1、光學應變測量系統(tǒng)在工程爆破技術中的應用
工程爆破技術經過多年研究發(fā)展，為中國的鐵路建設、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。如何更準確地控制其爆破范圍、效果、速度是工程項目中一大難點，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和工程應用。
中國礦業(yè)大學科研老師，采用千眼狼光學應變測量系統(tǒng)搭建導爆管爆速測量系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像預處理、爆轟波頭搜索與相關性匹配和爆速計算等功能，為實驗研究提供一種工程爆破可視化、實時觀察、測量分析的新方法。系統(tǒng)通過高速攝像儀采集爆破過程，觀察爆破瞬間實驗演化機理，運用數(shù)據(jù)圖像算法計算爆破速度和成長區(qū)間，研究導爆管傳爆特性，并將研究成果推廣應用到其它爆破工程施工中。
2、實驗過程
1/2.實驗方法
圖1 導爆管爆速測量系統(tǒng)組成
實驗搭建了由導爆管繞線板、起爆qi、千眼狼光學應變測量系統(tǒng)組成的導爆管爆速測量系統(tǒng)，設計布置4.5m折返式繞線板，折返距離大于5cm，并將導爆管固定在繞線板上，如圖2所示。
圖2 實驗導爆管繞線板
基于數(shù)字圖像相關性爆速測量流程如圖3所示，主要包括以下幾個步驟：
(1)千眼狼光學應變測量系統(tǒng)高速采集；
(2)系統(tǒng)圖像預處理，將彩色圖像轉成灰度圖像，并對灰度圖像進行高斯濾波；
(3)分別選定成長區(qū)和穩(wěn)定區(qū)參考子區(qū)；
(4)讀取序列圖像；
(5)相關性匹配，搜索爆轟波頭位置；
(6)計算當前波速；
(7)記錄數(shù)據(jù)；
(8)爆轟波是否達到終點。
如果是，爆速計算完成，流程結束；否則，返回步驟(4)。
圖3 爆速計算流程圖
2/2.導爆管爆速測量試驗分析
本次實驗共進行3次試驗，系統(tǒng)采集幀率設置為12500fps。3次試驗結果具有相似性，因此實驗分析僅列出其中一次試驗圖像。
圖4 傳爆過程圖像序列
通過圖4傳播過程圖像分析可知，導爆管內爆轟波在成長區(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幀為成長區(qū)和穩(wěn)定區(qū)參考圖像。在第1幀中以波頭為中心點選取13×13參考子區(qū)，與第2、3幀進行相關性匹配，計算成長區(qū)爆速；在第4幀中以波頭為中心點選取13×13參考子區(qū)，與余下圖像進行相關性匹配，計算穩(wěn)定爆速。圖像中相鄰兩個導爆管固定栓之間相差約10個像素，物理距離為50mm，可知每個像素物理尺寸為5mm/pixel，采樣時間為80μs，根據(jù)系統(tǒng)算法計算出爆速。
圖5 導爆管爆速-時間曲線圖
試驗所用導爆管標稱爆速為1700~1800 m/s，以達到1700m/s認為管內已形成穩(wěn)定爆轟波。從圖5可以看出，3次試驗中爆轟波成長過程基本一致，0.4ms達到穩(wěn)定爆速，隨后爆速有一定程度波動，多數(shù)時間爆速穩(wěn)定在1700~1800m/s之間，而數(shù)次處于1600~1700m/s之間，其中第1、2次試驗有8次低于1700m/s，第3次試驗有7次低于1700m/s。進一步觀察圖4發(fā)現(xiàn)，低爆速點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 導爆管爆速-長度曲線
由于導爆管在拐角處都是直角彎，彎角處導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、拉伸也會影響導爆管爆速，因此在布置導爆管起爆系統(tǒng)時，要求避免導爆管打結，尤其是打死結。圖6分析出隨著導爆管長度增加爆速的變化情況，曲線形態(tài)與圖5相近，0.4ms時達到穩(wěn)定爆速，此時傳播的導爆管長度為32~41cm。
3/2.導爆管爆速測量試驗分析
將導爆管傳爆過程圖像轉化為灰度圖，完整爆轟波圖像。圖像灰度值的大小反應了該點溫度的高低，根據(jù)灰度值大小和亮區(qū)寬度將爆轟波分為4個區(qū)域：
圖7 穩(wěn)定完整爆轟波灰度圖
?、駞^(qū)灰度值迅速增長，從45增長到200，亮區(qū)寬度也從0增長到最大值約7.5cm，長度約3.42cm，根據(jù)*爆轟理論，當溫度達到最高時，*的化學反應已經基本完成。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，由于導爆管內含有鋁粉，此區(qū)域內鋁粉進行二次反應，釋放熱量使產物溫度下降緩慢，長度約15.58cm。Ⅲ區(qū)內雖灰度值仍維持在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，產物溫度下降較快，長度約12.92cm。Ⅳ區(qū)灰度值和亮區(qū)寬度均不斷變小，表明所有反應均已完成，產物膨脹降溫，長度約1.05m；Ⅳ區(qū)以外產物溫度較低，膨脹運動較弱，不計入爆轟波結構中。將*與鋁粉反應區(qū)統(tǒng)稱為有效反應區(qū)，其長度約31.92cm，與相關研究文獻理論值相近。
3、實驗結果
實驗進行了折返式布置的導爆管起爆、傳爆試驗，應用千眼狼光學應變測量系統(tǒng)采集分析了管內爆轟波從成長到衰減的全過程圖像，結合系統(tǒng)算法對圖像進行了濾波、爆轟波頭相關匹配定位波頭坐標換算等處理，完成了爆轟波速和成長區(qū)間測量。實驗結果表明導爆管穩(wěn)定爆速為1700~1800m/s，在直角拐彎處降至1600~1700m/s，成長區(qū)間為32~41cm。除溫度和管內裝藥參數(shù)外，布置形式也影響導爆管爆速，在工程應用中應盡量避免導爆管直角彎折或打結。實驗中采用折返式布線方式布置了4.5m導爆管，觀測到了管內爆轟波全長，有效反應區(qū)長度為31.92cm，產物膨脹區(qū)總長為1.05m。
4、總結
千眼狼光學應變測量系統(tǒng)為工程項目實驗研究提供了一種有效研究方法，通過非接觸式、可視化精度測量，分析研究實驗演變機理，助力科研人員解決極限爆破等實驗難題，為工程技術研究提供更可靠的科學測量分析技術。
