CN112945034A - 基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法 - Google Patents

基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法 Download PDF

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赵浩楠
方宏远
杜雪明
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Abstract

本发明涉及一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，是在开放水域中将不同段别的电子雷管布置在一个圆周上，并在圆心不同高度处布置多只水下冲击波传感器，同时起爆所有电子雷管，起爆后通过水击波传感器获得各个电子雷管爆炸所产生的水击波压力曲线；再利用适合非平稳信号分析的小波分析方法对实测波形进行分析，并求得波形的时能密度曲线，以获得每一段水击波到达的精确时间，除去水击波在水中传播所需时间，得到电子雷管的精确延时时间；将实际获得的电子雷管延时时间与电子雷管设计延时时间进行对比，确定电子雷管的延时精度。

Description

基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法
技术领域
本发明属于爆破技术领域，尤其涉及一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，能批量测定电子雷管的延时时间，适用于水电、交通等领域工程爆破开挖时电子雷管的精度测定。
背景技术
随着我国经济建设的不断发展，在采矿、水利水电、土建、铁路、交通等领域涉及的工程爆破项目中，对工程爆破控制的要求越来越高。随着爆破器材及施工技术的飞速发展，爆破技术和爆破振动控制措施取得了巨大进步，微差爆破技术和精细爆破技术已成为主流技术，而在微差爆破和精细爆破中，延时时间的准确性直接决定了爆破目的能否实现，爆炸效果是否理想。因此，使用高精度延时雷管，合理确定微差爆破延时间隔时间，可以达到改善爆破效果，降低炸药单耗和控制爆堆的目的。
电子雷管作为一种安全可靠、高精度、智能型、环保型性能优良的起爆器材，可满足复杂爆破工程的微差减震要求，在工程中电子雷管的使用越来越广泛。在爆破工程中，雷管延时精度问题是微差爆破技术实现的关键，雷管延时精度的高低直接影响到爆破的效果和安全，所以有必要对电子雷管的延时精度进行测试，从而提供性能优良的高精度数码电子雷管产品。
专业的雷管精度测试方法是通断法和专业仪器防爆箱测试法，这通常是由雷管生产厂家进行高精度测量，对设备要求高，工序繁琐，不适用于现场测试。常规的雷管精度测试方法是通过监测雷管起爆产生的各种效果比如爆破振动、爆破声压冲击波等来确定雷管的起爆时间，进而确定雷管精度，即为测震法和测声压法。测震法通过爆破振动测试仪接收雷管起爆引发的爆破振动确定起爆时间，由于爆破振动在地层中传播的不确定性，不同震源引起的振动传播的时间也会有所差别，测量的结果误差较大。测声波法是通过声压测试装置，接收雷管起爆引起的空气冲击波确定起爆时间，由于声音在空气中传播受风速、气温等外界影响较大，测试也可能存在较大误差，且爆破噪音对周围环境的影响较大。针对上述问题，有必要提出一种便于现场测试、高效实用、检测误差小的电子雷管延时精度测试方法。
发明内容
为解决现有雷管延时精度测量存在较大的误差、测试方法存在较大干扰的问题，本发明提供了一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，能够在爆破工程中随时测量雷管的精度。
一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其中包括以下步骤：
(1)、选择一片安全的开放水域布置一组电子雷管，一组电子雷管包含一个或者一个以上电子雷管，组中的电子雷管具有唯一编号，按照编号将该组电子雷管均匀固定在水面与水底之间的一个平面圆周上，多个电子雷管所激发的水击波传播路线互不交叉重叠，其中，与起爆器相连接的第一发电子雷管为标称延时雷管；
(2)、沿圆周中心位置的垂直方向，在水中的不同高度处布置一只或者一只以上水击波传感器，水击波传感器用于接收电子雷管爆炸传来的冲击波信号，与设置在位于岸上安全范围内的冲击波测试仪连接从而记录波形数据；
