CN116183083A - 一种近地面全向型压力传感器和冲击波测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近地面全向型压力传感器和冲击波测量系统，主要解决现有的冲击波压力传感器受测量现场地面因素影响，或爆心的方向不确定因素影响，造成测量结果不准确的技术问题。近地面全向型压力传感器包括连接盘、传感器安装座、传感器本体和安装杆；所述连接盘的上侧表面为平面，所述传感器安装座安装于连接盘上侧内部的中心位置，所述传感器本体安装于传感器安装座上，所述传感器安装座上端和传感器本体的敏感面均与连接盘的上侧表面平齐设置；所述安装杆的上端安装于连接盘的下侧，安装杆的下端用于插入地面对该近地面全向型压力传感器进行固定。

Description

一种近地面全向型压力传感器和冲击波测量系统

技术领域

本发明涉及一种压力传感器和冲击波测量系统，具体涉及一种近地面全向型压力传感器和采用该传感器的近地面全向型冲击波测量系统。

背景技术

冲击波参数测量是爆炸力学研究的重要组成部分，在自由场环境下，现有的冲击波压力传感器大多布置于地面，通过冲击波压力传感器采集到冲击波压力信号并将冲击波压力信号通过线缆传输给信号调理端，再将调理后的电信号传输至数据采集设备，最终在电脑端完成数据处理与存储。

现有的冲击波压力传感器通常包括贴地式安装传感器和笔式传感器；贴地式安装传感器在安装于野外环境时，由于野外环境的大部分地面平整度无法达到理想的平整状态，凹凸地面会影响冲击波传播；贴地式安装传感器及其安装件的几何形状会改变冲击波传播路径，影响测量结果；在单次爆炸后，风沙甚至会掩埋传感器表面，影响测量结果；单次爆炸后传感器所在位置的土质可能会有不同程度松动，松动后的根基不利于传感器紧固安装，不利于后续测量；若面临多波次试验，需在两次试验期间重新达到紧固安装效果，传感器较多时工作量较大，且短时间内实现难度大；笔式传感器是通过其尖端处的敏感面对冲击波信号进行采集，在安装时需要将其尖端指向已知爆心，并将笔式传感器固定在近地面处，然而，在特定类型的爆炸试验中，由于爆炸位置存在随机性，冲击波传播方向难以确定，传统笔式冲击波压力传感器指向固定，若爆炸位置偏离，传感器敏感面与冲击波传播方向会有偏差，影像测量结果。

综上，现有的冲击波压力传感器受测量现场地面因素影响，或爆心的方向不确定因素影响，造成测量结果不准确的技术问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有的冲击波压力传感器受测量现场地面因素影响，或爆心的方向不确定因素影响，造成测量结果不准确的技术问题，而提供一种近地面全向型压力传感器和冲击波测量系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种近地面全向型压力传感器，其特殊之处在于：包括连接盘、传感器安装座、传感器本体和安装杆；

所述连接盘的上侧表面为平面，所述传感器安装座安装于连接盘上侧内部的中心位置，所述传感器本体安装于传感器安装座上，所述传感器安装座上端和传感器本体的敏感面均与连接盘的上侧表面平齐设置；

