張晶威， 孟立凡

（儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)， 太原 030051）

0 引言

炸藥在巖土介質(zhì)中爆炸以后，有一部分能量轉(zhuǎn)化為地震波[1-2]。通常認(rèn)為，炮孔內(nèi)藥包爆炸產(chǎn)生的沖擊波在距離藥包半徑150倍以外區(qū)域衰減為彈性波，并繼續(xù)向遠(yuǎn)端傳播，即形成地震波[3]。爆破地震波信號(hào)是時(shí)變-非平穩(wěn)信號(hào)的特點(diǎn)，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(xiàn)，爆破技術(shù)得到了快速發(fā)展。爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)也從單純的爆破振動(dòng)安全評(píng)估轉(zhuǎn)變?yōu)槔谜駝?dòng)測(cè)量分析爆破振動(dòng)特性，以期優(yōu)化爆破方案，指導(dǎo)爆破工程實(shí)踐。

為了更好獲得爆破振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，盡可能減少由于信號(hào)自身衰減[6]、環(huán)境因素等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，所以在距離爆區(qū)較近的地點(diǎn)進(jìn)行地震波數(shù)據(jù)的采集是十分必要的。本文根據(jù)爆破工程實(shí)際需要開發(fā)了爆破近場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集爆區(qū)近場(chǎng)的爆破振動(dòng)信號(hào)，為更好的控制爆破振動(dòng)，消除爆破振動(dòng)危害，深入開展工程爆破理論研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 近場(chǎng)爆破振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 近距爆破區(qū)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)

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(kuò)大，和內(nèi)阻尼的吸收，地震波的能量與振動(dòng)幅度不斷衰減[3]，而在近場(chǎng)范圍內(nèi)測(cè)量得到的信號(hào)其能量幅值高，在介質(zhì)中傳播的距離短，受介質(zhì)條件的影響小，能較清楚地反應(yīng)振動(dòng)的波動(dòng)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(huì)逐漸衰減消失。相比較而言在近距離范圍內(nèi)采集得到的振動(dòng)信號(hào)包含的頻率成分更完整，更能反映爆破振動(dòng)的特點(diǎn)。

1.2 工程爆破拾振器原理及應(yīng)用分析

1.2.1 振動(dòng)速度拾振器原理

振動(dòng)測(cè)試的拾振器，其力學(xué)模型是有阻尼單自由度系統(tǒng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 有阻尼單自由度慣性振動(dòng)傳感器力學(xué)模型

圖中，K為彈簧的彈性模量，C為系統(tǒng)的阻尼，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量。該系統(tǒng)的固有頻率Ω=，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率ω和系統(tǒng)固有頻率Ω的關(guān)系，系統(tǒng)構(gòu)成了位移計(jì)，加速度計(jì)[7-8]。表1給出了系統(tǒng)構(gòu)成位移計(jì)和加速度計(jì)的條件。圖2反映了目標(biāo)采集信號(hào)頻率ω與傳感器頻率Ω的關(guān)系。

表1 振動(dòng)測(cè)試傳感器（拾振器）的參數(shù)約束

目前工程上常見的動(dòng)圈式磁電速度拾振器是基于位移計(jì)模型的傳感器，是一個(gè)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(biāo)頻率的關(guān)系

圖3 振動(dòng)位移計(jì)模型的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)曲線

傳感器中的磁電式換能器（微分網(wǎng)絡(luò)），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律e=Blvsinθ（B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，l為導(dǎo)體長度，v為導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度，sinθ為導(dǎo)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(dòng)勢(shì)e的關(guān)系。此類傳感器適合測(cè)量地震波中的低頻信號(hào)，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(jù)Ω=可知，該傳感器的質(zhì)量塊m較大，相應(yīng)傳感器體積也較大。理論上基于高通型位移計(jì)[9]原理的傳感器可以測(cè)量很高頻率的信號(hào)，但是由于儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)和寄生振動(dòng)頻率等限制，測(cè)量的頻率也不能達(dá)到很高，另外傳感器阻尼杯與動(dòng)圈存在互感，測(cè)量高頻信號(hào)情況下傳感器靈敏度將會(huì)下降[7-8]，一般測(cè)量范圍在5～500 Hz左右。

1.2.2 近爆區(qū)域振動(dòng)拾振器選型與動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析

由于在爆區(qū)近距離測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)的高頻成分能量較高，另外在本測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，希望采集、并研究信號(hào)的高頻成分，結(jié)合傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)分析，選擇了振動(dòng)加速度傳感器作為測(cè)量、測(cè)試系統(tǒng)的拾振器。

鑒于地震波信號(hào)時(shí)變、非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)，下面著重討論振動(dòng)傳感器的動(dòng)態(tài)特性，圖5是加速度傳感器的幅—頻，相—頻特性曲線，系統(tǒng)阻尼比不同，呈現(xiàn)出曲線族。

