近距爆破源振動采集系統

張晶威， 孟立凡

（儀器科學與動態測試國防重點實驗室，中北大學， 太原 030051）

0 引言

炸藥在巖土介質中爆炸以后，有一部分能量轉化為地震波[1-2]。通常認為，炮孔內藥包爆炸產生的沖擊波在距離藥包半徑150倍以外區域衰減為彈性波，并繼續向遠端傳播，即形成地震波[3]。爆破地震波信號是時變-非平穩信號的特點，其頻譜范圍很寬[3-5]。隨著爆破器材水平的提高，特別是電子雷管的出現，爆破技術得到了快速發展。爆破振動監測也從單純的爆破振動安全評估轉變為利用振動測量分析爆破振動特性，以期優化爆破方案，指導爆破工程實踐。

為了更好獲得爆破振動信號的特點，盡可能減少由于信號自身衰減[6]、環境因素等對檢測結果的干擾，所以在距離爆區較近的地點進行地震波數據的采集是十分必要的。本文根據爆破工程實際需要開發了爆破近場振動監測系統，采集爆區近場的爆破振動信號，為更好的控制爆破振動，消除爆破振動危害，深入開展工程爆破理論研究提供數據支持。

1 近場爆破振動信號采集系統設計

1.1 近距爆破區振動信號的特點

爆破地震波從爆源到地面的傳播過程中，隨著距離的增大，波振面的擴大，和內阻尼的吸收，地震波的能量與振動幅度不斷衰減[3]，而在近場范圍內測量得到的信號其能量幅值高，在介質中傳播的距離短，受介質條件的影響小，能較清楚地反應振動的波動特性。通常可以將大地視為低通濾波器，地震波中的高頻成分隨著距離的增加會逐漸衰減消失。相比較而言在近距離范圍內采集得到的振動信號包含的頻率成分更完整，更能反映爆破振動的特點。

1.2 工程爆破拾振器原理及應用分析

1.2.1 振動速度拾振器原理

振動測試的拾振器，其力學模型是有阻尼單自由度系統力學模型，如圖1所示。

圖1 有阻尼單自由度慣性振動傳感器力學模型

圖中，K為彈簧的彈性模量，C為系統的阻尼，m為質量塊的質量。該系統的固有頻率Ω=，根據被測信號的頻率ω和系統固有頻率Ω的關系，系統構成了位移計，加速度計[7-8]。表1給出了系統構成位移計和加速度計的條件。圖2反映了目標采集信號頻率ω與傳感器頻率Ω的關系。

表1 振動測試傳感器（拾振器）的參數約束

目前工程上常見的動圈式磁電速度拾振器是基于位移計模型的傳感器，是一個典型的高通型傳感器[9]，其幅—頻特性如圖3所示。

圖2 固有頻率與目標頻率的關系

圖3 振動位移計模型的動態特性參數曲線

傳感器中的磁電式換能器（微分網絡），根據法拉第電磁感應定律e=Blvsinθ（B為磁感應強度，l為導體長度，v為導體的運動速度，sinθ為導體與磁感線的夾角），換能器將位移量微分，得到速度v與輸出電動勢e的關系。此類傳感器適合測量地震波中的低頻信號，工程上使用的這種傳感器的固有頻率Ω制作得很低（1 Hz左右），根據Ω=可知，該傳感器的質量塊m較大，相應傳感器體積也較大。理論上基于高通型位移計[9]原理的傳感器可以測量很高頻率的信號，但是由于儀器機械結構和寄生振動頻率等限制，測量的頻率也不能達到很高，另外傳感器阻尼杯與動圈存在互感，測量高頻信號情況下傳感器靈敏度將會下降[7-8]，一般測量范圍在5～500 Hz左右。

1.2.2 近爆區域振動拾振器選型與動態特性參數分析

由于在爆區近距離測量得到的振動信號的高頻成分能量較高，另外在本測試系統的設計中，希望采集、并研究信號的高頻成分，結合傳感器的靜態、動態參數分析，選擇了振動加速度傳感器作為測量、測試系統的拾振器。

鑒于地震波信號時變、非平穩隨機信號的特點，下面著重討論振動傳感器的動態特性，圖5是加速度傳感器的幅—頻，相—頻特性曲線，系統阻尼比不同，呈現出曲線族。

圖5 傳感器的動態特性參數曲線

(1)振動加速度傳感器的幅—頻特性

由上文所述的振動加速度傳感器測試信號范圍，結合幅頻特性曲線可知，使用振動加速度傳感器進行測試，當選擇了合適的系統阻尼比（對不同原理的傳感器的阻尼比ξ不同，例如電阻應變式一般選擇0．6～0．7之間，壓電式加速度傳感器的阻尼比在 0．01～0．04 范圍），使被采集信號頻率與系統固有頻率比Ω為ω的5倍以上范圍，進行信號采集，其輸出與被采集信號量的比值為定值，即保證了輸入與輸出關系是線性的。因為加速度傳感器的固有頻率Ω可以做到比較高的范圍，故被采集信號的頻率范圍擴大了。但是傳感器的固有頻率與靈敏度是一對矛盾的參數，需要根據被采集信號的特點綜合考慮。

(2)振動加速度傳感器的相—頻特性

由圖5中振動傳感器的相—頻特性曲線可知，對于加速度傳感器而言，選擇合適的阻尼比，可以滿足采集數據近似線性相位的相移（ξ=0．6～0．7）或幾乎無相移（ξ取值在0．02左右[8]），保證了數據在不同頻率采集無畸變，這是位移計不具備的特性。

