CN212206934U - 一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，采用同步触发器、传感器、数据采集器和无线传输等技术，对作用于建筑结构或构件的爆炸冲击波及其动态破坏效应进行瞬态同步测量，该测量系统能够测试作用于建筑结构的动态响应与破坏效应，可实现不同距离、多方向、多参数瞬态、同步采集等功能，在瞬态爆炸冲击波作用下的结构动态响应测试及爆破领域具有明显优势，拥有较好的应用价值；本实用新型采用74LS71芯片做为主从RS触发芯片，20M有源晶振做为振幅信号输入，74LS04N芯片做为反相器，74LS365芯片做为多通道驱动芯片实现同步触发器，不仅可确保爆炸瞬间及时、准确地采集到数据，也可保证所有采集仪器数据采集伊始时间的一致性和时域分析的可对比性。
Description
技术领域
本实用新型属于爆炸技术领域，具体涉及一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统。
背景技术
爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统是结构动态响应测试技术的集成创新，更是分析与研究爆炸冲击波作用下建筑结构或构件破坏程度的重要技术手段。由于爆炸冲击波具有传播速度快、峰值压力大、作用时间短(ms级)等特点，其效应更是破坏力强、破坏范围广，故而一方面利用其破坏效应实现民用领域的爆破目的；另一方面因其破坏效应社会影响大而在城市公共安全领域又是建筑结构或构件抗爆防爆抗爆研究的重要内容。因此，爆炸冲击荷载下的结构破坏效应研究，不论在爆破还是安全防护领域均愈来愈受到重视。
爆炸荷载作用下的建筑结构动力响应较常规荷载因影响因素多、瞬态测试技术难度高等限制而难以实现准确、瞬态、同步测量。特别是在爆炸冲击波超压及其结构压变、位移等动态响应、高速摄像等多参数同步、瞬态采集一直是难以突破的技术瓶颈。目前，爆炸冲击波及其效应测量技术基本处于单一参数测量水平，如地震波测量、冲击波测量、高速摄像测量等，但由于信号瞬态、同步性难以保证，研究结构破坏效应时难以进行同步的时域分析。此外，t量级爆炸药量下的安全测量及防护，也是试验研究的难点，如近距离火炸药爆炸冲击波及其效应的数据采集、测量人员和仪器的防护等。由此可知，火炸药爆炸冲击波因其高风险性，如何实现爆炸冲击波荷载作用下破坏效应不同距离、多参数瞬态、数据与图像等同步测量是准确分析爆炸冲击荷载作用下动态响应的关键。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，具有响应时间短、抗干扰能力强、可靠性高、测量范围大和可扩展性强等特点。
一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，包括至少一套测量单元，每套测量单元包括至少一个冲击波超压传感器(1)、一个加速度传感器(2)、1个压变传感器(3)、一个摄像机(4)、一个数据采集仪(5)、无线网桥系统(6) 以及同步触发器(7)；
所述冲击波超压传感器(1)，布置在爆炸场或爆炸结构中，用以测量空气冲击波的压强数据；
所述加速度传感器(2)和压变式传感器(3)，布置在爆炸场的建筑结构或构件中，分别用于测量建筑结构或者构件的加速度和形变数据；
所述摄像机(4)布置在有防护掩体的爆炸场中，用以拍摄爆炸情况，得到视频数据；
所述数据采集仪(5)布置在爆炸近场区，用于接收冲击波超压传感器(1)、加速度传感器(2)以及压变传感器(3)各自采集的数据，并将数据先存储在数据采集仪(5)的缓存中；
所述同步触发器(7)在爆炸源爆炸的同时，驱动数据采集仪(5)开始采集数据以及驱动摄像机(4)开始拍摄；
所述无线网桥系统(6)包括发射端和接收端；发射端布置在爆炸场中，接收端布置在爆炸场远处的测试人员处；所述发射端通过点对点的方式将所述数据采集仪(5)缓存中的数据传输到接收端，供测试人员使用。
较佳的，所述同步触发器(7)包括型号为74LS71的主从RS触发芯片、20M有源晶振、型号为74LS04N的反相器芯片、型号为74LS365 的多通道驱动芯片；
所述74LS71芯片：置位端
与100M电容和20K电阻并联，且 100M电容直接接地，20K电阻与电源相连；清除端
