第十一章爆破測試技術(shù)爆破測試技術(shù)在爆破理論和應(yīng)用研究中具有重要作用。爆破理論研究的深入，爆破技術(shù)的進步，以及爆破新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，都是以爆破測試技術(shù)研究為基礎(chǔ)的。由于爆破過程的復(fù)雜性和巖土介質(zhì)的復(fù)雜性，爆破機理和爆破測試技術(shù)尚待進一步的研究。爆破測試中所采用的測試手段有機械的、電的、光電的和聲學(xué)的等等，但常采用的測試方法主要有電阻應(yīng)變測量、機械振動測量、高速攝影、動光彈、動云紋、動焦散等光測技術(shù)。此外，還有激光全息、脈沖X光等測試方法。第一節(jié)爆破模型試驗相似理論簡介隨著科學(xué)研究的深入，人們在研究各種物理現(xiàn)象時經(jīng)常會遇到一些即使用高等數(shù)學(xué)知識也無法解決的問題。此時，一般借助于實驗的方法來解決。實驗方法又分直接實驗法和模型實驗法。直接實驗法是最常采用的有效方法。但這種方法存在一些局限性：實驗結(jié)果只能適用于和實驗條件完全相同的對象上；對重要的、大型的、復(fù)雜的設(shè)備，特別在設(shè)計制造前，由于實物不存在，因而要想研究某些量與量之間的規(guī)律只能通過模型來進行實驗；某些實測的費用非常昂貴，而且實測條件也很困難。在這種情況下，模型實驗方法是可取的有效方法。模型實驗是以相似理論為基礎(chǔ)的，建立模型、通過模型實驗所得到的量與量之間的規(guī)律，并將其推廣到實驗上去的一門科學(xué)技術(shù)。這種方法，由于運用相似原理和采用模型，因而其實驗結(jié)果可以推廣到與之相似的所有對象。如今，隨著實驗應(yīng)力分析技術(shù)的發(fā)展，模型實驗已在航空航天、機械及土木工程中得到了廣泛應(yīng)用，并取得許多重要成果。在進行模型實驗時，常采用縮小或放大的比例來制作模型。同時，為了便于測量應(yīng)力和應(yīng)變值，往往采用一些與原型不相同的材料，如有光學(xué)反應(yīng)的光彈透明材料。怎樣使模型和原型相似，怎樣才能把模型實驗中得到的結(jié)果推算到實物上，這就要解決模型和實物的相似問題。一、相似的概念相似概念最早產(chǎn)生于幾何學(xué)中。若兩個系統(tǒng)所占據(jù)空間的各對應(yīng)尺寸之比是一固定系數(shù)，則稱它們幾何相似。幾何相似的概念，可以推廣到物理過程的系統(tǒng)中。若系統(tǒng)幾何相似，并且其中各個對應(yīng)點上的物理量間的比例為常數(shù)，則稱為現(xiàn)象的物理相似。物理過程常隨時間的發(fā)展而發(fā)展。因此兩個現(xiàn)象的相似也一定具有時間上的相似。時間相似是指對應(yīng)的時間間隔成比例。在相似研究中，物理量的相似主要指一般幾何相似、動力學(xué)相似和運動相似三類。運動相似是指在幾何相似系統(tǒng)中，兩個物體所處的速度場和加速度場幾何相似。表現(xiàn)為在各對應(yīng)點和對應(yīng)時亥日上的速度和加速度矢量方向一致，大小成比例。動力相似是指幾何相似和運動相似系統(tǒng)中力場的幾何相似，它們表現(xiàn)為兩個物體所受力場在各對應(yīng)點和對應(yīng)時刻保持方向一致，大小成比例。自然中各種現(xiàn)象都具有規(guī)律性，但它們在物理本質(zhì)上是有差別的。在一定條件下，對于某些本質(zhì)不同的物理現(xiàn)象，描述它們規(guī)律的數(shù)學(xué)方程可能是相似的。這種具有相同的數(shù)學(xué)方程而性質(zhì)不同的現(xiàn)象稱為數(shù)學(xué)相似現(xiàn)象。數(shù)學(xué)相似也叫異類相似，它可以將復(fù)雜的難以實現(xiàn)的物理現(xiàn)象A，用與其具有相同數(shù)學(xué)模型的另一類現(xiàn)象中易于實現(xiàn)的現(xiàn)象B來代替研究，并最終推得A現(xiàn)象的解。單值條件相似。單值條件是指把某一特定的物理現(xiàn)象從眾多同類現(xiàn)象中挑選出來的條件，相當(dāng)于數(shù)學(xué)問題中的定解條件。單值條件相似包括：模型和原型的幾何形狀相似，模型材料的物理性能與原型相似，作用于模型上的荷載與原型上的相似，模型的邊界條件與原型相似(包括位移邊界條件及荷載邊界條件)，在與時間有關(guān)的動力學(xué)問題中還包括時間相似和初始條件相似(包括初始量和初始速度)。二、量綱的基本概念在物理學(xué)中，測量物理量時都要選用一定的單位。同類物理量按某一測量制度進行度量時采用的度量標(biāo)準(zhǔn)稱為單位。通用的力學(xué)單位是由長度、時間和質(zhì)量的單位導(dǎo)出的。例如，用米、克、秒制時，速度的單位是米形。如果我們不用這種人為確定的單位，而直接將長度、時間和質(zhì)量的普遍單位用[L]、[T]、[M]表示，則這種度量單位就是量綱。我們把表示物理量類型的概念稱為量綱(因次)。習(xí)慣上采用方括號及其中的大寫英文字母來表示量綱。每個物理量都有自己的量綱。由于各個物理量都是相互聯(lián)系的，因此，通常選定一些量綱彼此獨立的物理量作為基本量，其量綱稱為基本量綱。其他物理量可由基本量推導(dǎo)出，它們的量綱亦可由基本量綱推導(dǎo)出。在一般工程系統(tǒng)中，通常采用兩種基本量綱系統(tǒng)，即以質(zhì)量量綱[M]、長度量綱[L]和時間量綱[T]為基本量綱的MLT系統(tǒng)(質(zhì)量系統(tǒng))和以力量綱：F]、長度量綱[L]和時間量綱[T]為基本量綱的FLT系統(tǒng)(力系統(tǒng))。[M]系統(tǒng)和[F]系統(tǒng)都認(rèn)為受到牛頓第二定律廠=ma的制約，并按這一定律進行量綱問的相互轉(zhuǎn)換，即上面的方程形式稱為量綱方程。任一物理量都有自己的量綱方程。在不同的科學(xué)領(lǐng)域中，基本量綱的數(shù)目是可以變化的?；玖烤V從范疇意義上最大可發(fā)展六個，即[F]、[L]、[T]、[Q]、[I]、下面介紹一些具體問題中的基本量綱的確定。