矿山、隧道、建筑等，由于一次大当量炸药爆破的威力过大,容易造成对周围环境不必要的破坏,工程质量上也不易保证,因此多采用小当量多级起爆的方法。多级起爆需要对延时时间进行精确控制,延时时间过长或过短都得不到预期的爆破效果。现有的一些技术方案中,延时时间精度通常只有毫秒级,不能很好的满足实际需求,我们经过研究发现，延时时间精度达到微秒级在实际爆破中能够取得很好的爆破效果，延时时间精度达到微秒级的技术方案目前还未见相关专利。

现有的技术方案一般分为两类。一类是采用远程控制方式，起爆器远离爆破现场，可以方便地控制延时时间。如中国人民解放军长沙工程兵学院的中国专利申请87204661.3提出的“智能起爆器” ，该技术方案通过采用单板机控制可控硅电子开关的通断来实现对各通道雷管的智能引爆。其控制方式可以选择短线控制或者远程长线控制，延时时间由键盘输入，便于调整。该技术方案有着明显的缺点：一是延时精度很低，只能达到10ms,远不能适应现代工程爆破领域的应用需求；二是采用远程长线控制方式时，引爆器与雷管之间距离过长，由于导线电阻和分布电容的存在，会导致引爆信号变形，使雷管引爆时间发生较大误差。

另一类采用现场控制方式，起爆器放在爆破现场，避免了因为起爆器和雷管之间距离过长，电线电阻和分布电容导致引爆信号变形使雷管引爆时间发生较大误差的问题。如山东科技大学资源与环境工程学院的中国专利申请01216085.7提出的“毫秒延时发爆器”，其特点是以振荡器、升压电路、整流充电电路、继电器和延时控制电路组成的延时引爆控制器来控制瞬发雷管爆炸。具体实施方案是由瞬发雷管通过继电器与振荡器、升压电路、整流充电电路相连，以SE555定时器和电容构成延时控制电路来控制继电器的通断，从而控制瞬发雷管的爆炸，使用多个这样的延时引爆控制器就可以控制多级起爆。该技术方案虽然能够控制多级延时起爆，但还存在着明显的不足：一是由SE555定时器和电容构成的延时控制电路，其延时时间精度不高，只能达到毫秒级；二是通过控制继电器通断来控制雷管爆炸，继电器通断时间误差较大，造成整个装置延时时间控制误差较大；三是延时时间虽然可以控制，但需要通过修改SE555定时器和电容构成的延时控制电路参数来实现，这在实际应用中很不方便。

近年来，工程爆破领域引进了一些新的技术，如中国专利申请200710139370.3提出的“工业电雷管的遥控起爆控制方法”和中国专利申请201020191746.2提出的“一种具有GPRS通讯及定位功能的数码电子雷管起爆器”，但它们都没有解决高精度延时等问题。如何克服以上现有技术的不足已成为当今工程爆破控制领域亟待解决的重大难题。

三、发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种微秒级精确延时起爆装置，能够实现对多级瞬发雷管的微秒级精确延时起爆，而且延时时间可控、安全可靠，适于在各种工程爆破场合推广应用。

根据本发明提出的一种微秒级精确延时起爆装置，包括直流稳压电源，其特征在于设有远程编程控制单元、RS485通讯总线、起爆充电开关、延时起爆控制单元，远程编程控制单元通过RS485通讯总线与延时起爆控制单元相连接，直流稳压电源分别与远程编程控制单元、起爆充电开关和延时起爆控制单元连接，延时起爆控制单元输出延时起爆控制信号。其中：本发明的远程编程控制单元为计算机或包括键盘、显示器件、RS485通信电路和电压转换模块在内的单片机电路装置；延时起爆控制单元包括绝缘隔爆外壳和设有电压转换电路、RS485通信电路、FPGA延时电路和引信电路的延时控制电路板，电压转换电路将直流稳压电源提供的12~36V电压转换为分别供RS485通信电路、FPGA延时电路和引信电路工作的工作电源，FPGA延时电路通过RS485通信电路与远程编程控制单元相连接，FPGA延时电路还与引信电路相连接，引信电路与起爆充电开关相连接；引信电路为2~16路；RS485通讯总线长度不超过1000 m。

