一种基于高速相机和脉冲激光的爆炸加载同步测试装置和方法与流程

本发明涉及岩石爆破精确测试技术领域，尤其涉及的是一种基于高速相机和脉冲激光的爆炸加载同步测试装置和方法。

背景技术：

由于炸药爆炸过程的瞬态性，常规的实验方法难以实时监测岩石爆破过程，给深入研究岩石爆破机理带来很大困难。传统的测试方法无法满足精确测试的要求。为此，采用高速摄影技术记录爆破荷载下裂纹的扩展过程。目前，普遍是采用以ccd传感器为主的高速相机作为图像采集系统，从而记录爆破过程。然而，由于ccd传感器制造的高速相机拍摄速度与图像成像质量成反比。即相机的拍摄速度越高，图像的有效像素越低。因而，无法满足精确测试的要求。

技术实现要素：

本发明针对现有爆破测试技术的不足，提出了一种基于高速相机和脉冲激光的爆炸加载同步测试方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于高速相机和脉冲激光的爆炸加载同步测试装置，包括高速相机(1)、信号发生器(2)、延迟与控制器(3)、高压起爆器(4)、脉冲激光光源(5)、扩束镜(6)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)；信号发生器(2)分别与高速相机(1)和延迟与控制器(3)相连，信号发生器(2)用于输出第一脉冲信号、第二脉冲信号分别给高速相机(1)和延迟与控制器(3)，高速相机(1)还连接到脉冲激光光源(5)，高速相机(1)接收到所述的第一脉冲信号后，向脉冲激光光源(5)发出第三脉冲信号(9)，脉冲激光光源5接收到该第三脉冲信号(9)后，根据该第三脉冲信号(9)的时序输出特定时序的脉冲激光；脉冲激光通过扩束镜(6)和第一凸透镜(7)变为平行光场，为开展爆破试验测试提供均匀、高亮度光源；所述高速相机(1)根据第三脉冲信号(9)的时序进行拍摄。

所述的装置，扩束镜(6)位于第一凸透镜(7)的焦点上，平行光场通过第二凸透镜(8)再次汇聚，并进入高速相机，保证高速相机获得足够的光强。

所述的装置，延迟与控制器(3)与高压起爆器(4)相连，延迟与控制器(3)接收到所述第二脉冲信号后，按照预先设置的炮孔延迟时间向高压起爆器(4)输出起爆信号，高压起爆器(4)收到起爆信号后，瞬间释放储存的高电压，通过起爆线(11)在探针(12)端部电离空气，从而产生电火花，引爆炸药11为起爆线。

所述的装置，探针(12)由两根直径为0.15mm～0.25mm的铜丝组成，两根铜丝的一端紧密缠绕在一起呈双螺旋状，但两根铜丝并不直接相连。

所述的装置，信号发生器(2)输出的脉冲信号为幅值为5v的矩形脉冲。

所述的装置，高速相机采用μ-cmos传感器，并可以输出第三脉冲信号(9)，第三脉冲信号的频率在100khz～50mhz之间。

所述的装置，脉冲激光光源(5)为可调制脉冲激光器，其调制频率在100khz～50mhz之间。

所述的装置，高压起爆器(4)通过起爆线(11)连接探针(12)引爆炸药，探针(12)为两根相互紧密缠绕的铜丝，两根紧密缠绕的铜丝端头的间距小于0.3mm。

所述的装置，第三脉冲信号(9)和脉冲激光对应时序均为矩形波，第三脉冲信号(9)和脉冲激光对应时序的高电平起始时间相同，第三脉冲信号(9)的相邻两个高电平之间的时间差为t1，所述t1对应高速相机的拍摄幅间隔，且脉冲激光对应时序的高电平持续时间t2是高速相机拍摄幅间隔t1的1/10～1/5。

根据任一所述装置的测试方法，包括如下步骤：

1)信号发生器(2)输出第一脉冲信号、第二脉冲信号，并通过bnc信号线将其分别传送给高速相机(1)和延迟与控制器(3)；

2)高速相机(1)接收到所述的第一脉冲信号后，向脉冲激光光源(5)发出第三脉冲信号，脉冲激光光源(5)接收到该第三脉冲信号后，输出相应的脉冲激光；脉冲激光光源5发出的脉冲激光通过扩束镜(6)和第一凸透镜(7)变为平行光场，为开展爆破试验测试提供均匀、高亮度光源；

3)延迟与控制器(3)接收到所述第二脉冲信号后，按照预先设置的炮孔延迟时间向高压起爆器(4)输出起爆信号，高压起爆器(4)收到起爆信号后，瞬间释放储存的高电压，通过起爆线(11)在探针(12)端部电离空气，从而产生电火花，引爆炸药；

4)高速相机拍摄爆破试验过程。

本发明提出的采用高速相机来控制脉冲激光光源的方法，具有操作简单、灵活的特点。且这一方法能够较好的控制相机拍摄的同步性，且脉冲激光的持续时间更短，记录的图像更加清晰。