所述安装杆的上端安装于连接盘的下侧，安装杆的下端用于插入地面对该近地面全向型压力传感器进行固定。

进一步地，所述连接盘为圆盘；

所述连接盘下侧表面为圆锥台形面，其直径沿上至下方向逐渐减小

进一步地，所述传感器安装座周侧包括由上至下方向依次设置的第一安装段和第二安装段；

所述连接盘的端面中心位置由上至下方向依次开设有与传感器安装座第一安装段相适配的第一安装孔、与安装杆周侧相适配的第二安装孔；

所述安装杆上端安装于第二安装孔内，安装杆上端沿其轴向由上至下依次开设有与传感器安装座第二安装段相适配的第三安装孔、走线孔；

所述安装杆上对应走线孔的周侧开设有走线窗口，用于外部的线缆穿过走线窗口置于走线孔内，与传感器本体的接线口连接；

所述传感器安装座的第二安装段安装于第三安装孔内，第一安装段安装于第一安装孔内。

进一步地，所述安装杆包括连接段和插接段；

所述插接段中空设置，其下端用于插入地面；

所述连接段的下端设置有与插接段内孔相适配的插头，所述插头连接于插接段的内孔中；

所述连接段的上端连接于第二安装孔内，所述走线孔和走线窗口均开设于连接段上。

进一步地，所述插接段的下端面设置为倾斜面。

进一步地，还包括固定螺栓；

所述固定螺栓连接于插接段的周侧，用于固定线缆。

同时，本发明还提供了一种近地面全向型冲击波测量系统，其特殊之处在于：包括压力传感器、电荷放大模块、数据采集模块、触发模块、组网模块、前端计算机；

所述压力传感器采用近地面全向型压力传感器；

所述近地面全向型压力传感器用于测量冲击波并输出冲击波压力信号，其输出端与电荷放大模块的输入端连接，所述电荷放大模块的输出端与数据采集模块的数据输入端连接；

所述数据采集模块的外触发接口与触发模块的触发输出端连接，所述触发模块触发输入端与组网模块串口连接，所述前端计算机与组网模块网口连接，所述数据采集模块与组网模块串口连接；

所述前端计算机用于对采集的冲击波数据进行处理、控制触发模块的触发，数据采集模块用于根据触发模块输出的触发信号进行采集电荷放大模块输出的冲击波数据，并将采集的冲击波数据通过组网模块发送至前端计算机。

进一步地，还包括备用复记数据采集模块；

所述备用复记数据采集模块采用内触发方式，用于在外部信号的作用下触发，其触发阀值为最大量程的1/100-1/2；

所述备用复记数据采集模块的第一输入端与电荷放大模块的输出端连接，所述备用复记数据采集模块的第二输入端与触发模块的输出端连接，所述备用复记数据采集模块与组网模块串口连接。

进一步地，还包括卫星授时模块；

所述卫星授时模块的触发输出端与触发模块的触发输入端连接，所述卫星授时模块用于与外部卫星天线连接，在接收到定时触发信号后控制触发模块定时触发，所述卫星授时模块与组网模块串口连接。

进一步地，

还包括控制计算机；

所述控制计算机与前端计算机远程连接，用于远程控制前端计算机；

还包括电源；

所述地面全向型压力传感器、电荷放大模块、备用复记数据采集模块、数据采集模块、触发模块、组网模块、卫星授时模块、前端计算机和控制计算机分别与电源连接；

所述数据采集模块和备用复记数据采集模块均具有16个采集通道；所述数据采集模块和备用复记数据采集模块的采样率均设置为1-100MHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置近地面全向型压力传感器中连接盘、传感器安装座和传感器本体的安装结构相当于现有笔式传感器在平面内各个方向的延伸，从而能够适应任意方向传来的触地爆炸冲击波信号，保留了其对冲击波场干扰小的特点，具有比笔式传感器更好的方向适应性，能够适用于落点未知的触地爆试验环境中。

2、本发明通过将连接盘下侧面设置为圆锥台形面，并将传感器安装座安装于安装杆上端，可以在满足安装杆和传感器本体安装需要的同时，使得连接盘尽可能的薄，通过该薄片化设计能使得连接盘对冲击波传播的影响最小化，并相应地减轻其重量。

3、本发明通过将连接盘安装于安装杆上，可以使得测量时传感器高出地面，能够减少地面不平整度对冲击波传播的干扰，避免受人为踩踏、地面沙石滚动等影响，同时减少可传感器部分整体安装入土的环节，提高现场安装效率，可以在工作人员进行测量准备阶段就完成安装。