(1)在特定問題中，如果不需要使用牛頓第二定律或允許忽略掉重力場的影響，[F]和[M]就相互獨立了，因而就有四個基本量綱。(2)如果是靜力學(xué)問題，則過程與時間無關(guān)，故選取的獨立基本量綱只有兩個。(3)根據(jù)氣體動力學(xué)理論，溫度量綱從屬于其他基本量綱。但如果問題不直接涉及分子運動情況，則可在基本量綱中加入溫度量綱(4)如果討論的問題中，不需要考慮熱能和機械能的轉(zhuǎn)換，亦即二者之間無需用焦耳定律聯(lián)系起來，則可在基本量綱中加入熱量量綱對于有量綱的量，當(dāng)基本量綱單位改變時，其數(shù)值也將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化。但量綱具有如下兩個性質(zhì)：(1)兩個同量量綱的數(shù)值之比與度量中使用的單位無關(guān)。它是建立相似第一定理的基礎(chǔ)。(2)描述某特定物理現(xiàn)象的方程式與其所涉及的物理量的度量單位大小無關(guān)。它是建立相似第二定理的理論依據(jù)。三、相似三定理相似理論是說明自然界和工程中各種相似現(xiàn)象的相似性質(zhì)及相似規(guī)律的理論，其理論基礎(chǔ)是相似三定理。相似第一定理亦稱為相似正定理。該定理于1848年由法國Bettrand建立。相似第一定理可表述為：凡屬相似的現(xiàn)象，必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。相似第二定理又稱為丌定理。該定理于1914年由美國Buckingham建立。相似第二定理可表述為：設(shè)一物理現(xiàn)象有n個物理量，其中有K個物理量的量綱是相互獨立的，則此物理現(xiàn)象有且僅有(n一K)個彼此獨立的相似準(zhǔn)則。相似第二定理說明了相似現(xiàn)象的性質(zhì)，它告訴我們：第一，任一現(xiàn)象的函數(shù)式都可以用準(zhǔn)則方程來表示；第二，準(zhǔn)則數(shù)有(n一K)個；第三，準(zhǔn)則是無因次的。相似第二定理在研究中是十分重要的。對于只知道參量而不知道其數(shù)學(xué)方程的物理現(xiàn)象，我們可根據(jù)定理求出其準(zhǔn)則方程，再進行研究。丌定理還告訴我們?nèi)绾稳フ碓囼灥慕Y(jié)果，即應(yīng)當(dāng)用相似準(zhǔn)則間關(guān)系來整理實驗的結(jié)果，以利于試驗結(jié)果的應(yīng)用和推廣。相似第三定理又稱為相似逆定理。該定理于1950年由前蘇聯(lián)M.B.Kupnt—theBB建立。相似第三定理可表述為：對于同一類物理現(xiàn)象，如果單值條件相似，而且由單值量所組成的相似準(zhǔn)則在數(shù)量上相等，則現(xiàn)象相似。所謂單值量，是指單值條件中的物理量，而單值條件又是將一個個別現(xiàn)象從同類型現(xiàn)象中區(qū)分開來的具體條件?？梢哉f，現(xiàn)象的各種物理量，實質(zhì)都是從單值條件引出的。相似第三定理明確地規(guī)定了兩個現(xiàn)象相似的充分必要條件。我們考察一個新現(xiàn)象時，只要肯定了它的單值條件和已研究過的現(xiàn)象相似，而且由單值條件所組成的相似準(zhǔn)則的數(shù)值也和研究過的對象相符，就可確定兩個現(xiàn)象相似。相似理論的這三個定理，奠定了相似理論的基礎(chǔ)。它告訴我們，在進行實驗研究時，應(yīng)當(dāng)測量包括在相似準(zhǔn)則中的那些量，并且以準(zhǔn)則間相互關(guān)系來整理實驗所得的數(shù)據(jù)。同時也告訴我們，只要單值條件相似，決定準(zhǔn)則的數(shù)值相等就可以確定兩現(xiàn)象相似，其實驗的結(jié)果就可以應(yīng)用。相似三定理的實用意義在于指導(dǎo)模型設(shè)計及其相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和推廣。當(dāng)利用相似三大定理指導(dǎo)模型實驗時，首先應(yīng)立足相似第三定理，正確、全面地確定現(xiàn)象的參量；然后通過相似第一定理提示的原則建立起該現(xiàn)象的全部丌項；最后則是將所得丌項按相似第二定理的要求組成丌關(guān)系式，以用于模型設(shè)計和實驗結(jié)果的推廣。然而，自然界的現(xiàn)象要完全地滿足三定理規(guī)定的全部相似條件是很困難的，這就限制了相似理論的應(yīng)用范圍。所以相似方法的提出，大大促進了相似理論的發(fā)展。它是根據(jù)實驗中各因素對現(xiàn)象影響的大小，抓住其起主要作用的因素，略去次要因素。它不保持所有的相似條件，而是保證其主要的相似條件。獲得在實際上具有足夠準(zhǔn)確性的近似相似。近似相似方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程問題的研究中。四、相似準(zhǔn)則的導(dǎo)出及判斷運用相似理論進行模型實驗研究時，首先必須導(dǎo)出相似準(zhǔn)則。目前，相似準(zhǔn)則的導(dǎo)出方法很多，如定律分析法、方程分析法、量綱分析法和矩陣法等。最常用的是方程分析法和量綱分析法。方程分析法是一種導(dǎo)出相似準(zhǔn)則的有效方法。它是從描述物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程出發(fā)去導(dǎo)出相似準(zhǔn)則的。方程分析法的優(yōu)點有三：一是結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，能反應(yīng)出現(xiàn)象最本質(zhì)的物理定律，故所得出的結(jié)論比較可靠；二是分析過程簡單直接，分析步驟易于檢查；三是各種成分的重要性比較明顯，便于推斷、比較和檢驗。但是它也存在著某些弱點，如必須事先知道物理方程；由于運算上的困難，有時只能得到近似數(shù)值解等。在實際研究中所遇的問題往往比較復(fù)雜，對問題的內(nèi)在關(guān)系認(rèn)識也比較少，因而還不能建立描述它的數(shù)理方程。