CN207622971U - 一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，包括采集分系统、控制引爆分系统、调理器分系统及测试元件分系统；采集分系统包括上位机、下位机、摄像系统显示器及光电滑环；控制引爆分系统包括控制盒及起爆元件，控制盒包括第二光纤收发器及控制电路；起爆元件包括雷管、炸药，控制电路设置有固态继电器；调理器分系统包括应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪、高速摄像主机；测试元件分系统包括应变片、传感器和高速摄像头，应变片和传感器布置在试验模型上。本实用新型在离心机上实现同步多参数动态测试，解决了传统模型试验不满足水下爆炸相似率的问题，可以作为原型试验的替代方法，大大节约了试验成本及时间。

Description

一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统

技术领域

本实用新型属于土工机械模型试验测试技术领域，尤其涉及一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统。

背景技术

土工离心模型试验的基本原理是将由原材料按一定比尺制成的模型，放置在离心机生成的离心力场中，通过加大模型的自重体积力，使模型的应力状态达到与原型相同应力状态，并显示出与原型相似的变形和破坏过程。通过模型试验，可以在一定离心模拟相似比尺的条件下，减少模型尺寸，缩短模型试验时间，研究工程实际问题。目前，采用离心机进行离心模拟试验已成为研究与重力场有关的工程问题的有效手段之一。

水工结构在受到炸药等非接触爆炸作用时，水下爆炸产生的冲击波及气泡脉动均可造成结构的毁伤。为了更好地利用水下爆炸在拆除水工结构等工程上的作用，应对水下爆炸过程中的冲击波和气泡脉动特性，水下爆炸荷载作用下水工结构的动力响应特性和破坏模式进行详细深入的研究。因此，在结构上布置加速度计、应变片等传感器研究结构的动力响应，在水中布置水压力传感器研究水下爆炸冲击波特性，布置高速摄像研究气泡脉动规律。

用大当量的炸药直接对结构原型进行破坏试验成本巨大，试验周期长，对试验场地、操作、测试技术要求非常高，基于相似关系进行模型试验是常见的研究手段；如果在地面常重力场下进行模型试验中，流体动力学里影响气泡相似的弗劳德数和影响冲击波相似的马赫数无法同时满足相似条件，只有在超重力场中才可满足水下爆炸产生的冲击波与气泡同时相似。因此，在离心机上用小当量的炸药进行模型试验来替代原型试验是一个必要的选择。

常规离心机模型试验中，传感器量程小，数据采集频率低。由于炸药爆炸过程持续时间非常短，1克炸药在水下爆炸持续时间不足1秒，因此需要借助高频数采设备及传感器等仪器来进行数据采集，同时还需要借助高速摄像机来捕捉爆炸后气泡脉动过程。目前水下爆炸试验主要在常重力场下进行，测控系统相对于地面保持静止，以此来测量水下爆炸产生的冲击荷载及结构的动力响应，并拍摄水下的气泡脉动现象。而对于离心模型试验，整套测控系统都将安装在离心机上并跟随试验模型高速旋转，这就对常规的地面水下爆炸试验的测控系统提出了挑战。

有鉴于此，有必要提出一种新的方法来解决水下爆炸模型试验测控系统在离心机上的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，它可以控制离心机水下爆炸模型试验的引爆，并同步采集结构响应加速度、应变及水压力数据，且同时对水下爆炸过程进行高速摄像。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，包括采集分系统、控制引爆分系统、调理器分系统及测试元件分系统；

该采集分系统包括上位机、下位机、摄像系统显示器及光电滑环；控制引爆分系统包括控制盒及起爆元件，控制盒包括第二光纤收发器及控制电路；起爆元件包括雷管、炸药，控制电路设置有用于引爆雷管的固态继电器；调理器分系统包括应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪、高速摄像主机；测试元件分系统包括应变片、传感器和高速摄像头，应变片和传感器布置在试验模型上，摄像头布置在模型箱外有机玻璃的一侧；

采集分系统用于命令下达及数据采集，上位机用于控制起爆元件引爆、高速摄像、数据回放、数据分析、图像查看，下位机用于起爆元件的触发控制、数据采集及高速摄像三个步骤的同步实施，摄像系统显示器用于对模型箱中的试验过程进行实时监控查看，光电滑环用于地面控制室和离心机内的供电及信号通讯连接；下位机与上位机通过光纤进行通讯连接；下位机与控制盒及调理器分系统连接；

该控制引爆分系统用于控制炸药起爆，固态继电器与下位机的数据采集卡输出端连接，用于在收到指令后，引爆雷管，并通过雷管引爆炸药；

该调理器分系统用于对测试元件分系统传递过来的电信号进行处理及图片缓存，应变片通过导线连接应变桥盒，应变桥盒与应变放大器相连，应变放大器与下位机相连，传感器通过导线与传感器信号适调仪连接，传感器信号适调仪与下位机相连；摄像头与高速摄像主机相连，高速摄像主机与下位机相连。