4、本发明通过设置的电荷放大模块、数据采集模块、触发模块和组网模块可以通过电荷放大模块对电荷信号转换为电压信号输入至数据采集模块进行采集，通过前端计算机或控制计算机经组网模块控制触发模块发出触发信号，控制数据采集模块进行采集状态，实现对冲击波的测量；本发明通过设置的备用复记数据采集模块采用内触发方式，可以在外部信号的作用下，自动开始进行冲击波数据的测量；本发明通过设置的卫星授时模块可以控制触发模块的触发时刻，可以实现触发模块的定时触发；本发明通过设置的触发模块可采用手动触发、定时触发或外部信号触发，可根据现场实际需要选择合适的触发模式，增强了系统的适应性，可满足爆炸时间未知的触地爆试验的需要，最终完成任意方向冲击波压力测量。

附图说明

图1是本发明一种近地面全向型压力传感器实施例的结构示意图(图中未示出传感器本体)；

图2是本发明一种近地面全向型冲击波测量系统实施例的原理图；

图3是实际测量触地爆炸冲击波测量结果波形图(1)；

图4是实际测量触地爆炸冲击波测量结果波形图(2)。

图中：

1-近地面全向型压力传感器，11-传感器安装座，12-连接段，13-插接段，14-连接盘，15-线缆，16-走线孔，17-走线窗口，18-固定螺栓，19-第一安装孔，110-第二安装孔，111-第三安装孔；

2-电荷放大模块，3-数据采集模块，4-触发模块，5-卫星授时模块，6-组网模块，7-前端计算机，8-控制计算机，9-电源，10-备用复记数据采集模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种近地面全向型压力传感器和冲击波测量系统作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

本发明一种近地面全向型压力传感器1，如图1所示，包括连接盘14、传感器安装座11、固定螺栓18、传感器本体和安装杆。

在本实施例中，连接盘14设置为金属材质，可以降低连接盘14结构边沿损坏的可能性，将传感器安装座11设置为聚四氟乙烯材质；传感器安装座11为筒形结构，在传感器安装座11的内壁和外壁均设置有螺纹，用于传感器安装座11与传感器本体连接、与安装杆连接、与连接盘14连接；传感器安装座11的周侧包括由上至下方向依次设置的第一安装段和第二安装段，第二安装段直径大于第一安装段直径；连接盘14的端面中心位置由上至下方向依次开设有与传感器安装座11第一安装段相适配的第一安装孔19、与安装杆周侧相适配的第二安装孔110，连接盘14的第一安装孔19和第二安装孔110处分别设置有内螺纹，安装杆上端通过螺纹配合安装于第二安装孔110内，安装杆上端沿其轴向由上至下依次开设有与传感器安装座11第二安装段相适配的第三安装孔111、走线孔16，安装杆上对应走线孔(16)的周侧开设有走线窗口17，用于外部的线缆15穿过走线窗口17置于走线孔16内，与传感器本体的接线口连接；传感器安装座11的第二安装段通过螺纹配合安装于第三安装孔111内，第一安装段通过螺纹配合安装于第一安装孔19内；需要说明的是，通过螺纹配合的安装方式仅为本发明的一个优选实施例，在本发明的其他实施例中，本领域技术人员还可通过其他固定连接方式，例如：机械卡接、卡扣连接等，能够满足快速拆装需要即可。

为了尽可能降低连接盘14的厚度，减小对冲击波传递的影响，将连接盘14的上侧表面设置为平面，下侧表面设置为圆锥台形面，且其直径沿上至下方向逐渐减小，传感器本体通过螺纹配合安装于传感器安装座11上，传感器安装座11上端和传感器本体的敏感面均与连接盘14的上表面平齐设置，安装杆的下端用于插入测量现场的地面，深度大于60厘米，实现近地面全向型压力传感器1自身的固定安装，在插入时，应避免安装杆倾斜松动与人行车轧。