此時，就無法應(yīng)用方程分析法來求得相似準(zhǔn)則。量綱分析法又稱因次分析法，它是對物理過程的理論分析和實驗研究的一種重要的方法。它的理論基礎(chǔ)是關(guān)于量綱齊次方程的數(shù)學(xué)理論。根據(jù)這一理論，一個完善的、正確的反映物理過程的數(shù)學(xué)方程，必定是量綱齊次的。量綱分析法對于一切機理尚不清楚，規(guī)律未充分掌握的復(fù)雜現(xiàn)象來說，是獲得其準(zhǔn)則的主要方法。它能幫助人們快速地通過相似性實驗核定所選參量的正確性，并在此基礎(chǔ)上不斷加深人們對現(xiàn)象機理和規(guī)律性的認(rèn)識。另外，量綱分析法也存在一些弱點：①有可能漏掉說明現(xiàn)象特征的重要物理量，或選入一些次要的甚至錯誤的物理量；②很難區(qū)別那些量綱相同，但物理意義不同的物理量(如壓力、應(yīng)力、彈性模量，其量綱均為[FL-2])；③很難控制量綱為零的物理量(如摩擦因數(shù)等)；④很難發(fā)現(xiàn)在關(guān)系方程中常碰到的帶有量綱的物理常數(shù)(如萬有引力常數(shù)，熱功當(dāng)量等)；⑤無法確定所求得的相似準(zhǔn)則哪個是決定性的。無論用何種方法導(dǎo)出的準(zhǔn)則，均應(yīng)符合以下幾個原則：(1)準(zhǔn)則的數(shù)目等于參數(shù)個數(shù)和基本量個數(shù)之差，準(zhǔn)則是無因次的。這些已由丌定理所證明。(2)一個準(zhǔn)則中所包含的參量一般以2～4個為好，過多則應(yīng)分解，避免給模型設(shè)計帶來不便。(3)一個準(zhǔn)則中最好僅有一個導(dǎo)來量，也可以說僅有一個是需要在模型實驗中測量的量。(4)準(zhǔn)則可以分解，也可以相互組合，可以相互加減而成為新的準(zhǔn)則，也可以互相乘除得到新的準(zhǔn)則。但分解和組合是為了模型設(shè)計的方便，而不是盲目地進行分解和組合。(5)當(dāng)所求出的幾個準(zhǔn)則，經(jīng)分解或組合后，得到重復(fù)的、完全相同的準(zhǔn)則時，說明這個準(zhǔn)則是獨立準(zhǔn)則。相同準(zhǔn)則在準(zhǔn)則方程中只出現(xiàn)一個即可。求出相似準(zhǔn)則的目的是：①進行實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(簡稱?；?；②將實驗數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程，來描述某一類現(xiàn)象中各參數(shù)之間的關(guān)系，并應(yīng)用其實驗結(jié)果。五、模型設(shè)計模型設(shè)計的理論基礎(chǔ)是相似理論。當(dāng)模型和原型屬同一類現(xiàn)象，即用某一現(xiàn)象去模擬同類的現(xiàn)象叫同類模擬。例如，用一個力的模型去模擬力的原型，用傳熱學(xué)模型來模擬傳熱的原型。(一)相似模型設(shè)計的基本原則(1)模型和原型應(yīng)該是幾何相似的。它是同類模擬的基本條件。模型和原型的幾何相似只涉及與現(xiàn)象影響參數(shù)有關(guān)的獨立幾何量(如長度、高度、距離等)的相似。對于非獨立量(如面積、體積、斷面模數(shù)等)，只要求它們的相似常數(shù)能滿足準(zhǔn)則要求即可。模型設(shè)計中與參數(shù)無關(guān)的幾何量不要求滿足相似的條件。(2)模型和原型的兩系統(tǒng)應(yīng)該是屬于同一種性質(zhì)的相似現(xiàn)象?；蛘哒f，模型和原型間同名準(zhǔn)數(shù)(準(zhǔn)則的數(shù)值)相等。(3)模型與原型的同類物理參數(shù)對應(yīng)成比例，且比例為常數(shù)。(4)模型與原型的初始條件與邊界條件相似。(二)模型設(shè)計的步驟1．準(zhǔn)則方程列出準(zhǔn)備模擬的現(xiàn)象的微分方程式或羅列參數(shù)求出準(zhǔn)則，并寫出準(zhǔn)則方程。在解決特定工程問題時，只需求出準(zhǔn)則即可。而在求解某一類現(xiàn)象的準(zhǔn)則之間的函數(shù)關(guān)系時，可采用固定元素法。即將決定性準(zhǔn)則依次產(chǎn)生一個變化，而其余準(zhǔn)則均固定不變，用試驗求得它與非決定性準(zhǔn)則間的函數(shù)關(guān)系，直至求出全部決定性準(zhǔn)則與非決定性準(zhǔn)則的函數(shù)關(guān)系。至此，這一類現(xiàn)象的準(zhǔn)則之間的函數(shù)關(guān)系就出來了。2．初定模型方案根據(jù)選定的幾何縮比和準(zhǔn)則，選擇模型方案，并初算主要尺寸以確定其可行性和合理性。3．確定幾何縮比(幾何相似常數(shù))幾何縮比的確定主要參考以下幾點：(1)測量手段，即傳感器的大小和精確度要求。當(dāng)傳感器尺寸較小，測量精度較高時，可取大幾何縮比；反之，要取小的縮比。(2)原型經(jīng)幾何縮比轉(zhuǎn)換成模型后，尺寸不宜太大。應(yīng)以實驗室的條件能容納為限。(3)模型中經(jīng)相似轉(zhuǎn)換后的參數(shù)的數(shù)值有實現(xiàn)的可能，并且可加以控制。例如，原型速度低，經(jīng)相似轉(zhuǎn)換后其速度很高，以至在技術(shù)上難以達到，或難以控制，都是不妥的。4．模型縮比根據(jù)幾何縮比和各準(zhǔn)則計算模型尺寸，計算各參數(shù)在模型實驗中的數(shù)值——模型設(shè)計。5．安排實驗順序6．進行實驗和測量7．整理數(shù)據(jù)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到原型的數(shù)值，或確定實驗結(jié)果可以應(yīng)用的條件。(三)模型設(shè)計中相似條件的放松在設(shè)計模型實驗時，要保證模型與原型相似，就應(yīng)完全滿足相似第三定理。而在實際問題中，要同時滿足全部單值條件相似是十分困難的。