王 伟，丁永红* ，尤文斌，祖 静

(1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

毁伤威力场振动测试是为了了解爆炸冲击波引起的被打击目标结构振动加速度信号的特征、破坏机理，掌握炸药毁伤威力在不同距离上的破坏规律，使炸药在军民两用上发挥更大作用［1］。在爆破测试过程中，采用质点峰值速度来作为评价爆炸振动对周围建筑物的破坏效应。研究表明爆炸振动的频率和持续时间与结构响应之间存在着很大的联系［2］。爆炸场除冲击波外振动是对建筑物产生破坏的主要原因之一。因此振动加速度是评价爆炸毁伤威力的一项重要参数。而工程中较复杂的结构，由于采用实物测试费用与试验条件限制，当前关于弹药爆炸对结构影响的文章较多，多采用有限元数值与高瞬态非线性有限元分析程序法［3］。

本文采用抗恶劣环境的存储测试技术，采用Hopkinson杆对振动记录仪进行了冲击校准，获得其高冲击下动态灵敏度［4］。将探测头安装在距3 kg TNT爆心周围的不同位置进行实爆试验，实时记录真实的冲击加速度信号。测试完毕回收探测头，将记录数据上传到上位机，为后续的数据分析与研究提供可靠依据。

1 探测头优化设计方案

1.1 探测头电路及机械结构设计

探测头的工作原理图如图1所示，由加速度传感器、适配电路、A/D转换器、控制单元模块、无线数传模块、Flash存储器、光电转换接口组成。探测头可以实时采集、存储测试点的加速度信号，无线数传模块接收响应控制端的控制命令，使存储采集电路在触发前循环记录，存储器中始终保持最新的8 MByte的数据。接收到触发信号后，电路系统自动跳转到另一容量为8 MByte的存储空间顺序记录，直至存储空间装满后停止。在实爆试验中，由于TNT起爆后对结构产生的振动加速度具有频率高、持续时间短、电磁环境恶劣的特点，并且爆炸所产生的电磁干扰极为严重，因此机械结构采用了多种材料多层组合的屏蔽测试结构进行电磁屏蔽。

图1 探测头工作原理图

探测头外壳是由多屏蔽层构成的3级密闭屏蔽结构，结构图及实物分别如图2和图3所示。其第1层由磁导率较高的材料组成，用以屏蔽磁场;第2层是电导率较高的材料，用以屏蔽电场;第3层采用磁导率和电导率良好的材料构成复合屏蔽层，用以密封电路模块。

图2 结构振动电子遥测装置

图3 探测头装置实物图

1.2 触发控制单元设计

对于传统方法中各探测头触发无统一的时间基准等缺点，导致的各探头零时刻无统一的标准以及误触发、不触发故障的发生［5］。利用无线技术在各探测头安装无线模块，主机和各探测头无线模块之间采用广播方式进行参数配置、发送统一的触发命令，使各个测试点的零时刻具有统一的触发标准。在测试完成回读数据后就能确定探测头的触发源，并通过各探测头记录外触发的时间修正时间零点，测试系统由此确定了统一的时间基准。现各探测装置和无线模块之间采用短光纤连接，探测头与探测头之间无任何连接线，进一步提高了其抗干扰能力。

2 传感器动态特性标定(Hopkinson)

Hopkinson杆和激光多普勒测速仪所组成的校准系统是目前原理最完善，最可靠的冲击校准方法，它是直接借助计量学的基本量和单位(时间和长度)复现加速度量值与单位的方法。其特点是可以精确给出加速度激励的绝对量值和真实波形，与加速度计的输出联合处理，可最终给出加速度传感器的动态特性［6］。对高g值加速度计进行动态特性研究。该实验方法具有重复性好、操作方便等特点，加速度幅值可以高达2×105gn［7］。由于野外使用环境条件恶劣，颠簸振动较大，传感器的灵敏度容易受到影响，故传感器应在每次试验前进行标定校准。