连接到自身的Q端；CLK端连接20M有源晶振的输出端out，接收振幅信号； S1端连接74LS04N芯片的1Y端；Q端串联10K电阻和第二开关器后连接到74LS365芯片的输入端；R1端连接74LS04N芯片的1A 端，同时R1端还通过第一开关器接地；并且，第一开关器的两个触点之间短接导线，该导线缠绕在爆炸源上；
所述第二开关器采用单刀双掷开关器，定义其静触点为a，两个动触点分别为b和c；触点b接在74LS71芯片的R1端，触点c点接在74LS71芯片的Q端；
所述74LS365芯片的输出端接到摄像机(4)和各个数据采集仪(5) 的控制端。
较佳的，超压传感器(1)采用ICP型压电式传感器。
较佳的，所述加速度传感器(2)采用单轴和/或三轴传感器，其中单轴加速度传感器测量范围在500g-50000g；三轴加速度传感器测量范围在50g-200g 之间。
较佳的，所述压变式传感器(3)，当放置于钢筋测点时采用BYM120-3AA-A3D 应变片，当放置于混凝土表面测点时采用BQ120-10AA应变片。
较佳的，所述数据采集仪5布置在爆炸近场区有防护措施的掩体中。
较佳的，所述掩体至少深2m。
本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型提供了一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量装置，采用同步触发器、传感器、数据采集器和无线传输等集成技术，对作用于建筑结构或构件的爆炸冲击波及其动态破坏效应进行瞬态同步测量，为研究爆炸冲击波作用下的结构动态响应和破坏效应提供了一种新型测量系统；该测量系统能够测试作用于建筑结构的动态响应与破坏效应，可实现不同距离、多方向、多参数瞬态、同步采集等功能，在瞬态爆炸冲击波作用下的结构动态响应测试及爆破领域具有明显优势，拥有较好的应用价值；
本实用新型采用74LS71芯片做为主从RS触发芯片，20M有源晶振做为振幅信号输入，74LS04N芯片做为反相器，74LS365芯片做为多通道驱动芯片实现同步触发器，不仅可确保爆炸瞬间及时、准确地采集到数据，也可保证所有采集仪器数据采集伊始时间的一致性和时域分析的可对比性。同时，根据采集仪器的数量设置触发驱动器数量，以保该证测量系统的可扩性。
附图说明
图1为本实用新型的同步测量装置的组成框图。
图2为无线网桥系统的结构框图。
图3为同步触发器电路图。
其中，1-超压传感器，2-加速度传感器，3-应变传感器，4-高速摄像机， 5-高速数据采集仪，6-无线网桥系统(含网络交换机)，7-同步触发器，8-计算机。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
数量为一个以上的冲击波超压传感器1，布置在爆炸场或爆炸结构中，用以测量空气冲击波的压强数据；该超压传感器1采用ICP型压电式传感器，如表1 所示，频响高、过载能力强、对温度和光闪的敏感性小，其技术性能适用于爆炸冲击波的测试，且内置放大器和阻抗变换器，具有输出信号大、输出阻抗低的特点，较好的解决了工程测试信噪比问题。
表1、5中常用ICP型压电式传感器的指标列表
数量为一个以上的加速度传感器2，布置在爆炸场的建筑结构或构件中，用于测量加速度；该加速度传感器采用单轴和三轴两种，其中单轴加速度传感器测量范围在500g-50000g；三轴加速度传感器测量范围在50g-200g之间，从而满足结构动态响应速度和地震波的测量要求。
数量为一个以上的压变式传感器3，布置在爆炸场的建筑结构或构件中，用于测量形变数据；该压变式传感器采用2种类型，其中钢筋测点采用 BYM120-3AA-A3D应变片，混凝土表面测点采用BQ120-10AA应变片，均为1/4桥连接方式；单通道最高采样率20MS/s、最大带宽2kHz，满足结构或构件应变测量要求。
数量为一个以上的高速摄像机4，布置在有防护掩体的爆炸场中；该高速摄像机最高拍摄速度100000fps，根据爆炸情况拍摄帧数设为5000-12000fps，通过与触发器连接的外触发方式，及时、准确地拍摄爆炸瞬间的宏观动态响应过程。并将拍摄的视频数据存储到自身的存储器中。