本发明中还提出采用探针引爆炸药的新方法来精确控制炸药起爆的时间，通过这一方法，将将炸药起爆时间误差控制在1μs以内，为精确测试提供条件。

附图说明

图1是爆炸加载与脉冲激光和高速相机连线图。

图2是高速相机与脉冲激光同步控制信号时序图。

图3是探针的结构图。

图中，1为高速相机；2为信号发生器；3为延迟与控制器；4为高压起爆器；5为脉冲激光光源；6为扩束镜；7为第一凸透镜；8为第二凸透镜；9为第三脉冲信号；10为脉冲激光对应时序；11为起爆线；12为探针；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于高速相机和脉冲激光的爆炸加载同步测试装置，包括高速相机1、信号发生器2、延迟与控制器3、高压起爆器4、脉冲激光光源5、扩束镜6、第一凸透镜7、第二凸透镜8；信号发生器2分别与高速相机1和延迟与控制器3相连，信号发生器2用于输出第一脉冲信号、第二脉冲信号分别给高速相机1和延迟与控制器3，高速相机1还连接到脉冲激光光源5，高速相机1接收到所述的第一脉冲信号后，向脉冲激光光源5发出第三脉冲信号，脉冲激光光源5接收到该第三脉冲信号后，根据该第三脉冲信号9的时序输出特定时序的脉冲激光对应时序10；脉冲激光对应时序10通过扩束镜6和第一凸透镜7变为平行光场，为开展爆破试验测试提供均匀、高亮度光源；所述高速相机1根据第三脉冲信号9的时序进行拍摄；

扩束镜6位于第一凸透镜7的焦点上，平行光场通过第二凸透镜8再次汇聚，并进入高速相机，保证高速相机获得足够的光强；

延迟与控制器3与高压起爆器4相连，延迟与控制器3接收到所述第二脉冲信号后，按照预先设置的炮孔延迟时间向高压起爆器4输出起爆信号，高压起爆器4收到起爆信号后，瞬间释放储存的高电压，通过起爆线11在探针12端部电离空气，从而产生电火花，引爆炸药；

第三脉冲信号9和脉冲激光对应时序10均为矩形波，第三脉冲信号9和脉冲激光对应时序10的高电平起始时间相同，第三脉冲信号9的相邻两个高电平之间的时间差为t1，所述t1对应高速相机的拍摄幅间隔，且脉冲激光对应时序10的高电平持续时间t2是高速相机拍摄幅间隔t1的1/10～1/5

一种基于高速相机和脉冲激光的爆炸加载同步测试方法，包括如下步骤：

1)信号发生器2输出第一脉冲信号、第二脉冲信号，并通过bnc信号线将其分别传送给高速相机1和延迟与控制器3；

2)高速相机1接收到所述的第一脉冲信号后，向脉冲激光光源5发出第三脉冲信号，脉冲激光光源5接收到该第三脉冲信号后，输出相应的脉冲激光；脉冲激光光源5发出的脉冲激光通过扩束镜6和第一凸透镜7变为平行光场，为开展爆破试验测试提供均匀、高亮度光源；

3)延迟与控制器3接收到所述第二脉冲信号后，按照预先设置的炮孔延迟时间向高压起爆器4输出起爆信号，高压起爆器4收到起爆信号后，瞬间释放储存的高电压，通过起爆线11在探针12端部电离空气，从而产生电火花，引爆炸药；

4)高速相机拍摄爆破试验过程。

图1中信号发生器输出的脉冲信号是幅值为5v的矩形脉冲信号，两个脉冲信号通过bnc连接线分别传输给高速相机1和延迟与控制器3。

图1中延迟与控制器可调节的炮孔延迟时间在1us～999us之间。

如图2所示，高速相机输出序列脉冲信号9给激光器5，激光器5根据接收的序列脉冲信号9输出脉冲激光。

脉冲激光对应时序的脉冲持续时间t2根据相机曝光时间的不同而不同，可以对其进行设置，为清晰捕捉爆破试验过程，设置脉冲激光的脉冲持续时间t2为相机曝光时间的1/5～1/10。

图2中的高速相机输出序列矩形脉冲信号9的频率在100khz～50mhz之间。

图2中激光光源发出的脉冲激光对应时序10的频率随高速相机输出的序列脉冲信号的频率的不同而不同，其脉冲激光频率在100khz～50mhz之间可调。

图1中的高压起爆器可以储存2100v以上的电压，高能电压瞬间释放，通过起爆线在探针端部电离空气，形成短暂的闭合回路，从而在探针段部产生电火花。

图3中的探针为两根相互紧密缠绕的铜丝，两根铜丝端头的间距在0.3mm以内，且探针端部直接与炸药接触。

本发明提供的爆炸加载与高速相机和脉冲激光同步控制方法可与其它爆破光测实验测试技术相配合，从而实现爆破测试同步控制。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。