2 振動采集節點結構設計

對具有高頻能量分量的時變、非平穩隨機信號進行采集，設計的信號采集節點需要較高共振頻率的傳感器。同時，針對微差爆破技術研究，對采集信號的相位精度要求較高，波形畸變小。另外系統的時間精度要求包括了采集節點自身精度，也包括多個采集節點之間的時間同步性，用于系統組網后測量地震波傳播速度。

2.1 傳感器選型

本系統設計擬使用美國Analog Device , Inc．公司的一款MEMS傳感器ADXL001-70，圖6為該傳感器幅頻響應特性曲線及一個微結構單元原理圖[10]。

圖6 傳感器頻響曲線及微結構單元原理圖

采用完全的差分結構傳感單元降低了電磁噪聲。使用該傳感器，設計成與數據記錄儀的一體化的采集系統。應注意的是傳感器焊接在電路板的方向及電路板與儀器外殼的耦合良好，杜絕機殼與電路板的相對移動。

2.2 系統的時間精度

實現系統的時間精度要求通過兩個步驟進行控制。由于采集地點的復雜環境，設計的采集系統通過以下兩步保證系統整體的時間精度。

①采集節點中設計了μs級精度的時鐘模塊（GPS模塊），并在采集節點中設計一個時鐘模塊的觸發接口。在采集節點布置之前，系統中的所有采集節點通過同步觸發方式，校對時鐘，保證系統初始工作的時間一致性。

②系統內部利用FPGA設計一套反饋校準的數字鐘系統，保證采集系統工作過程中的時間精度。

2.3 數據采集節點框圖

圖7所示為數據采集系統的結構框圖，此系統可以在宏觀結構上可以分為信號采集部分部分和數字化小型數據記錄儀部分，圖中信號采集通道只畫出一路，數據記錄儀以FPGA為核心，實現多路信號采集，時鐘反饋校準，數據傳輸，通信等功能，利用Altera NiosII軟核處理器將CPU與外圍數字邏輯控制結合成為SOPC，使用Flash芯片實現數據記錄并對FPGA進行初始化配置等功能。

圖7 信號采集節點框圖

節點設置了內、外觸發功能。在設定的電平值范圍以外，節點數據循環刷新記錄，當節點被觸發后，系統一次性記錄，不再刷新，并設定了負延時的長度，以記錄信號的波頭文件[11-12]。

3 工程案例

圖8為某爆破工程單次炮孔布置及振動數據采集點設置圖。數據采集點距爆區26 m，第1組炮孔2發，孔間延期為10 ms；第二組炮孔3發，孔間延期為17 ms，第三組炮孔4發，孔間延期為25 ms，第四組單孔，組與組之間，間隔150 ms，試驗所用雷管為延時精確的電子數碼雷管。被測爆區的東側安置了一個振動采集節點。圖9是使用本系統記錄的振動波形。從圖上可以清晰地將各組振動波形從時間上區分開，證明系統的動態性能良好，實現了在近距離記錄振動變化的目的。

圖8 某工程炮孔布置及振動數據采集點示意圖

圖9 某工程采集振動數據

4 總結

本文結合爆破振動近場信號的特點，分析爆破振動信號采集的拾振器原理，提出了一種爆區近距離范圍內振動采集設備的設計方案，為爆破振動研究提供了得力的工具。

節點可以靈活的布置在爆破振動測試區域，根據不同的測試目標組成不同的測試方案。本測試系統尚處于研制階段，其系統組網需要進一步的深入。

[1] 張雪亮,黃樹堂．爆破地震效應[M]．北京:地震出版社,1981．

[2] 孟吉復,惠新斌．爆破測試技術[M]．北京:冶金工業出版社,1992．

[3] 李夕兵,凌同華,張義平．爆破震動信號分析理論與技術[M]．北京:科學出版社,2009．

[4] 何軍,于亞倫,梁文基．爆破振動信號的小波分析[J]．巖土工程學報,1998,20(1):47-50 ．

[5] 林大超,施惠基,白春華．爆炸地震效應的時頻分析[J]．爆炸與沖擊,2003,23(1):31-35．

[6] 顧毅成,史雅語,金驥良．工程爆破安全[M]．合肥:中國科學技術大學出版社,2009．

[7] 鐵道部鐵道科學院．振動測試與分析[M]．北京:人民鐵道出版社,1978．

[8] 李德葆,陸秋海．工程振動試驗分析[M]．北京:清華大學出版社,2004．

[9] 嚴普強,喬陶鵬．工程中的低頻振動測量與傳感器[J]．振動、測試與診斷,2002,22(4):247-253．

[10] Analog Device Inc．High Performance Wide Bandwidth Accelerometer．[EB/OL]．[2011-3-13]．

[11] http://www．analog．com/zh/mems/high-gaccelerometers/adxl001/products/product．html．

[12] 原彥飛,尤文斌,李新娥．運用NAND閃存的負延時存儲測試系統[M]．儀器儀表學報,2006,27(6):1517-1518．

[13] 趙純,裴東興．水下爆炸沖擊波測試系統的設計與實現[J]．計量與測試技術,2009,36(2):36-37．

[14] 楊年華,林世雄．爆破振動測試技術探討[J]．爆破,2000,17(3):90-92．