(3)、连接起爆器，起爆所有电子雷管，冲击波测试仪记录所有电子雷管的水下冲击波波形；在测试后连接电脑或者U盘取数用电脑读取波形数据。
(4)、用小波分析和时能密度方法确定每个波段中的波峰开始时刻，根据突出峰值位置得到各微差段爆炸所产生的水击波的到达时刻，从而获得各段电子雷管的实际起爆延时时间，具体如下：
(4.1)根据冲击波测试仪得到的波形文件，采用小波分析方法，先确定爆炸起始时间，记为T0；
(4.2)找出随后冲击波测试仪测取的爆炸冲击波的每个波峰开始时刻Tn；
(4.3)测量每个电子雷管与水击波传感器的直线位置距离Sn；
(4.4)根据冲击波测试仪测取的波形，由步骤(4.2)得到的每个波峰开始时刻Tn以及步骤(4.3)得到的的距离Sn计算出各个电子雷管的延时时间:
Figure BDA0003050321890000031
式中：
Figure BDA0003050321890000032
—第一发电子雷管的标称延时时间，单位为ms；
tn—电子雷管的延时时间，单位为ms；
T0—记录开始时间；
v—爆轰波在水中的传播速度，取1400m/s；
Sn—电子雷管到水击波传感器的距离；
(5)、计算第i发电子雷管实测延时时间精度差：
Figure BDA0003050321890000033
ti—第i发电子雷管的实际延时时间；
Δti—第i发电子雷管实测延时时间精度差；
Figure BDA0003050321890000041
—第i发电子雷管的设计延时时间；
进一步的，所述的基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其中：所布置的电子雷管距离水体自由面高度h1≥1m，距离水底高度h2≥1.5m，所以所选水体区域深度H≥2.5m。
进一步的，所述的基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其中：电子雷管到水域周围距离L应满足：
Figure BDA0003050321890000042
其中
Figure BDA0003050321890000043
为电子雷管装药量；
进一步的，所述的基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其中：所选圆周直径D应满足：30d≤D≤2h2，其中d为电子雷管直径，h2为所布置电子雷管距离水底高度。
本发明提供的一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，测试简单，在一个起爆网络中同时布置多个段别的电子雷管，可同时测得每个电子雷管的延时时间，测试效率高，分析结果可靠，成本低廉，且由于水的密度恒定，外界对于冲击波的干扰较小，在爆破施工现场中应用简单，可实时检验电子雷管的延时精度，且可灵活布置起爆网络，具有极大的推广价值。能批量测定电子雷管的延时时间，适用于水电、交通等领域工程爆破开挖时电子雷管的精度测定。
附图说明
图1是电子雷管与传感器布置方位平面示意图；
图2是电子雷管与传感器布置方位侧面示意图；
图3是水击波测试仪记录的波形图；
图4是本发明测试方法控制流程图。
具体实施方式
一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其中包括以下步骤：
(1)、选择一片安全的开放水域布置一组电子雷管，一组电子雷管包含一个或者一个以上电子雷管，组中的电子雷管具有唯一编号，按照编号将该组电子雷管均匀固定在水面与水底之间的一个平面圆周上，多个电子雷管所激发的水击波传播路线互不交叉重叠，其中，与起爆器相连接的第一发电子雷管为标称延时雷管；
(2)、沿圆周中心位置的垂直方向，在水中的不同高度处布置一只或者一只以上水击波传感器，水击波传感器用于接收电子雷管爆炸传来的冲击波信号，与设置在位于岸上安全范围内的冲击波测试仪连接从而记录波形数据；
(3)、连接起爆器，起爆所有电子雷管，冲击波测试仪记录所有电子雷管的水下冲击波波形；在测试后连接电脑或者U盘取数用电脑读取波形数据。
(4)、用小波分析和时能密度方法确定每个波段中的波峰开始时刻，根据突出峰值位置得到各微差段爆炸所产生的水击波的到达时刻，从而获得各段电子雷管的实际起爆延时时间，具体如下：
(4.1)根据冲击波测试仪得到的波形文件，采用小波分析方法，先确定爆炸起始时间，记为T0；
(4.2)找出随后冲击波测试仪测取的爆炸冲击波的每个波峰开始时刻Tn；