圖5 傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)曲線

(1)振動(dòng)加速度傳感器的幅—頻特性

由上文所述的振動(dòng)加速度傳感器測(cè)試信號(hào)范圍，結(jié)合幅頻特性曲線可知，使用振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)選擇了合適的系統(tǒng)阻尼比（對(duì)不同原理的傳感器的阻尼比ξ不同，例如電阻應(yīng)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(hào)頻率與系統(tǒng)固有頻率比Ω為ω的5倍以上范圍，進(jìn)行信號(hào)采集，其輸出與被采集信號(hào)量的比值為定值，即保證了輸入與輸出關(guān)系是線性的。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鞯墓逃蓄l率Ω可以做到比較高的范圍，故被采集信號(hào)的頻率范圍擴(kuò)大了。但是傳感器的固有頻率與靈敏度是一對(duì)矛盾的參數(shù)，需要根據(jù)被采集信號(hào)的特點(diǎn)綜合考慮。

(2)振動(dòng)加速度傳感器的相—頻特性

由圖5中振動(dòng)傳感器的相—頻特性曲線可知，對(duì)于加速度傳感器而言，選擇合適的阻尼比，可以滿足采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在不同頻率采集無畸變，這是位移計(jì)不具備的特性。

2 振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)具有高頻能量分量的時(shí)變、非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)的信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)需要較高共振頻率的傳感器。同時(shí)，針對(duì)微差爆破技術(shù)研究，對(duì)采集信號(hào)的相位精度要求較高，波形畸變小。另外系統(tǒng)的時(shí)間精度要求包括了采集節(jié)點(diǎn)自身精度，也包括多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步性，用于系統(tǒng)組網(wǎng)后測(cè)量地震波傳播速度。

2.1 傳感器選型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)特性曲線及一個(gè)微結(jié)構(gòu)單元原理圖[10]。

圖6 傳感器頻響曲線及微結(jié)構(gòu)單元原理圖

采用完全的差分結(jié)構(gòu)傳感單元降低了電磁噪聲。使用該傳感器，設(shè)計(jì)成與數(shù)據(jù)記錄儀的一體化的采集系統(tǒng)。應(yīng)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(jī)殼與電路板的相對(duì)移動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)的時(shí)間精度

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間精度要求通過兩個(gè)步驟進(jìn)行控制。由于采集地點(diǎn)的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)通過以下兩步保證系統(tǒng)整體的時(shí)間精度。

①采集節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)了μs級(jí)精度的時(shí)鐘模塊（GPS模塊），并在采集節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘模塊的觸發(fā)接口。在采集節(jié)點(diǎn)布置之前，系統(tǒng)中的所有采集節(jié)點(diǎn)通過同步觸發(fā)方式，校對(duì)時(shí)鐘，保證系統(tǒng)初始工作的時(shí)間一致性。

②系統(tǒng)內(nèi)部利用FPGA設(shè)計(jì)一套反饋校準(zhǔn)的數(shù)字鐘系統(tǒng)，保證采集系統(tǒng)工作過程中的時(shí)間精度。

2.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)框圖

圖7所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，此系統(tǒng)可以在宏觀結(jié)構(gòu)上可以分為信號(hào)采集部分部分和數(shù)字化小型數(shù)據(jù)記錄儀部分，圖中信號(hào)采集通道只畫出一路，數(shù)據(jù)記錄儀以FPGA為核心，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)采集，時(shí)鐘反饋校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸，通信等功能，利用Altera NiosII軟核處理器將CPU與外圍數(shù)字邏輯控制結(jié)合成為SOPC，使用Flash芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄并對(duì)FPGA進(jìn)行初始化配置等功能。

圖7 信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)框圖

節(jié)點(diǎn)設(shè)置了內(nèi)、外觸發(fā)功能。在設(shè)定的電平值范圍以外，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)循環(huán)刷新記錄，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，系統(tǒng)一次性記錄，不再刷新，并設(shè)定了負(fù)延時(shí)的長度，以記錄信號(hào)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(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置圖。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)距爆區(qū)26 m，第1組炮孔2發(fā)，孔間延期為10 ms；第二組炮孔3發(fā)，孔間延期為17 ms，第三組炮孔4發(fā)，孔間延期為25 ms，第四組單孔，組與組之間，間隔150 ms，試驗(yàn)所用雷管為延時(shí)精確的電子數(shù)碼雷管。被測(cè)爆區(qū)的東側(cè)安置了一個(gè)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)。圖9是使用本系統(tǒng)記錄的振動(dòng)波形。從圖上可以清晰地將各組振動(dòng)波形從時(shí)間上區(qū)分開，證明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好，實(shí)現(xiàn)了在近距離記錄振動(dòng)變化的目的。

圖8 某工程炮孔布置及振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)示意圖

圖9 某工程采集振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本文結(jié)合爆破振動(dòng)近場(chǎng)信號(hào)的特點(diǎn)，分析爆破振動(dòng)信號(hào)采集的拾振器原理，提出了一種爆區(qū)近距離范圍內(nèi)振動(dòng)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，為爆破振動(dòng)研究提供了得力的工具。

節(jié)點(diǎn)可以靈活的布置在爆破振動(dòng)測(cè)試區(qū)域，根據(jù)不同的測(cè)試目標(biāo)組成不同的測(cè)試方案。本測(cè)試系統(tǒng)尚處于研制階段，其系統(tǒng)組網(wǎng)需要進(jìn)一步的深入。

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