在本发明的一个优选实施例中，为了方便安装杆的运输转运，将安装杆设置为分体结构，包括连接段12和插接段13；插接段13中空设置，将固定螺栓18沿插接段13的径向连接于插接段13的周侧，通过固定螺栓18来固定传感器本体接线口引出的线缆15；连接段12的下端设置有与插接段13内孔相适配的插头，插头连接于插接段13的内孔中，并且插头与插接段13的内孔螺纹配合；连接段12的上端连接于第二安装孔110内，走线孔16和走线窗口17均开设于连接段12上。

在本发明的一个优选实施例中，为了便于将插接段13插入地面，将插接段13的下端面设置为倾斜面，其倾斜角度为30°。

实际安装时，将传感器本体的接线口与低噪声线缆的一端通过螺纹连接，并用绝缘胶带包裹连接处，将该低噪声线缆的另一端经走线孔16和走线窗口17引出，将传感器本体安装至传感器安装座11上，将连接盘14与连接段12连接，确保牢固，再将插接段13与连接段12连接，通过固定螺栓18经该低噪声线缆固定在插接段13，防止拉拽造成接触不良；将插接段13插入测量现场的地面，实现整体固定；将低噪声线缆的另一端拉伸至远处的电荷放大模块2接线端，拧紧接头并固定，该低噪声线缆中间部分在场地中用土掩埋覆盖。

如图2所示，本发明一种近地面全向型冲击波测量系统，包括压力传感器、电荷放大模块2、数据采集模块3、触发模块4、卫星授时模块5、组网模块6、前端计算机7、备用复记数据采集模块10、控制计算机8和电源9；

压力传感器采用一种近地面全向型压力传感器1；前端计算机7采用加固型笔记本电脑，并置于现场仪器间内；近地面全向型压力传感器1用于测量冲击波并输出冲击波压力信号，其输出端与电荷放大模块2的输入端通过低噪声线缆连接，通过电荷放大模块2调理后将电荷信号变为电压信号，完成力学量到电学量的转换，并可将电荷放大模块2的放大倍数设置为1-1000倍(调整增幅为1)，并设置1k-100kHz的低通滤波，将处理后的信号传输给数据采集模块3，电荷放大模块2的输出端与数据采集模块3的数据输入端通过低噪声线缆连接；数据采集模块3的外触发接口与触发模块4的输出端通过低噪声线缆连接，用于依靠触发模块4输出的脉宽信号进行触发，触发模块4的触发输入端与卫星授时模块5的触发输出端通过低噪声线缆连接，卫星授时模块5用于与外部卫星天线连接，卫星天线安置于露天空旷处，确保卫星信号良好，经过5分钟后可进入稳定授时状态，授时精度可达1μs，可以通过设置预定触发时间，使得触发模块经过预定触发时间后触发；卫星授时模块5与组网模块6串口连接，前端计算机7与组网模块6网口连接，前端计算机7通过测量现场的光纤网络与控制计算机8远程连接；数据采集模块3与组网模块6串口或网口连接，数据采集模块3用于根据触发模块4输出的触发信号进行采集电荷放大模块2输出的冲击波数据，并将采集的冲击波数据通过组网模块6发送至前端计算机7，备用复记数据采集模块10的第一输入端与电荷放大模块2的输出端通过低噪声线缆连接，备用复记数据采集模块10的第二输入端与触发模块4的输出端通过低噪声线缆连接，备用复记数据采集模块10与组网模块6串口或网口连接，在测量过程中，通过数据采集模块3和备用复记数据采集模块10两组同时进行采集。

数据采集模块3和备用复记数据采集模块10均具有16个采集通道；备用复记数据采集模块10采用内触发方式，其触发阀值为最大量程的1/100-1/2；数据采集模块3和备用复记数据采集模块10的采样率均设置为1-100MHz。