因此在實際研究中常常放松這個要求，只要保證對問題起主要影響的單值條件相似，次要的單值條件相似只需近似滿足，甚至可不予考慮。這種模型稱為不完全相似模型。這類模型在設(shè)計中需特別小心，應(yīng)通過理論分析或其他初步試驗，來確定單值條件的主次關(guān)系。模型設(shè)計中的泊松比肛也是一個需考慮的重要因素。應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理量都與盧有關(guān)。由于掣是無量綱量，所以一般都要求模型和原型的泊松比必須相同。但目前工程中所遇到的材料，如石料、巖石、混凝土等，泊松比岸的值都較小，約在0．16～0．35之間。而做光測彈性力學(xué)實驗所用模型材料的岸則較大，如平面彈性力學(xué)問題中，對于單連通體，若體力為零、為常數(shù)或隨位置線性變化，由彈性理論可知，這時應(yīng)力狀態(tài)與泊松比口無關(guān)。關(guān)于肚對模型實驗的影響可歸納為以下幾點：(1)泊松比肚的變化對最大主應(yīng)力影響甚微，而對最小主應(yīng)力影響較大；(2)泊松比的不同對實驗結(jié)果的影響約為5％～7％，從而不影響實驗精度；(3)模型實驗中盡量采用新材料，以降低模型與原型泊松比的差值。(四)模型相似比例的選擇1．選擇幾何相似忱幾何縮比的選擇可考慮以下因素：(1)原型的幾何形狀的復(fù)雜程度和尺寸的大??；(2)在模型上所能施加的荷載的大??；(3)準(zhǔn)備用什么實驗方法，用什么儀器來對模型進行測量；(4)準(zhǔn)備選用什么模型材料，這種材料的現(xiàn)有尺寸，以及對模型加工的可能性；(5)對模型實驗結(jié)果所要求的精度；(6)實驗時間、方法及經(jīng)費各個方面的限制。2．選擇模型的荷載比選擇的主要依據(jù)是：模型在這個荷載作用下所產(chǎn)生的變形能夠精確地測出來。但是，所加荷載一般不得超過材料的比例極限，也不應(yīng)使材料產(chǎn)生明顯的蠕變。(五)模型材料的選擇正確選擇模型材料是能否正確模擬原型的關(guān)鍵。在滿足相似條件的前提下，一方面要考慮主要力學(xué)性質(zhì)應(yīng)能模擬原型材料的力學(xué)性質(zhì)，即材料力學(xué)性能相似。從相似的觀點出發(fā)，最好用與原型相同的材料來制作模型，但往往由于模型加工，加載方式，量測設(shè)備等方面的限制，用與原型相同材料制成的模型反而得不到滿意的結(jié)果。這時，就不得不改用其他材料。例如。常用鋁、銅等彈模較低的材料來代替鋼材；常使用塑料來制造各種力學(xué)模型，常用的材料有：有機玻璃、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。另一方面還需要考慮材料的加工性能，以及材料的來源和成本等因素。如鋁、銅的鑄造，加工性能都比較好，是很好的模型材料。另外，對于各種塑料還應(yīng)注意其力學(xué)性能的穩(wěn)定性和均勻各向同性。第二節(jié)動態(tài)應(yīng)變的電測法巖石在爆炸荷載作用下發(fā)生的應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)^程是巖石爆破的基本過程，爆炸力的作用是以應(yīng)變波的形式在巖石中傳播的。巖石介質(zhì)的應(yīng)變過程不僅能反映爆炸荷載的特征，而且與巖石的動態(tài)力學(xué)性能密切相關(guān)。動態(tài)應(yīng)變的電測法是巖石爆破最基本的測量手段，電阻應(yīng)變法是目前巖石動力學(xué)問題研究中最常用也是最成熟的測量方法。一、電阻應(yīng)變的測量原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的“電阻一應(yīng)變效應(yīng)”，即利用導(dǎo)體的電阻隨機械變形而變化的物理性質(zhì)。對于長度為L、橫截面積為S、電阻率為的均質(zhì)導(dǎo)體，其電阻為（11-1）當(dāng)導(dǎo)體受力作用時，其長度、截面積和電阻率ID都將發(fā)生變化，此時電阻值的相應(yīng)變化量為（11-2）電阻變化率為（11-3）若考慮直徑為D的圓截面導(dǎo)線，則直徑的相對變化為其中是導(dǎo)線材料的泊松比。于是有（11-4）因此有： （11-5）式中應(yīng)變?yōu)?，?dǎo)體長度相對變化即在實際問題中，可以忽略，若記：（11-6）（11-7）這里K稱之為電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與電阻絲材質(zhì)有關(guān)。由式(11—7)可知，電阻絲的電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比。在實際測量中，將金屬絲加工成電阻應(yīng)變片，用粘合劑將其牢固地粘貼在被測試件的確定位置上。當(dāng)試件受力變形時，應(yīng)變片中的金屬絲也相應(yīng)產(chǎn)生變形，從而使其電阻值發(fā)生變化，而此阻值的變化是與試件應(yīng)變成正比的。因此，通過一定的測量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，再用顯示記錄儀將其記錄下來，便可知道被測試件應(yīng)變量的大小。圖11—1是其檢測原理方框圖。二、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是根據(jù)金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)制作的傳感元件，通常稱之為電阻應(yīng)變片。它能將介質(zhì)的應(yīng)變變化過程轉(zhuǎn)換為電阻變化過程。電阻應(yīng)變片一般由敏感柵、基底、引線和蓋片組成。據(jù)其結(jié)構(gòu)形式不同分為絲式應(yīng)變片、短接式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的特點是橫向部分寬，從而可減少橫向靈敏度，另外其表面積大，散熱條件好，允許的工作電流大。