2.1 标定原理及标定方法

标定装置示意图如图4所示，被校准的加速度计通过其下端的M5螺栓固连在安装座端面上，安装座侧面沿轴线方向贴有反射光栅，另一端面通过真空夹具和油脂紧密吸合于Hopkinson杆一端，杆的另一端通过真空夹具和油脂紧密吸合波形调整垫，其材料取2A12铝或紫铜。试验时使用头部和尾部具有一定锥度的子弹(35CrMnSiA钢)同轴撞击调整垫，在杆中产生一个近似为半正弦的压应力波［8］。由于杆和安装座的材料均采用钛合金(TC4)，则压应力波形几乎不受影响地通过二者接触面，并在安装座的自由一端反射为拉伸波，使入射压力波与反射拉伸波叠加。当杆与安装座接触面的合力为静拉力时，安装座以及上面的加速度计将从杆端飞离，加速度计获得加速运动。安装座上的光栅运动速度经差动激光干涉仪产生频移信号，由计算机对该频移信号进行采集、频率解调和微分，可获得作用于加速度计的速度或加速度激励信号，将该信号与加速度计的输出信号比较，可以实现加速度计的绝对冲击校准［9］。

图4 试验装置示意图

2.2 标定数据分析

本探测头系统采用的振动传感器型号为CAYD－111GM，参考灵敏度为 0.062 pc/gn，其频率响应高，最大允许加速度为5×105gn，最大横向灵敏度比小于5%。利用Hopkinson杆对所设计的振动探测头进行了动态校准试验，图5为Hopkinson杆实验装置。图6为其中一次实验测得的多普勒信号，图7为多普勒信号经处理后的加速度曲线与传感器输出的第一个脉冲信号对比。由图6可知，经多普勒信号计算得到的加速度值为45 136 gn，探测头测得的电压乘以灵敏度系数后得到加速度值为46 223 gn，测试系统误差为2.4%。

图6 多普勒信号

图7 加速度对比

3 现场试验与结果分析

在进行现场爆炸试验时将各装置布设于爆心四周，图8为现场布置效果图、图9为爆炸现场。振动测试中的测点布置极其重要，它直接影响测试的效果及观测数据的应用价值，测点布置主要依据测试目的和要求进行。此外，为避免试验数据密集在某一区域内，在一条测线上测点数一般不少于6个［10］。

图8 现场布置效果图

图9 爆炸现场

图10所示为毁伤测试系统振动探测头距爆心1.5 m处测点的加速度信号，图11是毁伤测试系统振动探测头距爆心3 m处的加速度信号，该数据为2012年12月26日于XX靶场试验1.5 kg、3 kg TNT测得，所取数据为3 kg TNT实测曲线。

图10 距爆心1.5m处的振动曲线

由图12、图13测点实测加速度数据10 kHz滤波后得出，在22.07 ms时刻至28.84 ms时刻之间为距爆心1.5 m处测点测到的振动信号曲线，加速度到达时间为27.41 ms，达到最大值时间为38.84 ms，加速度最大峰值为15 570 gn。在35.36 ms时刻为爆炸振动信号传至距爆心3 m处测点的时刻，在35.39 ms时刻振动峰值达到最大值为5 306 gn。

图11 距爆心3m处的振动曲线

图12 距爆心1.5m处测点10 kHz滤波曲线

图13 距爆心3 m处测点10 kHz滤波曲线

图14、图15所示为传统引线测试方法测得的加速度曲线及其滤波曲线，对比图10、图12可知本文涉及的冲击振动加速度探测装置很好的解决了冲击振动测试中常伴随爆炸产生的干扰问题。本系统结合了电磁屏蔽技术、存储测试技术及光纤传输技术，具有精度高、信号完整性好、抗干扰能力强等特点，对要求测试信号精度高、完整性好的动态测试中有现实意义。

图14 传统方法测得的加速度曲线

图15 传统方法测得的加速度滤曲线

4 总结

本文提出的便携式结构振动参数遥测装置，实时记录了实爆试验中3 kg TNT当量爆炸所产生的冲击加速度曲线，实测曲线信号完整、无干扰。分析记录的多组数据表明距爆心不等距下毁伤目标的冲击振荡加速度幅值规律:在距爆心1.5 m时冲击波产生的冲击振动加速度达到了最大值，在距爆心3 m时冲击加速度幅值有所衰减。爆炸后自激振动幅度与冲击波产生的振荡加速度相当，衰减速度更长，结构体的自激振荡是结构毁伤的另一个主要因素。测试结果对评估弹箭等战斗部的毁伤威力性能具有重要的参考价值。

［1］ 张玉明，张奇，白春华，等.爆炸振动测试技术若干基本问题的研究［J］.爆破，2002，19(2):4－6.

［2］ 尤文斌，丁永红.爆炸场振动装置的设计与数据分析［J］.电子测试，2009(5):55－57.

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