地面全向型压力传感器、电荷放大模块2、备用复记数据采集模块10、数据采集模块3、触发模块4、卫星授时模块5、组网模块6、前端计算机7和控制计算机8分别与电源9连接，电源9的输入端用于与外部汽油发电机连接，在汽油发电机加满油的情况下能够确保系统持续工作12小时以上，在汽油发电机断电后，电源9可以确保系统工作40分钟以上。

触发模块4具有手动触发、定时触发和外部信号触发三种触发方式；①手动触发：在爆炸时间确定的情况下，操作者可以于任何时间点击开始采集即可实现手动采集；②与卫星授时模块5相连接的触发模块4连接数据采集模块3和备用复记数据采集模块10进行时间对齐与触发，操作者可设置定时触发时刻为任一时刻；③外部信号触发：可用靠近预定爆心处的加速度信号或通过爆炸火光作为触发信号源，加速度信号经低噪音电缆传输至电荷放大模块2，转换为电压信号后输入触发信号，备用复记数据采集信号的输入信号敏感阀值可调，输出窄脉冲信号进入触发模块4的输入通道，触发模块4具备多通道同步输出与调节脉宽的功能，为确保触发脉宽能够满足所有测量设备的实际需要，可设置同步输出脉宽为1ms，展宽后的触发信号通过多路通道输出，分别连接数据采集模块3、备用复记数据采集模块10，实现外部信号触发控制。

采用上述一种近地面全向型冲击波测量系统实际测量的冲击波测量结果波形图如图3和图4所示。

实际测量时，启动近地面全向型冲击波测量系统中所有部件仪器，爆炸前3min操作人员使用控制计算机8远程连接前端计算机7，开启控制软件，通过计算机控制数据采集模块3和备用复记数据采集模块10进入采集状态；或，通过串口指令向卫星授时模块5发送精确到秒的触发时刻(年月日时分秒)，当达到预设触发时间后，卫星授时模块5控制触发模块4向控制数据采集模块3和备用复记数据采集模块10发送触发信号，控制数据采集模块3和备用复记数据采集模块10进入采集状态；或，在触发模块4未控制数据采集模块3和备用复记数据采集模块10进入采集状态，但是近地面全向型压力传感器1采集到了冲击波压力信号时，该信号会经低噪声线缆传输至电荷放大模块2，再进入备用复记数据采集模块10使其触发，再进行触发模块4，触发模块4向数据采集模块3和备用复记数据采集模块10发出触发信号，控制数据采集模块3和备用复记数据采集模块10共同采集，采集完成后将数据发送至组网模块6，组网模块将数据回传并存储于前端计算机7或控制计算机8中，供后续处理分析。

Claims (10)

1.一种近地面全向型压力传感器，其特征在于：包括连接盘(14)、传感器安装座(11)、传感器本体和安装杆；

所述连接盘(14)的上侧表面为平面，所述传感器安装座(11)安装于连接盘(14)上侧内部的中心位置，所述传感器本体安装于传感器安装座(11)上，所述传感器安装座(11)上端和传感器本体的敏感面均与连接盘(14)的上侧表面平齐设置；