目前箔式電阻應(yīng)變片應(yīng)用得最廣泛：電阻應(yīng)變片的主要特性參數(shù)有靈敏系數(shù)、應(yīng)變極限、應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性以及應(yīng)變片的電阻值和最大工作電流。選擇應(yīng)變片時必須考慮基長對工作狀態(tài)的影響，基長相對于基寬較小時，橫向靈敏度大，粘貼定向困難，只是在應(yīng)變變化梯度大的場合才考慮使用小基長產(chǎn)品。一般以基寬較小為宜，但過小會導(dǎo)致散熱效果差。設(shè)基長為L，應(yīng)變波波長為A．高頻應(yīng)變測試時可據(jù)下式選擇應(yīng)變片的基長：(11—8)表1l—l給出了基長與工作頻率的關(guān)系。三、動態(tài)應(yīng)變的測量電路應(yīng)用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變時，電阻應(yīng)變片只能將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化。由于這一變化很小，直接精確地測量是很困難的。因此，通常要通過一定的測量電路來將其轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量來測量。一般來說，測量電路的輸出信號仍較微弱，還需經(jīng)放大后才能進行記錄。應(yīng)變片電測法一般采用兩種測量電路，即電位計式電路和惠斯通電橋電路。變換電路的供電方式可采用恒壓源供電，也可采用恒流源供電。恒流源供電的特點是連接線的電阻對電路輸出的交變分量沒有影響。．(一)電位計電路圖11—2為一般的電位計電路。應(yīng)變片電阻串聯(lián)著一個固定電阻Rb。在恒壓源供電時，Rb為分壓電阻，也可用另一個不受力作用的應(yīng)變片代替，它和置于相同的環(huán)境條件中，起著溫度補償作用。1．恒壓源供電時的電路分析在未產(chǎn)生應(yīng)變時，電路輸出為有應(yīng)變產(chǎn)生時，輸出電壓增加△U，則因此式中一般，于是有（11-9）式中K。——應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。2．恒流源供電時電路分析未產(chǎn)生變形時電路輸出為有應(yīng)變產(chǎn)生時，電路輸出增加因此（11-10）電位計式電路比較簡單，所用元件少且不需要有調(diào)整元件，直流分量可以在變換電路中采用隔直電容濾去。超動態(tài)測量中常用該電路，但其電阻補償功能差。(二)電橋電路圖11—3所示為應(yīng)變測量中的惠斯通電橋電路，它能精確測量各個橋臂的微小電阻變化。電橋的四個橋臂中任何一個都可以是應(yīng)變片。以下也分兩種供電方式分析。1．恒壓源供電時電橋電路的分析未受應(yīng)變時電橋的輸出為（11-11）電橋平衡(即輸出為零)的條件是在測量前(未受應(yīng)變時)，一般應(yīng)滿足電橋平衡條件，使電橋的輸出電壓只與應(yīng)變片的電阻變化有關(guān)。此外，在應(yīng)變電橋組合時，一般都使(Rl+R4)=(R2+R3)，在此條件下，應(yīng)變產(chǎn)生時的電橋輸出電壓（11-11）（11-12）超動態(tài)應(yīng)變測量時，通常僅個橋臂為電阻應(yīng)變片，有個橋臂設(shè)置nr謂電阻，保證測量前電橋輸出為零，這時有（11-13）2恒流、碌供電時電橋電路分析恒流源供電時，橋路設(shè)置一般選擇使每個半橋都流過恒定的電流這樣在未受應(yīng)變時電橋的輸出為產(chǎn)生應(yīng)變時電橋輸出為則得到（11-14）當(dāng)僅個橋臂為應(yīng)變片時，可以得到（11-15）電橋電路的特點是能保證初始輸出為零，實現(xiàn)溫度補償。(三)標(biāo)定電路超動態(tài)應(yīng)變測量時．若采用直接測量△u來計算應(yīng)變是很難保證其準(zhǔn)確性的．因為電路中的電阻．放大器的放大作用及測量系統(tǒng)的阻值匹配等都影響輸出的電壓值。通常采用聯(lián)電阻法對虛變直接進行標(biāo)定。標(biāo)定電阻R，的人小可以根據(jù)測量應(yīng)變值的大小來估算。將R，并聯(lián)到連接電阻應(yīng)變片R。的支路上，支路的電阻變化量為轉(zhuǎn)換上式得則（11-16）由式(11-16)可以估算出R的大小，測量時，根據(jù)應(yīng)變信號的量來選擇R。的檔次．(四)電壓放大電路超動態(tài)應(yīng)變測量，其電路的輸出為電壓信號，因此，需要選用電壓放大器。電壓放大器的輸入阻抗和頻帶寬度是設(shè)計電壓放大電路的兩個重要參數(shù)。為了減小放大電路的輸入阻抗對應(yīng)變測量電路輸出電壓的影響，通常采用高阻抗的輸入級進行阻抗變換。超動態(tài)應(yīng)變信號。其主頻信號通常在10kHz～100KzHz范圍，當(dāng)實驗室模型試驗采用小藥量爆炸源時，信號頻率可達200kHz以上。為此，為確保放大信號不失真。放大電路必須具有高頻放大特性。超動態(tài)應(yīng)變測量電路目前已被作為定型的測量儀器生產(chǎn)。稱作動態(tài)或超動態(tài)應(yīng)變儀。該儀器有多個通道，一次可量測多個應(yīng)變信號，也有多個型號，其核心部分就是由電位計電路或電橋電路、標(biāo)定電路和放大器組成，實際應(yīng)用中可根據(jù)不同的量測要求，選用相應(yīng)的型號。四、爆破超動態(tài)應(yīng)變量測系統(tǒng)模型選用400mm×400mm×15mm大理石板，板中心鉆孔并裝有2g黑索金，爆炸后巖石試件中將產(chǎn)生應(yīng)變波。傳感器選用敏感柵為3mm×5mm、阻值為120的電阻應(yīng)變片。試驗前，將試件表面要布置應(yīng)變片部位清洗干凈。貼片時先涂一層底膠，應(yīng)盡量薄且均勻，底膠用有機粘合劑。底膠基本凝固后將膠涂在應(yīng)變片上，按規(guī)定方法將應(yīng)變片貼上并沿應(yīng)變片軸線方向滾壓，將多余的粘合劑和氣泡擠出。