1、光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在工程爆破技術(shù)中的應(yīng)用
工程爆破技術(shù)經(jīng)過多年研究發(fā)展，為中國(guó)的鐵路建設(shè)、礦山開采、巖土工程、城鎮(zhèn)拆舊定向爆破等做出了重要貢獻(xiàn)。如何更準(zhǔn)確地控制其爆破范圍、效果、速度是工程項(xiàng)目中一大難點(diǎn)，需要利用更有效的研究方法才能深入研究控制其爆破技術(shù)和工程應(yīng)用。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科研老師，采用千眼狼光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)搭建導(dǎo)爆管爆速測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理、爆轟波頭搜索與相關(guān)性匹配和爆速計(jì)算等功能，為實(shí)驗(yàn)研究提供一種工程爆破可視化、實(shí)時(shí)觀察、測(cè)量分析的新方法。系統(tǒng)通過高速攝像儀采集爆破過程，觀察爆破瞬間實(shí)驗(yàn)演化機(jī)理，運(yùn)用數(shù)據(jù)圖像算法計(jì)算爆破速度和成長(zhǎng)區(qū)間，研究導(dǎo)爆管傳爆特性，并將研究成果推廣應(yīng)用到其它爆破工程施工中。
2、實(shí)驗(yàn)過程
1/2.實(shí)驗(yàn)方法
圖1 導(dǎo)爆管爆速測(cè)量系統(tǒng)組成
實(shí)驗(yàn)搭建了由導(dǎo)爆管繞線板、起爆qi、千眼狼光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)組成的導(dǎo)爆管爆速測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)布置4.5m折返式繞線板，折返距離大于5cm，并將導(dǎo)爆管固定在繞線板上，如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)爆管繞線板
基于數(shù)字圖像相關(guān)性爆速測(cè)量流程如圖3所示，主要包括以下幾個(gè)步驟：
(1)千眼狼光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)高速采集；
(2)系統(tǒng)圖像預(yù)處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)成灰度圖像，并對(duì)灰度圖像進(jìn)行高斯濾波；
(3)分別選定成長(zhǎng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)參考子區(qū)；
(4)讀取序列圖像；
(5)相關(guān)性匹配，搜索爆轟波頭位置；
(6)計(jì)算當(dāng)前波速；
(7)記錄數(shù)據(jù)；
(8)爆轟波是否達(dá)到終點(diǎn)。
如果是，爆速計(jì)算完成，流程結(jié)束；否則，返回步驟(4)。
圖3 爆速計(jì)算流程圖
2/2.導(dǎo)爆管爆速測(cè)量試驗(yàn)分析
本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行3次試驗(yàn)，系統(tǒng)采集幀率設(shè)置為12500fps。3次試驗(yàn)結(jié)果具有相似性，因此實(shí)驗(yàn)分析僅列出其中一次試驗(yàn)圖像。
圖4 傳爆過程圖像序列
通過圖4傳播過程圖像分析可知，導(dǎo)爆管內(nèi)爆轟波在成長(zhǎng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)波頭形態(tài)不同，第1~3幀波頭形態(tài)相近，第4~32幀爆轟波波頭形態(tài)相近，因此分別選取第1幀和第4幀為成長(zhǎng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)參考圖像。在第1幀中以波頭為中心點(diǎn)選取13×13參考子區(qū)，與第2、3幀進(jìn)行相關(guān)性匹配，計(jì)算成長(zhǎng)區(qū)爆速；在第4幀中以波頭為中心點(diǎn)選取13×13參考子區(qū)，與余下圖像進(jìn)行相關(guān)性匹配，計(jì)算穩(wěn)定爆速。圖像中相鄰兩個(gè)導(dǎo)爆管固定栓之間相差約10個(gè)像素，物理距離為50mm，可知每個(gè)像素物理尺寸為5mm/pixel，采樣時(shí)間為80μs，根據(jù)系統(tǒng)算法計(jì)算出爆速。
圖5 導(dǎo)爆管爆速-時(shí)間曲線圖