(4.3)测量每个电子雷管与水击波传感器的直线位置距离Sn；
(4.4)根据冲击波测试仪测取的波形，由步骤(4.2)得到的每个波峰开始时刻Tn以及步骤(4.3)得到的的距离Sn计算出各个电子雷管的延时时间:
Figure BDA0003050321890000061
式中：
Figure BDA0003050321890000062
—第一发电子雷管的标称延时时间，单位为ms；
tn—电子雷管的延时时间，单位为ms；
T0—记录开始时间；
v—爆轰波在水中的传播速度，取1400m/s；
Sn—电子雷管到水击波传感器的距离；
(5)、计算第i发电子雷管实测延时时间精度差：
Figure BDA0003050321890000063
ti—第i发电子雷管的实际延时时间；
Δti—第i发电子雷管实测延时时间精度差；
Figure BDA0003050321890000064
—第i发电子雷管的设计延时时间；
所布置的电子雷管距离水体自由面高度h1≥1m，距离水底高度h2≥1.5m，所以所选水体区域深度H≥2.5m。
电子雷管到水域周围距离L应满足：
Figure BDA0003050321890000065
其中
Figure BDA0003050321890000066
为电子雷管装药量；
所选圆周直径D应满足：30d≤D≤2h2，其中d为电子雷管直径，h2为所布置电子雷管距离水底高度。
小波变换是一种信号的时间-尺度(时间-频率)分析方法，它具有多分辨率分的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合探测正常信号中夹带的瞬间反常现象并展示其成份。
对任意能量有限的函数f(t)，关于ψ(t)的连续小波变换定义如下:
Figure BDA0003050321890000071
上式中的a、b分别为伸缩因子和平移因子。根据Moyal内积定理，有下式成立：
Figure BDA0003050321890000072
上式表明，小波变换幅度平方的积分和被分析信号的能量成正比。根据能量密度的概念，式(4)可以写成:
∫R|f(t)|2dt＝∫RE(b)db (5)
式中：
Figure BDA0003050321890000073
小波变换中，尺度a在一定意义上对应于频率ω，因此(6)式给出了信号所有频带的能量随时间b的分布情况，称为时能密度函数。实际应用中，可以通过改变上式的积分上、下限，使积分区间落在待分析信号的某频率范围内，从而得到该频带内信号能量密度随时间的分布特征。
如将某次爆破作为一个系统来考虑，则每一段雷管的起爆就是向系统输入能量的过程，每一段雷管起爆必然引起系统内能量密度的改变。因此，可以适当选取积分上、下限，按(6)式计算单段爆破振动信号主频段内的能量密度，并画出其时-能密度图。根据图中出现的突峰位置即可得到各微差段爆炸所诱发的振动的到达时刻，从而得各段雷管的实际起爆延迟时间。
本发明基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法的原理在于：根据电子雷管爆炸产生的冲击波在水中传播的原理，选择一块合适的水域，将一发标定过的标称延时雷管同一组电子雷管按编号依次固定在一个圆周上，并在圆心处不同高度布置多只水击波传感器，同时起爆所有电子雷管，获得各个电子雷管爆炸所激发的水下冲击波压力曲线，再利用适合非平稳信号分析的小波分析方法对实测波形进行分析，并求得波形的时能密度曲线，以获得每一段水击波到达的精确时间，减去水击波在水中传播所需要的时间，便得到雷管的精确延时时间。在一个起爆网络中同时布置多个段号的电子雷管，可同时测得每个电子雷管的延时时间。
本发明基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法的优点在于：
1、本发明不需要专业的电子雷管精度测试仪器，能够满足在工程现场进行电子雷管精度测试的要求；
2、在一个起爆网络中同时布置多个段号的电子雷管，可同时测得每个电子雷管的延时时间；
3、相较于空气，水的密度大，压缩性小，冲击波在水中传播时能量耗散较少，且在水中测试受外界干扰较少，如：风、车辆或者爆炸等引起的振动；
4、测试效率高，分析结果可靠，成本低廉，在爆破施工现场中应用简单，可实时检验电子雷管的延时精度，且可灵活布置起爆网络，具有极大的推广价值。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。电子雷管和传感器布置如图1和图2所示。选择某开放、安全的水域，将电子雷管按照段号大小的顺序依次布置在半径为1.5m的圆周上，其中第一发电子雷管为精确标定过的标称雷管，其标称延时时间