本发明的工作原理是：本发明的FPGA是一种大规模的可编程逻辑器件，其工作频率高达几百兆赫兹，具有稳定可靠、不易干扰等优点；高稳态晶振产生稳定的精确时钟信号，利用高稳态晶振的FPGA延时电路可以产生高精度的延时控制信号；远程编程控制单元通过RS485通讯总线与FPGA延时电路进行通信,当远程编程控制单元设定好延时时间后，将延时时间数据发送给FPGA延时电路，FPGA延时电路通过引信电路与外部的瞬发雷管相连接，引信电路通过起爆充电开关与电源相连，起爆充电开关通常处于断开状态使引信电路未充电，确保安全，操作人员设定好延时时间后，打开起爆充电开关给引信电路充电，FPGA延时电路接收到远程编程控制单元发送的引爆命令信号后，即输出延时起爆信号控制多路引信电路依次导通；引信电路能够极快的响应FPGA延时电路输出的延时引爆信号,导通引爆外部的瞬发雷管并保持50ms以上,响应时间为微秒级。

本发明与现有技术相比其显著优点：第一,采用具有高稳态晶振的FPGA延时电路进行延时时间控制, 延时精度高达1μs，而且使用FPGA延时电路可对软件进行固件化，保证系统的稳定性好、抗干扰能力强；第二，采用延时起爆控制单元放在工程爆破现场进行延时控制，大大减小了导线电阻和分布电容的影响，减小了延时误差，系统整体误差在10μs以内；第三，使用远程编程控制单元通过RS485通讯总线对延时起爆控制单元进行远程控制，远程编程控制单元与延时起爆控制单元之间距离可在1000 m以内任意调整, 保证操作人员远离工程爆破现场，使用安全性好，而且人机界面友好，操作方便；第四，本发明延时时间可调，在远程编程控制单元可以对延时时间在20-1000μs范围内任意调整，能够满足各种工程爆破场合所不同延时时间的要求，通用性强。本发明适于在各种工程爆破场合推广应用。

四、附图说明

图1是本发明提出的精确延时起爆装置的总体结构示意图。

图2是本发明的总体电路组成结构示意图。

图3是本发明的延时起爆控制单元外壳示意图。

图4是本发明的引信电路工作原理示意图。

图5是本发明的FPGA延时控制电路工作流程示意图。

图6是本发明的远程编程控制单元工作程序界面示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

结合图1、图2和图3，本发明包括远程编程控制单元（1）、直流稳压电源（2）、RS485通讯总线（3）、起爆充电开关（4）和延时起爆控制单元（5）。使用中，本发明与外部的瞬发雷管（6）直接连接。本发明的具体装配方案为：远程编程控制单元（1）采用计算机或者由包括键盘、显示器件、RS485通信电路（13）和电压转换电路（12）在内的单片机电路装置组成；直流稳压电源（2）电压为12~36V、最大电流不低于5A；RS485通讯总线（3）为普通工业用RS485通讯总线，长度不超过1000m，以300m~500m为佳，具体长度可根据不同爆破场合安全距离的需要确定；起爆充电开关（4）为机械式电源开关；延时起爆控制单元（5）采用绝缘隔爆外壳（7），大小约为20×10×5cm³，绝缘隔爆外壳（7）上设有三个航空插头接口，分别是RS485通信接口（8）、电源接口（9）和输出接口（10），其内部设有延时控制电路板（11），延时控制电路板（11）上设有电压转换电路（12）、RS485通信电路（13）、FPGA延时电路（14）和引信电路（15），引信电路（15）设置范围为2~16路，具体路数根据被引爆外部瞬发雷管（6）路数的需要来确定。远程编程控制单元（1）通过RS485通信接口（8）连接延时控制电路板（11）上的RS485通信电路（13），RS485通信电路（13）与FPGA延时电路（14）相连接，FPGA延时电路（14）与引信电路（15）相连接，直流稳压电源（2）通过电源接口（9）连接电压转换电路（12），电压转换电路（12）将直流稳压电源（2）提供的12~36V电压转换为RS485通信电路（13）、FPGA延时电路（14）和引信电路（15）的工作电压，直流稳压电源（2）又与起爆充电开关（4）相连，起爆充电开关（4）通过电源接口（9）连接引信电路（15），引信电路（15）通过输出接口（10）连接外部的瞬发雷管（6）。