超動態(tài)應(yīng)變儀是測量系統(tǒng)的核心部分，它將應(yīng)變片的電阻變化信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并根據(jù)需要進行放大，然后傳遞到記錄顯示儀器。它主要有三大部分、即同步觸發(fā)部分、信號轉(zhuǎn)換及放大部分和應(yīng)變標(biāo)定部分。應(yīng)變標(biāo)定在測量中很重要。首先應(yīng)據(jù)應(yīng)變信號的預(yù)計范圍選取相應(yīng)的標(biāo)定電阻值。按下標(biāo)定開關(guān)，將標(biāo)定電阻瞬間并聯(lián)到電阻應(yīng)變片上，記錄儀和顯示儀便記錄并顯示應(yīng)標(biāo)定信號的大小，也可通過放大器增益鈕的調(diào)節(jié)，使標(biāo)定值處于最佳范圍，每次試驗前，各通道都應(yīng)依次標(biāo)定。標(biāo)定后，各儀器的靈敏度和增益鈕都不能動。隨時間變化的應(yīng)變通過應(yīng)變片和應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換成隨時間變化的電流或電壓信號后，必須配合記錄儀器將動態(tài)過程記錄下來。選擇記錄儀器時首先要看其頻率能力，即能否正確地跟蹤現(xiàn)象的變化并將其準(zhǔn)確地記錄下來。為此應(yīng)使記錄儀器的頻率響應(yīng)高于被記錄過程的最高頻率。目前，應(yīng)用于應(yīng)變測量的記錄儀器主要有筆式記錄儀、光線示波器、磁帶記錄儀、陰極射線示波器、瞬態(tài)波形存儲器和數(shù)字存儲示波器等。圖11—4是超動態(tài)測量系統(tǒng)方框圖。圖1l一5是大理石板中心爆炸后的應(yīng)變波形圖。

第三節(jié)爆破震動測試炸藥在介質(zhì)中爆炸，一部分能量使介質(zhì)產(chǎn)生彈性振動，這種彈性擾動以地震波的形式由爆源向外傳播。地震波有體波和面波。體波又分為縱波(P波)和橫波(S波)?？v波是由爆源向外傳播的壓縮波，質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致，表現(xiàn)為周期短、振幅?。粰M波是由爆源向外傳播的一種剪切波，質(zhì)點振動方向與波的傳播方向垂直，表現(xiàn)為周期長、振幅大。面波是沿介質(zhì)表面或分界面?zhèn)鞑サ牟?，它又分為勒夫?L波)和瑞利波(R波)。爆破引起的強烈震動，必然會對距爆源一定距離的建筑物和構(gòu)筑物造成影響，以至產(chǎn)生破壞作用。因此，爆破震動測量是巖土爆破工程中常用的一種測量方法．爆破震動參數(shù)不僅是爆破工程的重要設(shè)計參數(shù)，而且是對周圍環(huán)境帶來影響的重要評估參數(shù)。一、爆破震動測量的基本原理和主要內(nèi)容由擺、換能器、阻尼器三部分組成的傳感器也Ⅱq拾振儀，它是一種測量機械振動的電動式傳感器。地震效應(yīng)的定量觀測是通過傳感器接受地表震動，再用電學(xué)或光學(xué)儀器將接受的信號記錄下來。當(dāng)爆破產(chǎn)生的地震波到達測點位置時，地表將發(fā)生運動，位于地表上的測振儀的盤架也隨之產(chǎn)生運動。在振動開始的瞬間，“擺”【1】于慣性而保持相對靜止。這時通過線圈的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生電動勢I而在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感噓電流的大小取決于地表運動的幅度即振動強弱?！皵[”的運動是機械運動，通兇線圈和磁鐵間的相對運動可以把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?這一裝置稱為換能器)。當(dāng)?shù)乇磉\動趨于靜止時，由于慣性作用，“擺”不會立即停止下來．它將以其本身固有的運動周期繼續(xù)進行往復(fù)運動，直至能量完全釋放為止．，可以看到，如果“擺”尚在振動時，地表又開始運動，則拾振儀所記錄的振動由于混有“擺”的固有振動而不能反映運動的真實情況。因此，必須消除“擺”的固有頻率振動能量的影響。這種裝置叫做阻尼器。爆破震動測試主要包括兩個方面的內(nèi)容：一方面是研究爆破過程地震波的衰減規(guī)律，地質(zhì)構(gòu)造及地形條件對它的影響，地震波參數(shù)和爆破方式的關(guān)系；另一方面是研究建筑物和構(gòu)筑物對于爆破震動的響應(yīng)特征，以及這一響應(yīng)特性和爆破方式與構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特點的關(guān)系。在測試方法上兩者有相同或相似之處，但對震動的分析，對數(shù)據(jù)處理的要求方面則不全相同。就具體內(nèi)容而言，爆破震動測試的內(nèi)容包括：地表質(zhì)點振動速度測試；質(zhì)點振動位移，質(zhì)點振動加速度測試；結(jié)構(gòu)與建筑物的反應(yīng)譜測試。目前又發(fā)展了巖體介質(zhì)反應(yīng)譜測試，如巖體邊坡爆破震動反應(yīng)譜測試：但開展最普遍、工程上應(yīng)用最多的仍是振動速度測試。大量試驗表明，爆破產(chǎn)生的振動速度與起爆藥量成正比，與傳播的距離成反比。針對不同的地質(zhì)條件。前蘇聯(lián)的薩道夫斯基提出爆破振速的計算公式為(11-17)式中到——最大振速幅值，cm／s；K——巖石傳震特征參數(shù)；a——巖石傳震特征參數(shù)，或震動傳播衰減指數(shù)；Q——單段最大起爆藥量，kg；R——計算點到爆源中心距離，m。由(11—17)以推導(dǎo)出確定安全振速u0下的振動安全距離為（11-18）K、a是與爆破點的地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，大型爆破工程要由試驗去測定。