Figure BDA0003050321890000091
相邻电子雷管之间的夹角为45°，在圆心处不同高度布置三个水击波传感器，通过水击波测试仪记录水下爆炸冲击波，传感器之间高度差为20cm，连接起爆器。
按照上述起爆网络进行起爆，爆炸产生水下爆炸冲击波传至监测点被水击波传感器接收，通过冲击波测试仪读取水击波波形，将测得的数据进行处理，最终得到的波形图像如图3所示，图像中包含多个波段，理论上波段个数与电子雷管数量一致。
用小波分析及时能密度方法确定每个波段中波峰开始时刻，根据突峰位置即可得到各微差段爆炸所产生的冲击波的到达时刻，从而得各段电子雷管的实际起爆延时时间。具体实施过程如下：
(1)确定爆炸开始时间，记为T0；
(2)找出每个波峰开始时刻，记为Tn；
(3)测出每个电子雷管与传感器的距离Sn；
(4)用测得数据根据公式(1)计算出各个电子雷管的延时时间；
(5)根据公式(2)计算出各个电子雷管的实测延时时间精度差。
以上所述为本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本发明专利的保护范围内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、选择一片安全的开放水域布置一组电子雷管，一组电子雷管包含一个或者一个以上电子雷管，组中的电子雷管具有唯一编号，按照编号将该组电子雷管均匀固定在水面与水底之间的一个平面圆周上，多个电子雷管所激发的水击波传播路线互不交叉重叠，其中，与起爆器相连接的第一发电子雷管为标称延时雷管；
(2)、沿圆周中心位置的垂直方向，在水中的不同高度处布置一只或者一只以上水击波传感器，水击波传感器用于接收电子雷管爆炸传来的冲击波信号，与设置在位于岸上安全范围内的冲击波测试仪连接从而记录波形数据；
(3)、连接起爆器，起爆所有电子雷管，冲击波测试仪记录所有电子雷管的水下冲击波波形；在测试后连接电脑或者U盘取数用电脑读取波形数据。
(4)、用小波分析和时能密度方法确定每个波段中的波峰开始时刻，根据突出峰值位置得到各微差段爆炸所产生的水击波的到达时刻，从而获得各段电子雷管的实际起爆延时时间，具体如下：
(4.1)根据冲击波测试仪得到的波形文件，采用小波分析方法，先确定爆炸起始时间，记为T0；
(4.2)找出随后冲击波测试仪测取的爆炸冲击波的每个波峰开始时刻Tn；
(4.3)测量每个电子雷管与水击波传感器的直线位置距离Sn；
(4.4)根据冲击波测试仪测取的波形，由步骤(4.2)得到的每个波峰开始时刻Tn以及步骤(4.3)得到的距离Sn计算出各个电子雷管的延时时间:
Figure FDA0003050321880000021
式中：
Figure FDA0003050321880000022
-第一发电子雷管的标称延时时间，单位为ms；
tn-电子雷管的延时时间，单位为ms；
T0—记录开始时间；
v—爆轰波在水中的传播速度，取1400m/s；
Sn-电子雷管到水击波传感器的距离；
(5)、计算第i发电子雷管实测延时时间精度差：
Figure FDA0003050321880000023
ti-第i发电子雷管的实际延时时间；
Δti-第i发电子雷管实测延时时间精度差；
Figure FDA0003050321880000024
-第i发电子雷管的设计延时时间。
2.如权利要求1所述的基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其特征在于：所布置的电子雷管距离水体自由面高度h1≥1m，距离水底高度h2≥1.5m，所以所选水体区域深度H≥2.5m。
3.如权利要求1所述的基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其特征在于：电子雷管到水域周围距离L应满足：
Figure FDA0003050321880000025
其中
Figure FDA0003050321880000026
为电子雷管装药量。
4.如权利要求1所述的基于水下冲击波实测波形的电子雷管延时精度测试方法，其特征在于：所选圆周直径D应满足：30d≤D≤2h2，其中d为电子雷管直径，h2为所布置电子雷管距离水底高度。
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