进一步地，该下位机通过第二光纤收发器与光电滑环连接，光电滑环通过第一光纤收发器与上位机连接。

进一步地，该上位机和下位机之间通过1000兆光纤通信实现数据和指令的传递。

进一步地，下位机、控制盒、高速摄像主机、应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪需固定于离心机转台，并靠近离心机旋转轴设置。

进一步地，摄像头安装于钢架上，钢架用螺栓连接固定于模型箱有机玻璃一侧，摄像头附近设置2个100W的LED投光灯，用于摄像时的照明。

进一步地，传感器为压电式传感器，包括加速度传感器和水压力传感器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过提供了一种用于离心机试验平台的测控系统，实现了起爆、数据采集和高速摄像的同步，完全切合水下爆炸离心模型试验的各种要求；提高了水下爆炸测试效率及测试能力，扩大了水下爆炸测控系统的应用范围，优化了结构设计，降低了水下爆炸试验成本，增强了实用性和试验可重复性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的结构框图；

图3是本实用新型下位机的结构框图；

图中标号：

1-地面控制室；2-离心机转台；3-离心机吊篮上；4-下位机；5-调理器分系统；6-控制盒；7-测试元件分系统；8-光纤；9-离心机转轴；10- 摄像头；11-模型箱；12-模型箱吊篮；13-转臂；14-配重吊篮；15-光电滑环。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

参图1所示，离心机从离心机转轴9至转臂13到配重吊篮14、模型箱吊篮12的离心力逐渐增大，因此除测试元件分系统7(包括摄像头10、应变片、传感器)和起爆元件(包括雷管、导爆索、炸药)等布置在模型箱上或者试验模型上外，其他仪器，如下位机4、控制盒6、调理器分系统5(包括应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪、高速摄像主机)都需要布置在离心机转台2上以防受到较大离心力导致无法正常工作。

上位机、摄像系统的显示器和第一光纤收发器位于地面控制室1；下位机、控制盒、应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪和高速摄像主机固定于离心机转台2上；雷管、导爆索、炸药、应变片、加速度传感器、水压力传感器、摄像头都位于模型箱吊篮12内。

参图2所示，摄像系统显示器可以对模型箱中的试验过程进行实时监控查看；光电滑环是用于地面控制室和离心机内的供电及信号通讯连接；该上位机的网口通过网线与第一光纤收发器的网口连接，第一光纤收发器的光口通过光纤与光电滑环的静端连接，滑环静端通过电刷与滑环动端进行信号传输，光电滑环动端通过光纤与控制盒中第二光纤收发器的光口连接，第二光纤收发器的网口通过网线与下位机网口连接，因此形成了上位机和下位机数据与指令的传递路径；该上位机装有上位机客户端软件，操作者通过该软件界面控制雷管引爆、高速摄像、数据回放、数据分析、图像查看等；该下位机机箱内部装有PXI数采系统，完成同步触发控制、同步高频快速数据采集；当上位机客户端下达指令后，下位机服务端软件根据接收的测控进行解码，并执行相应的测控任务。该下位机与控制盒中的控制电路连接，控制电路与起爆元件连接，当下位机接收指令后，数据采集卡的输出通道输出TTL电平驱动引爆控制电路中的固态继电器，固态继电器控制雷管上电，雷管爆炸并引爆炸药；下位机与调理器分系统相连，调理器分系统与测试元件分系统相连，进行数据采集和高速摄像。

参图3所示，下位机包含固态硬盘、图像采集卡、数据采集卡和CPU 等。高速摄像头与高速摄像主机相连，高速摄像主机与下位机中的图像采集卡相连，在拍摄指令下达之后，高速摄像主机内置程序进行拍摄图片并将图片暂存在高速摄像主机中，通过对上位机客户端软件进行操作之后将图片保存至下位机固态硬盘；应变放大器和传感器信号适调仪都具有将模拟信号进行放大的作用；应变片与应变桥盒相连，应变桥盒与应变放大器相连，应变放大器与下位机中的数据采集卡的模拟输入通道相连，应变桥盒工作原理是惠通斯电桥，应变片发生微小应变之后其电阻值发生改变，惠通斯电桥将电阻值的变化量转化为电压变化量，然后应变放大器将该电压变化量信号放大并滤波之后传递至下位机数采系统，实现同步应变采集；传感器与传感器信号适调仪相连接，传感器信号适调仪与下位机数据采集卡的模拟输入通道相连接，传感器信号适调仪将传感器传递过来的电信号进行放大滤波后传递至下位机数采系统，实现模型爆炸动态信号高速同步采集。