爆破震動測量是以檢測振速為目的，一方面是實測振動速度，檢驗爆破震動安全設(shè)計是否有效、合理；另一方面是通過實測振速來分析得到實際地形、地質(zhì)條件下的地震波傳播特性參數(shù)K、a，為爆破震動安全設(shè)計提供依據(jù)。二、爆破震動測試系統(tǒng)圖11一6為爆破震動測試系統(tǒng)方框圖。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)CD～7型測振傳感器。該傳感器分測大位移與小位移兩檔，各有不同的靈敏度。(2)FM一2型調(diào)頻式測振儀。該儀器采用調(diào)頻放大方式，有良好的抗干擾能力。(3)信號記錄顯示與數(shù)據(jù)處理部分。該部分由磁帶回放儀、諧調(diào)儀、瞬態(tài)波形存儲儀和計算機與示波器組成。實際記錄的調(diào)頻信號由磁帶回放儀輸入到解調(diào)儀，將實測信號檢出來輸入到瞬態(tài)波形存儲儀中再經(jīng)示波器顯示和計算機分析處理。在現(xiàn)場測試時，應(yīng)事先對各部分進行標(biāo)定。測振電路的標(biāo)定包括對傳感器(拾振儀)的標(biāo)定和整個測量系統(tǒng)的標(biāo)定。對拾儀器的標(biāo)定內(nèi)容主要有：靈敏度標(biāo)定、頻率響應(yīng)標(biāo)定和線性度標(biāo)定等。一般拾振儀在出廠前都進行了上述參數(shù)的標(biāo)定。但在使用過程中，許多部件的機械性能都隨使用環(huán)境的不同而發(fā)生變化，因此，不同的使用環(huán)境應(yīng)對拾振儀進行標(biāo)定，以使檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。拾振儀的靈敏度標(biāo)定一般在專用的振動臺進行，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，測定振動臺的輸入振速與拾振儀的輸出電壓間的比值。一般取三次以上標(biāo)定結(jié)果的平均值。頻率響應(yīng)標(biāo)定包括幅頻特性和相頻特性的標(biāo)定。幅頻特性是標(biāo)定拾振儀的靈敏度隨頻率的變化情況。通常固定振動臺的標(biāo)準(zhǔn)振動速度，改變振動頻率，測量相應(yīng)的輸出量。不同頻率的輸出量與標(biāo)準(zhǔn)輸入量的比值即可反映幅頻特性。相頻特性反映不同頻率的振動輸入量與拾振儀輸出量的相位差。拾振儀的線性度標(biāo)定是在固定頻率范圍內(nèi)，不斷加大振動臺的振速，檢測拾振儀的輸出量，分析靈敏度是否隨輸入量變化，根據(jù)確定的線性度標(biāo)定出拾振儀的工作范圍。對整個測振系統(tǒng)的標(biāo)定是在實際測量條件下進行的，由于測量環(huán)境的不同，如接線長度、環(huán)境濕度和儀器間的阻抗匹配等都對測振儀的性能有所影響。通常采用標(biāo)準(zhǔn)信號法進行際定．即在拾振儀輸出端輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率和幅值的電壓信號，經(jīng)過測振儀和記錄儀器記錄和顯不出來。經(jīng)標(biāo)定的系統(tǒng)處于測量狀態(tài)，不能再隨意挪動或改變接線。根據(jù)測出的信號與標(biāo)定記錄信號的比值便可知道實際拾振器輸出量的大小。依照其靈敏度便可了解輸入的振動量。三、爆破震動的測試(1)測點布置和傳感器固定。測點的布置要據(jù)測試目的和要求進行。如研究爆破地震波的傳播規(guī)律，通常是沿爆源中心的徑向或環(huán)向布置一條或幾條測線。在徑向，地震波的強度隨距離的增加按指數(shù)規(guī)律衰減，測點距離應(yīng)按對數(shù)關(guān)系布置。測點應(yīng)在同一地層或基巖上，每一測點最好能同時測三個互相垂直方向的量。如監(jiān)測震動對建筑物的影響，則測點應(yīng)布置在建筑物附近的地表、基礎(chǔ)和建筑物上。如果想搞清建筑物不同高度上的振動，測點應(yīng)從基礎(chǔ)到頂部，在不同高度上布置。為了觀測某些特殊的地質(zhì)構(gòu)造(斷層、裂縫、滑坡等)和地形地物(溝、坎、高程差)對震動強度的影響，測點應(yīng)圍繞這些特殊的地質(zhì)卡勾造和地形地物周圍布置。測點布置好后，應(yīng)測出每一個測點的X、y、Z坐標(biāo)，以便計算測點到爆心的距離。(2)傳感器的安裝。安裝傳感器的各測點坐標(biāo)要準(zhǔn)確，測量的矢量方向要可靠。安裝傳感器的位置要能真實地反映被測對象的振動特征。另外，傳感器與被測物之間的連接要牢靠，避免在振動過程中兩者發(fā)生相對運動或者產(chǎn)生某種寄生振動。(3)儀器參數(shù)的選擇。根據(jù)最大一段起爆藥量和測點到爆源距離來估計測點振動速度，調(diào)整測振儀各點的量程。同時根據(jù)估算的物理量，調(diào)整示波器和磁帶記錄儀的參數(shù)。在采用SC-16型光線示波器時，為保證地震波形的分析精度，波形峰值一般控制在10～15mm。(4)采取抗干擾措施。利用壓電加速度計進行測試時，應(yīng)采用低噪聲電纜。在安裝電纜時應(yīng)避免彎曲、纏繞以及大幅度晃動。(5)對傳感器及系統(tǒng)進行標(biāo)定。圖ll一7為某隧道底板的振動實測波形。該隧道距爆源直線距離285m，單段起爆藥量為lt。經(jīng)計算，隧道底板的垂直振動速度為0.36cm／，s，水平振動速度為0.32cm／S。主振頻率為9Hz，維持時間為0.42s。圖11—8為某橋墩的振動實測波形。該橋墩距爆源325m，單段起爆藥量2t。由圖可以看出，橋墩的垂直振動分量較小。水平振動分量較大，反映出橋墩對爆破震動的響應(yīng)特征。第四節(jié)高速攝影應(yīng)變電測法在動態(tài)應(yīng)變測量上有很大的實用價值，但是它只能獲得少數(shù)幾個點的信息，在許多動態(tài)問題的研究中常常顯得不足。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們一直在積極探索應(yīng)用光測力學(xué)方法將瞬態(tài)多變的圖像記錄下來。高速攝影正是在不斷改進中發(fā)展起來的。