数量为一个以上的高速数据采集仪5，布置在爆炸近场区有防护措施深2m 的子站中；该高速数据采集仪单通道最高采样率10MS/s，最大带宽1MHz；根据测试参数需要，可扩展n个通道，以满足冲击波超压、应变和加速度测量要求。
无线网桥系统(含网络交换机)6，发射端布置在爆炸场中，接收端布置在爆炸场远处的测试人员处；发射端和接收端无阻隔物；该无线网桥在测量时，高速数据采集仪5采集的数据先存储在仪器的高速缓存中，通过无线网桥的发射端通过点对点的方式将数据传输到接收端，接收端将数据输送到计算机中存储，供测试人员使用，结构框图见图2。
同步触发器7由一台触发信号发生器和多台触发驱动器组成，触发信号发生器引出一组短路连接线在爆炸源上，这时触发信号发生器输送给所有高速数据采集仪5和高速摄像4等仪器的电压为高电平(U≈4V)。当爆炸源爆炸时将短路连接线炸开时，触发信号发生器由短路变为开路，输送给所有采集仪器的电压变为低电平(U＝1V)。通过触发信号发生器输送给采集仪器的电压变化，采集仪器开始采集数据和图像，这种方法不仅可确保爆炸瞬间及时、准确地采集到数据，也可保证所有采集仪器数据采集伊始时间的一致性和时域分析的可对比性。同时，根据采集仪器的数量设置触发驱动器数量，以保该证测量系统的可扩性。
本实用新型的同步触发器由一台触发信号发生器和多台触发驱动器组成，即采用74LS71芯片做为主从RS触发芯片，20M有源晶振做为振幅信号输入， 74LS04N芯片做为反相器，74LS365芯片做为多通道驱动芯片。其中从74LS71 芯片的置位端
分别与100M电容、20K电阻并联，且100M电容直接接地， 20K电阻与电源相连；从74LS71芯片的清除端
引线连接到其Q端；从 74LS71芯片的CLK端引线连接到20M有源晶振的out端；从74LS71芯片的S1 端引线连接到74LS04N芯片的1Y端；从74LS71芯片的Q端引线，通过串联10K 电阻和一个单刀双掷开关器S2(静触点为a，两个动触点为b和c；b接在R1 端，c点接在Q端)连接到74LS365芯片的输入端1A、2A、3A端(本实施例中选择3个输入端)，74LS365芯片的输出端1Y、2Y、3Y接到各数据采集仪5上，用于触发采集仪5；从74LS71芯片的R1端引线到74LS04N芯片的1A端，同时 R1端还通过连接开关器引出开关接地电路(开关器是同步触发器的输入端)。各芯片的Vcc端均连接到同一电源上；GND端接地。74LS04N芯片的G1和G2端接地，电路图见图3。
单刀双掷开关器S2的工作原理为：当单刀双掷开关器S2闭合(开关接通c)、开关器S1短路时，74LS365芯片收到74LS71输出端Q的高电平后74LS365芯片的输出端1Y、2Y、3Y端分别向测试仪器输出约3.7V电压；当S2闭合、开关器 S1断开时，74LS365芯片收到74LS71输出端Q的低电平后74LS365芯片的输出端1Y、2Y、3Y端分别向测试仪器输出约1v电压；当S2断开(开关接通b)、开关器S1短路时，74LS365芯片无输入信号，74LS365芯片的输出端1Y、2Y、3Y 端分别向测试仪器输出约1V电压；当S2断开、开关器S1断开时，74LS365芯片收到电源的高电平后输出端1Y、2Y、3Y端分别向测试仪器输出约1V电压。
爆炸前，同步触发器的输入端以短路连接线方式缠绕在爆炸源上、并接通电源时，74LS71的R1端直接接地，此时电压为0V，因74LS71芯片的R1端引线到74LS04N芯片的1A端，故通过74LS04N反相器1Y端输出高电平至74LS71 的S1端,此时74LS71的Q端会向74LS365输出高电平，74LS365收到高电平后向所有测试仪器输出约3.7v电压，此时芯片74LS71的清除端
为高电平，置位端
为低电平。因100M电容和20K电阻的作用，74LS71的清除端
引脚会比别的引脚慢约2秒收到电压信号，此时芯片74LS71的清除端
和置位端
均为高电平(U＝3.7V)，此时74LS71处于非存锁状态。
当爆炸瞬间时，缠绕在爆炸源上的同步触发器输入端短路连接线由由短路变为开路，此时电源的高电平直接输出到74LS71芯片的R1端及74LS04N芯片的1A端，74LS04N反相器1Y端输出低电平至74LS71的S1端,此时74LS71的Q 端会向74LS365芯片以及74LS71清除端
输出低电平，且