结合图4，引信电路（15）中的 Q1和Q2是可控硅开关，U1A和U2A是驱动器，JD_28V接起爆加电开关，B_DH是FPGA延时电路（14）输出的点火信号，B_FD是FPGA延时电路（14）输出的放电信号，DHOUT接外部的瞬发雷管（6）。通常FPGA延时电路（14）输出的点火信号B_DH和放电信号B_FD为低电平，可控硅开关Q1和Q2处于关闭状态。当起爆充电开关（4）接通后，电容C2就会自动充电，远程编程控制单元（1）向FPGA延时电路（14）发出引爆命令后，FPGA延时电路（14）首先输出高电平的点火信号B_DH导通二极管D2，进而导通可控硅开关Q1，电容C2开始放电引爆外部的瞬发雷管（6），持续50ms之后，FPGA延时电路（14）输出点火信号B_DH为低电平，可控硅开关Q1关闭，FPGA延时电路（14）接着输出放电信号B_FD为高电平导通二极管D3，进而导通可控硅开关Q2对电容C2进行完全放电，确保再次连接上外部瞬发雷管（6）时电容C2不会带电。

结合附图5和附图6，本发明的具体工作过程为：第一步，准备。检查本发明使其连接好除直流稳压电源（2）外的各种器件，起爆充电开关（4）处于断开状态，远程编程控制单元（1）处于关机状态，连接好之后所有人员需要撤离爆破现场。第二步，开机。打开远程编程控制单元（1），运行本发明的远程编程控制单元工作程序并接通直流稳压电源（2），FPGA延时电路（14）通电后首先进行自检并返回正确自检结果，查看远程编程控制单元工作程序界面上返回信息窗口（16）的信息，如果显示正确信息则进行下一步，如何不正常就需要断开直流稳压电源（2）、关闭远程编程控制单元（1），返回第一步进行检查。第三步，设定延时时间。在远程编程控制单元工作程序界面上的延时时间数值输入窗口（17）输入需要的延时时间数值并按下设置按钮（18），FPGA延时电路（14）接收到延时数据后会返回延时数据，此时返回信息窗口（16）会显示FPGA延时电路（14）返回的延时时间数值，如果和设置的延时时间一致，则进入下一步，如果和设置的延时时间不同或者没有返回数值就需要断开直流稳压电源（2）、关闭远程编程控制单元（1），返回第一步进行检查。第四步，起爆。正常进入这一步后，需要先打开起爆充电开关（4）给引信电路（15）充电，然后按下远程编程控制单元工作程序界面上的起爆按钮（19），FPGA延时电路（14）接收到起爆命令后就会输出延时控制信号控制引信电路（15）依次导通放电引爆外部的瞬发雷管（6）。

本发明经反复试验验证，取得了令人满意的应用效果。

Claims

1.一种微秒级精确延时起爆装置，包括直流稳压电源（2），其特征在于设有远程编程控制单元（1）、RS485通讯总线（3）、起爆充电开关（4）、延时起爆控制单元（5），远程编程控制单元（1）通过RS485通讯总线（3）与延时起爆控制单元（5）相连接，直流稳压电源（2）分别与远程编程控制单元（1）、起爆充电开关（4）和延时起爆控制单元（5）连接，延时起爆控制单元（5）输出延时起爆控制信号，其中延时起爆控制单元（5）包括绝缘隔爆外壳（7）和设有电压转换电路（12）、RS485通信电路（13）、FPGA延时电路（14）和引信电路（15）的延时控制电路板（11），电压转换电路（12）将直流稳压电源（2）提供的12~36V电压转换为分别供RS485通信电路（13）、FPGA延时电路（14）和引信电路（15）工作的工作电源，FPGA延时电路（14）通过RS485通信电路（13）与远程编程控制单元（1）相连接，FPGA延时电路（14）还与引信电路（15）相连接，引信电路（15）与起爆充电开关（4）相连接。

2.根据权利要求1所述的起爆装置，其特征在于远程编程控制单元（1）为计算机或包括键盘、显示器件、RS485通信电路（13）和电压转换电路（12）在内的单片机电路装置。

3.根据权利要求1或2所述的起爆装置，其特征在于引信电路（15）为2~16路。

4.根据权利要求1或2所述的起爆装置，其特征在于RS485通讯总线（3）长度不超过1000 m。

5.根据权利要求3所述的起爆装置，其特征在于RS485通讯总线（3）长度不超过1000 m。