所述安装杆的上端安装于连接盘(14)的下侧，安装杆的下端用于插入地面对连接盘(14)进行固定。

2.根据权利要求1所述的一种近地面全向型压力传感器，其特征在于：所述连接盘(14)为圆盘；

所述连接盘(14)下侧表面为圆锥台形面，其直径沿上至下方向逐渐减小。

3.根据权利要求1或2所述的一种近地面全向型压力传感器，其特征在于：所述传感器安装座(11)的周侧包括由上至下方向依次设置的第一安装段和第二安装段；

所述连接盘(14)的端面中心位置沿上至下方向依次开设有与传感器安装座(11)第一安装段相适配的第一安装孔(19)、与安装杆周侧相适配的第二安装孔(110)；

所述安装杆的上端安装于第二安装孔(110)内，安装杆上端沿其轴向由上至下依次开设有与传感器安装座(11)第二安装段相适配的第三安装孔(111)、走线孔(16)；

所述安装杆上对应走线孔(16)的周侧开设有走线窗口(17)，用于外部的线缆(15)穿过走线窗口(17)置于走线孔(16)内，与传感器本体的接线口连接；

所述传感器安装座(11)的第二安装段安装于第三安装孔(111)内，第一安装段安装于第一安装孔(19)内。

4.根据权利要求3所述的一种近地面全向型压力传感器，其特征在于：所述安装杆包括连接段(12)和插接段(13)；

所述插接段(13)中空设置，其下端用于插入地面；

所述连接段(12)的下端连接于插接段(13)的内孔中；

所述连接段(12)的上端连接于第二安装孔(110)内，所述走线孔(16)和走线窗口(17)均开设于连接段(12)上。

5.根据权利要求4所述的一种近地面全向型压力传感器，其特征在于：所述插接段(13)的下端面设置为倾斜面。

6.根据权利要求5所述的一种近地面全向型压力传感器，其特征在于：

所述插接段(13)上设置有固定螺栓(18)，用于固定线缆(15)。

7.一种近地面全向型冲击波测量系统，其特征在于：包括压力传感器、电荷放大模块(2)、数据采集模块(3)、触发模块(4)、组网模块(6)、前端计算机(7)；

所述压力传感器采用权利要求1-6任一所述的近地面全向型压力传感器(1)；

所述近地面全向型压力传感器(1)用于测量冲击波并输出冲击波压力信号，其输出端与电荷放大模块(2)的输入端连接，所述电荷放大模块(2)的输出端与数据采集模块(3)的数据输入端连接；

所述数据采集模块(3)的外触发接口与触发模块(4)的触发输出端连接，所述触发模块(4)触发输入端与组网模块(6)串口连接，所述前端计算机(7)与组网模块(6)网口连接，所述数据采集模块(3)与组网模块(6)串口或网口连接；

数据采集模块(3)用于根据触发模块(4)输出的触发信号进行采集电荷放大模块(2)输出的冲击波数据，并将采集的冲击波数据通过组网模块(6)发送至前端计算机(7)。

8.根据权利要求7所述的一种近地面全向型冲击波测量系统，其特征在于：还包括备用复记数据采集模块(10)；

所述备用复记数据采集模块(10)采用内触发方式，用于在外部信号的作用下触发，其触发阀值为最大量程的1/100-1/2；

所述备用复记数据采集模块(10)的第一输入端与电荷放大模块(2)的输出端连接，所述备用复记数据采集模块(10)的第二输入端与触发模块(4)的输出端连接，所述备用复记数据采集模块(10)与组网模块(6)串口或网口连接。

9.根据权利要求8所述的一种近地面全向型冲击波测量系统，其特征在于：还包括卫星授时模块(5)；

所述卫星授时模块(5)的触发输出端与触发模块(4)的触发输入端连接，所述卫星授时模块(5)用于与外部卫星天线连接，在接收到定时触发信号后控制触发模块(4)定时触发，所述卫星授时模块(5)与组网模块(6)串口连接。

10.根据权利要求9所述的一种近地面全向型冲击波测量系统，其特征在于：

还包括控制计算机(8)；

所述控制计算机(8)与前端计算机(7)远程连接，用于远程控制前端计算机(7)；

还包括电源(9)；

所述地面全向型压力传感器、电荷放大模块(2)、备用复记数据采集模块(10)、数据采集模块(3)、触发模块(4)、卫星授时模块(5)、组网模块(6)、前端计算机(7)和控制计算机(8)分别与电源(9)连接；

所述数据采集模块(3)和备用复记数据采集模块(10)均具有16个采集通道；所述数据采集模块(3)和备用复记数据采集模块(10)的采样率均设置为1-100MHz。

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