此时74LS71处于存锁状态，输出低电平U＝1V。74LS365芯片收到低电平后向所有测试仪器输出约1V电压。其中，如果此时接通短接线，因 74LS71处于存锁状态，故无法发生翻转，保证74LS365持续输出约1V电压，且通过20M有源晶振为74LS71芯片提供准确不变的振荡时钟信号，为芯片的传输计算提供更准确无误的信息，故而保障了同步触发器稳定性与可靠性。由此可知，这种方法不仅可确保爆炸瞬间及时、准确地采集到数据，也可保证所有采集仪器数据采集伊始时间的一致性和时域分析的可对比性。同时，根据采集仪器的数量设置触发驱动器数量，以保该证测量系统的可扩性。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，包括至少一套测量单元，每套测量单元包括至少一个冲击波超压传感器(1)、一个加速度传感器(2)、1个压变传感器(3)、一个摄像机(4)、一个数据采集仪(5)、无线网桥系统(6)以及同步触发器(7)；
所述冲击波超压传感器(1)，布置在爆炸场或爆炸结构中，用以测量空气冲击波的压强数据；
所述加速度传感器(2)和压变式传感器(3)，布置在爆炸场的建筑结构或构件中，分别用于测量建筑结构或者构件的加速度和形变数据；
所述摄像机(4)布置在有防护掩体的爆炸场中，用以拍摄爆炸情况，得到视频数据；
所述数据采集仪(5)布置在爆炸近场区，用于接收冲击波超压传感器(1)、加速度传感器(2)以及压变传感器(3)各自采集的数据，并将数据先存储在数据采集仪(5)的缓存中；
所述同步触发器(7)在爆炸源爆炸的同时，驱动数据采集仪(5)开始采集数据以及驱动摄像机(4)开始拍摄；
所述无线网桥系统(6)包括发射端和接收端；发射端布置在爆炸场中，接收端布置在爆炸场远处的测试人员处；所述发射端通过点对点的方式将所述数据采集仪(5)缓存中的数据传输到接收端，供测试人员使用。
2.如权利要求1所述的一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，所述同步触发器(7)包括型号为74LS71的主从RS触发芯片、20M有源晶振、型号为74LS04N的反相器芯片、型号为74LS365的多通道驱动芯片；
所述74LS71芯片：置位端
与100M电容和20K电阻并联，且100M电容直接接地，20K电阻与电源相连；清除端
连接到自身的Q端；CLK端连接20M有源晶振的输出端out，接收振幅信号；S1端连接74LS04N芯片的1Y端；Q端串联10K电阻和第二开关器后连接到74LS365芯片的输入端；R1端连接74LS04N芯片的1A端，同时R1端还通过第一开关器接地；并且，第一开关器的两个触点之间短接导线，该导线缠绕在爆炸源上；
所述第二开关器采用单刀双掷开关器，定义其静触点为a，两个动触点分别为b和c；触点b接在74LS71芯片的R1端，触点c点接在74LS71芯片的Q端；
所述74LS365芯片的输出端接到摄像机(4)和各个数据采集仪(5)的控制端。
3.如权利要求1所述的一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，超压传感器(1)采用ICP型压电式传感器。
4.如权利要求1所述的一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，所述加速度传感器(2)采用单轴和/或三轴传感器，其中单轴加速度传感器测量范围在500g-50000g；三轴加速度传感器测量范围在50g-200g之间。
5.如权利要求1所述的一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，所述压变式传感器(3)，当放置于钢筋测点时采用BYM120-3AA-A3D应变片，当放置于混凝土表面测点时采用BQ120-10AA应变片。
6.如权利要求1所述的一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，所述数据采集仪(5)布置在爆炸近场区有防护措施的掩体中。
7.如权利要求6所述的一种爆炸冲击波破坏效应瞬态同步测量系统，其特征在于，所述掩体至少深2m。
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