摄像头需要固定在模型箱有机玻璃一侧进行拍摄，模型箱和离心机吊篮在设计之初并无高速摄像固定位置，需定制高速摄像支架，通过螺栓连接将支架固定在模型箱有机玻璃一侧，再将高速摄像头固定于支架上。

该传感器包括加速度传感器和水压力传感器。由于爆炸产生的水压力和结构动态响应比常规离心机动力试验的水压力和结构响应大很多，因此一般离心机动力试验的传感器量程及采样频率不满足要求。为满足试验需要，本测控系统中用的传感器由PCB公司生产，加速度传感器有2种型号，分别为 350B01型和350D02型加速度传感器，量程分别为±100000g，±50000g；水压力传感器为138A10型，量程为68MPa；传感器信号适调仪为PCB公司的交流供电482C05型。

加速度传感器是以螺纹-螺孔形式固定于试验结构上，因此加速度传感器的螺纹端需涂硅脂，用扳手拧紧固定于试验结构设计位置，硅脂的作用是防止加速度传感器与结构存在空隙影响监测数据。

水压力传感器需要用竖直杆固定于模型箱内的指定位置，以防止水压力传感器在离心机转动后改变位置。

在离心机开机启动前需调好高速摄像位置及焦距，并打开高亮度光源。在离心机转到指定离心加速度时，引爆雷管之前需要在上位机的客户端软件设置好各项参数，如采样时长，采样频率，各通道增益，拍摄帧幅等。

本实用新型通过提供了一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，达到了以下技术效果：

1)通过用离心模型水下爆炸试验来代替大型水工结构等原型爆炸试验，大大节约了试验成本及时间成本，降低了试验风险，提高了试验的可行性与可重复性；

2)通过在离心机上应用高速摄像，使其能适用于离心模型试验中水下的图像采集，并可拓展至滑坡落石固态物体等其他离心模拟试验图像采集；

3)通过同步多参数动态测试的实现，提高了测试效率，从结构动态响应数据及水下爆炸过程图片分析等多角度掌握了测试过程中被测物体的变化情况；

4)经试验证明，本实用新型“一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统”可有效地引爆雷管并实现同步高速数据采集及高速摄像图像采集。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (6)

1.一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，其特征在于，包括采集分系统、控制引爆分系统、调理器分系统及测试元件分系统；

所述采集分系统包括上位机、下位机、摄像系统显示器及光电滑环；所述控制引爆分系统包括控制盒及起爆元件，所述控制盒包括第二光纤收发器及控制电路；所述起爆元件包括雷管、炸药，所述控制电路设置有用于引爆雷管的固态继电器；所述调理器分系统包括应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪、高速摄像主机；所述测试元件分系统包括应变片、传感器和高速摄像头，所述应变片和所述传感器布置在试验模型上，所述摄像头布置在模型箱外有机玻璃的一侧；

所述采集分系统用于命令下达及数据采集，所述上位机用于控制起爆元件引爆、高速摄像、数据回放、数据分析、图像查看，所述下位机用于起爆元件的触发控制、数据采集及高速摄像三个步骤的同步实施，所述摄像系统显示器用于对模型箱中的试验过程进行实时监控查看，所述光电滑环用于地面控制室和离心机内的供电及信号通讯连接；所述下位机与上位机通过光纤进行通讯连接；所述下位机与所述控制盒及调理器分系统连接；

所述控制引爆分系统用于控制炸药起爆，所述固态继电器与所述下位机的数据采集卡输出端连接，用于在收到指令后，引爆雷管，并通过雷管引爆炸药；

所述调理器分系统用于对测试元件分系统传递过来的电信号进行处理及图片缓存，所述应变片通过导线连接应变桥盒，所述应变桥盒与所述应变放大器相连，所述应变放大器与所述下位机相连，所述传感器通过导线与所述传感器信号适调仪连接，所述传感器信号适调仪与所述下位机相连；所述摄像头与所述高速摄像主机相连，所述高速摄像主机与所述下位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，其特征在于，所述下位机通过所述第二光纤收发器与所述光电滑环连接，所述光电滑环通过第一光纤收发器与所述上位机连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，其特征在于，所述上位机和下位机之间通过1000兆光纤通信实现数据和指令的传递。

4.根据权利要求1所述的一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，其特征在于，所述下位机、控制盒、高速摄像主机、应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪需固定于离心机转台，并靠近离心机旋转轴设置。

5.根据权利要求1所述的一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，其特征在于，所述摄像头安装于钢架上，钢架用螺栓连接固定于模型箱有机玻璃一侧，所述摄像头附近设置2个100W的LED投光灯。

6.根据权利要求1所述的一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，其特征在于，所述传感器为压电式传感器，包括加速度传感器和水压力传感器。