[发明专利]一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统

说明书

技术领域

本发明属于土工机械模型试验测试技术领域，尤其涉及一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统。

背景技术

土工离心模型试验的基本原理是将由原材料按一定比尺制成的模型，放置在离心机生成的离心力场中，通过加大模型的自重体积力，使模型的应力状态达到与原型相同应力状态，并显示出与原型相似的变形和破坏过程。通过模型试验，可以在一定离心模拟相似比尺的条件下，减少模型尺寸，缩短模型试验时间，研究工程实际问题。目前，采用离心机进行离心模拟试验已成为研究与重力场有关的工程问题的有效手段之一。

水工结构在受到炸药等非接触爆炸作用时，水下爆炸产生的冲击波及气泡脉动均可造成结构的毁伤。为了更好地利用水下爆炸在拆除水工结构等工程上的作用，应对水下爆炸过程中的冲击波和气泡脉动特性，水下爆炸荷载作用下水工结构的动力响应特性和破坏模式进行详细深入的研究。因此，在结构上布置加速度计、应变片等传感器研究结构的动力响应，在水中布置水压力传感器研究水下爆炸冲击波特性，布置高速摄像研究气泡脉动规律。

用大当量的炸药直接对结构原型进行破坏试验成本巨大，试验周期长，对试验场地、操作、测试技术要求非常高，基于相似关系进行模型试验是常见的研究手段；如果在地面常重力场下进行模型试验中，流体动力学里影响气泡相似的弗劳德数和影响冲击波相似的马赫数无法同时满足相似条件，只有在超重力场中才可满足水下爆炸产生的冲击波与气泡同时相似。因此，在离心机上用小当量的炸药进行模型试验来替代原型试验是一个必要的选择。

常规离心机模型试验中，传感器量程小，数据采集频率低。由于炸药爆炸过程持续时间非常短，1克炸药在水下爆炸持续时间不足1秒，因此需要借助高频数采设备及传感器等仪器来进行数据采集，同时还需要借助高速摄像机来捕捉爆炸后气泡脉动过程。目前水下爆炸试验主要在常重力场下进行，测控系统相对于地面保持静止，以此来测量水下爆炸产生的冲击荷载及结构的动力响应，并拍摄水下的气泡脉动现象。而对于离心模型试验，整套测控系统都将安装在离心机上并跟随试验模型高速旋转，这就对常规的地面水下爆炸试验的测控系统提出了挑战。

有鉴于此，有必要提出一种新的方法来解决水下爆炸模型试验测控系统在离心机上的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，它可以控制离心机水下爆炸模型试验的引爆，并同步采集结构响应加速度、应变及水压力数据，且同时对水下爆炸过程进行高速摄像。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于离心机水下爆炸模型试验的测控系统，包括采集分系统、控制引爆分系统、调理器分系统及测试元件分系统；

该采集分系统包括上位机、下位机、摄像系统显示器及光电滑环；控制引爆分系统包括控制盒及起爆元件，控制盒包括第二光纤收发器及控制电路；起爆元件包括雷管、炸药，控制电路设置有用于引爆雷管的固态继电器；调理器分系统包括应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪、高速摄像主机；测试元件分系统包括应变片、传感器和高速摄像头，应变片和传感器布置在试验模型上，摄像头布置在模型箱外有机玻璃的一侧；

采集分系统用于命令下达及数据采集，上位机用于控制起爆元件引爆、高速摄像、数据回放、数据分析、图像查看，下位机用于起爆元件的触发控制、数据采集及高速摄像三个步骤的同步实施，摄像系统显示器用于对模型箱中的试验过程进行实时监控查看，光电滑环用于地面控制室和离心机内的供电及信号通讯连接；下位机与上位机通过光纤进行通讯连接；下位机与控制盒及调理器分系统连接；

该控制引爆分系统用于控制炸药起爆，固态继电器与下位机的数据采集卡输出端连接，用于在收到指令后，引爆雷管，并通过雷管引爆炸药；

该调理分系统用于对测试元件分系统传递过来的电信号进行处理及图片缓存，应变片通过导线连接应变桥盒，应变桥盒与应变放大器相连，应变放大器与下位机相连，传感器通过导线与传感器信号适调仪连接，传感器信号适调仪与下位机相连；摄像头与高速摄像主机相连，高速摄像主机与下位机相连。

进一步地，该下位机通过第二光纤收发器与光电滑环连接，光电滑环通过第一光纤收发器与上位机连接。

进一步地，该上位机和下位机之间通过1000兆光纤通信实现数据和指令的传递。

进一步地，下位机、控制盒、高速摄像主机、应变放大器、应变桥盒、传感器信号适调仪需固定于离心机转台，并靠近离心机旋转轴设置。

进一步地，摄像头安装于钢架上，钢架用螺栓连接固定于模型箱有机玻璃一侧，摄像头附近设置2个100W的LED投光灯，用于摄像时的照明。