試驗(yàn)所用導(dǎo)爆管標(biāo)稱爆速為1700~1800 m/s，以達(dá)到1700m/s認(rèn)為管內(nèi)已形成穩(wěn)定爆轟波。從圖5可以看出，3次試驗(yàn)中爆轟波成長(zhǎng)過程基本一致，0.4ms達(dá)到穩(wěn)定爆速，隨后爆速有一定程度波動(dòng)，多數(shù)時(shí)間爆速穩(wěn)定在1700~1800m/s之間，而數(shù)次處于1600~1700m/s之間，其中第1、2次試驗(yàn)有8次低于1700m/s，第3次試驗(yàn)有7次低于1700m/s。進(jìn)一步觀察圖4發(fā)現(xiàn)，低爆速點(diǎn)恰好是爆轟波傳播到繞線板的拐角處，通過拐角后爆速又上升到穩(wěn)定爆速。
圖6 導(dǎo)爆管爆速-長(zhǎng)度曲線
由于導(dǎo)爆管在拐角處都是直角彎，彎角處導(dǎo)爆管受到一定拉伸和擠壓，使爆轟波速降低，這說明除涂覆zha藥種類、溫度等因素外，一定角度的彎折、拉伸也會(huì)影響導(dǎo)爆管爆速，因此在布置導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)時(shí)，要求避免導(dǎo)爆管打結(jié)，尤其是打死結(jié)。圖6分析出隨著導(dǎo)爆管長(zhǎng)度增加爆速的變化情況，曲線形態(tài)與圖5相近，0.4ms時(shí)達(dá)到穩(wěn)定爆速，此時(shí)傳播的導(dǎo)爆管長(zhǎng)度為32~41cm。
3/2.導(dǎo)爆管爆速測(cè)量試驗(yàn)分析
將導(dǎo)爆管傳爆過程圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，完整爆轟波圖像。圖像灰度值的大小反應(yīng)了該點(diǎn)溫度的高低，根據(jù)灰度值大小和亮區(qū)寬度將爆轟波分為4個(gè)區(qū)域：
圖7 穩(wěn)定完整爆轟波灰度圖
Ⅰ區(qū)灰度值迅速增長(zhǎng)，從45增長(zhǎng)到200，亮區(qū)寬度也從0增長(zhǎng)到最大值約7.5cm，長(zhǎng)度約3.42cm，根據(jù)炸藥爆轟理論，當(dāng)溫度達(dá)到最高時(shí)，炸藥的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)基本完成。Ⅱ區(qū)灰度值穩(wěn)定在200以上，且亮區(qū)寬度穩(wěn)定在于7.5cm，由于導(dǎo)爆管內(nèi)含有鋁粉，此區(qū)域內(nèi)鋁粉進(jìn)行二次反應(yīng)，釋放熱量使產(chǎn)物溫度下降緩慢，長(zhǎng)度約15.58cm。Ⅲ區(qū)內(nèi)雖灰度值仍維持在200以上，但寬度不斷減小，從7.5cm減小到約2.5cm，表明只有少量鋁粉參與反應(yīng)，產(chǎn)物溫度下降較快，長(zhǎng)度約12.92cm。Ⅳ區(qū)灰度值和亮區(qū)寬度均不斷變小，表明所有反應(yīng)均已完成，產(chǎn)物膨脹降溫，長(zhǎng)度約1.05m；Ⅳ區(qū)以外產(chǎn)物溫度較低，膨脹運(yùn)動(dòng)較弱，不計(jì)入爆轟波結(jié)構(gòu)中。將炸藥與鋁粉反應(yīng)區(qū)統(tǒng)稱為有效反應(yīng)區(qū)，其長(zhǎng)度約31.92cm，與相關(guān)研究文獻(xiàn)理論值相近。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了折返式布置的導(dǎo)爆管起爆、傳爆試驗(yàn)，應(yīng)用千眼狼光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集分析了管內(nèi)爆轟波從成長(zhǎng)到衰減的全過程圖像，結(jié)合系統(tǒng)算法對(duì)圖像進(jìn)行了濾波、爆轟波頭相關(guān)匹配定位波頭坐標(biāo)換算等處理，完成了爆轟波速和成長(zhǎng)區(qū)間測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)爆管穩(wěn)定爆速為1700~1800m/s，在直角拐彎處降至1600~1700m/s，成長(zhǎng)區(qū)間為32~41cm。除溫度和管內(nèi)裝藥參數(shù)外，布置形式也影響導(dǎo)爆管爆速，在工程應(yīng)用中應(yīng)盡量避免導(dǎo)爆管直角彎折或打結(jié)。實(shí)驗(yàn)中采用折返式布線方式布置了4.5m導(dǎo)爆管，觀測(cè)到了管內(nèi)爆轟波全長(zhǎng)，有效反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度為31.92cm，產(chǎn)物膨脹區(qū)總長(zhǎng)為1.05m。
4、總結(jié)
千眼狼光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)為工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)研究提供了一種有效研究方法，通過非接觸式、可視化精度測(cè)量，分析研究實(shí)驗(yàn)演變機(jī)理，助力科研人員解決極限爆破等實(shí)驗(yàn)難題，為工程技術(shù)研究提供更可靠的科學(xué)測(cè)量分析技術(shù)。