它的顯著特點是能直觀地再現(xiàn)運動物體的變化過程，屬非接觸性觀察，不受電和磁場的影響。目前已有各種類型和各種拍攝幅率的高速攝影機可供選用。如按其工作原理來分，有膠片斷續(xù)運動和連續(xù)運動的，有分幅攝影和不分幅(狹縫掃描)攝影的。如按拍攝幅率來分，有普通攝影(幅率小102幅／s)，快速攝影(幅率在102～100幅／，s)，次高速攝影(幅率在103～4×104幅／s)和高速攝影(幅率大于4×104幅／，s)。一、高速攝影機的工作原理高速攝影機的結(jié)構(gòu)和工作原理不盡相同，其用途也不一樣。在巖石爆破測量中常用的高速攝影機有間歇式高速攝影機、光學(xué)補償式高速攝影機和轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機等幾種主要類型。它們都具有連續(xù)高速攝影功能。高速攝影機的一般參數(shù)有焦距、相對孔徑(光圈)、視場角和攝影分辨率。(一)間隙式高速攝影機間隙式高速攝影機是指在拍攝過程中膠片都是做間歇運動的，即膠片在曝光時處于靜止?fàn)顟B(tài)，定時遮光器的缺口正好處在片門上，當(dāng)遮光器轉(zhuǎn)過一個角度，遮住曝光窗口，膠片又移動一個畫幅的距離，然后又停留在光門處保持靜止?fàn)顟B(tài)，遮光器再次轉(zhuǎn)過一個角度，繼續(xù)曝光，這樣重復(fù)上述過程，得到一系列畫幅。圖11—9是國產(chǎn)GS240／35型高速攝影機的輸片結(jié)構(gòu)及原理圖。(二)光學(xué)補償式高速攝影機光學(xué)補償式高速攝影機的膠片連續(xù)運動，采用光學(xué)補償原理使曝光時成像與底片運動同步，有內(nèi)反射鏡光學(xué)補償式和旋轉(zhuǎn)棱鏡光學(xué)補償式兩種。這種高速攝影機的攝影頻率寬，一般由每秒幾十幅到每秒幾萬幅，屬高速攝影范圍。在爆破測量中常用的型號有進口的Pentazet一35(ZL—1)、Pentazet—16、16MD、H~CAM及國產(chǎn)的LBS型號等。圖ll一10是Pentazet—16型高速攝影機結(jié)構(gòu)圖。(三)轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機這種攝影機的工作原理如圖11一11所示。被攝目標(biāo)通過物鏡成像在光欄平面上，再由場鏡二次成像到旋轉(zhuǎn)反射鏡面附近，得中間像。再由排成一圈的次級透鏡(也叫排透鏡)把中間像(嚴(yán)格地說，應(yīng)是中間像被反射鏡所成的鏡面像)成到膠片面上。當(dāng)反射鏡旋轉(zhuǎn)時，反射光線相繼掃過一系列次級透鏡，膠片七就得到與次級透鏡數(shù)目相同的照片。在這里，每一個次級透鏡就像是一個獨立的照相機，相互間以．+定的時間間隔依次進行拍攝。由于反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)，使得來自目標(biāo)的光線在每一個次級透鏡上一閃而過，起了光學(xué)快門的作用。這些照片在時間和空間上都是彼此獨立的，每一幅照片反映了目標(biāo)在某一瞬時的實際形象，相鄰的照片就反映了目標(biāo)的變化。根據(jù)這些照片，就可以得到物體運動隨時間變化的過程和規(guī)律，以及物體不同部位的變形或其他物理參數(shù)。轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機又有同步型和等待型兩類。同步型攝影機的次級鏡頭布置在繞轉(zhuǎn)鏡周嘲的的圓周上。當(dāng)轉(zhuǎn)鏡運動到進入照明第一幅圖像的位置時，攝影機處于感光狀態(tài)，并且一直保持到最后一幅圖像曝光。然后，攝影機變?yōu)椴桓泄鉅顟B(tài)。不感光狀態(tài)的周期為感光狀態(tài)持續(xù)時間的6倍到4倍。之后再重復(fù)此過程。同步型轉(zhuǎn)鏡攝影機變?yōu)槠毓鉅顟B(tài)時，必須有一個裝置同時觸發(fā)處于觀察下的目標(biāo)。也就是說，被攝目標(biāo)動作的開始受儀器的電子系統(tǒng)控制，以保證儀器的拍攝起點和需要記錄的現(xiàn)象的起點或者現(xiàn)象中某一瞬間同時發(fā)生，否則，現(xiàn)象就會超越儀器的有限工作角而得不到結(jié)果。但是，有些高速現(xiàn)象的動作起點飄移很大，或者儀器與目標(biāo)之間距離太遠，就難以實現(xiàn)同步控制。等待型轉(zhuǎn)鏡攝影機，布置在轉(zhuǎn)鏡周圍的次級透鏡所包容的角度比同步型的大，即工作角大。在采用多面棱鏡反射和分光鏡組合時，可使工作角達360°，也就是說次級透鏡和膠片布滿整個圓周。它們分段工作，在前一段結(jié)束拍攝之后，后一段緊接著開始工作。而在最后一段拍完之后，第一段又開始工作。所以，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡達到預(yù)定轉(zhuǎn)速之后，攝影機即處于“等待”工作的狀態(tài)。二、高速攝影在爆破測量中的應(yīng)用(一)介質(zhì)表面運動規(guī)律的高速攝影測量爆破導(dǎo)致的介質(zhì)表面的鼓包運動，其速度一般在每秒十幾米到幾十米的范圍內(nèi)，通常采用便攜式的中高速攝影機。目前常用的前民主德國產(chǎn)的賓塔采特一16型高速攝影機和我國西安光機所生產(chǎn)的LBS一16A型高速攝影機，其穩(wěn)定拍攝頻率為1000～3000幅／，s．在拍攝介質(zhì)表面運動規(guī)律時，首先應(yīng)選擇攝影的位置，一般應(yīng)布置在爆破飛石安全距離以外。拍攝臺階爆破臺階面拋體運動時，應(yīng)使拍攝方向與拋擲方向相垂直。拍攝中通常要設(shè)靜標(biāo)志和動標(biāo)志。靜標(biāo)志設(shè)在爆破區(qū)以外，拍攝正視場中，做上明顯的距離標(biāo)志，同作比例尺來判讀底片上目標(biāo)體的運動；動標(biāo)志設(shè)在爆破區(qū)中心，表面運動通過動標(biāo)志的運動可較清楚地識別和判讀。一般攝影機距爆源較遠，通常應(yīng)選用望遠鏡頭。在拍攝前，選擇恰當(dāng)?shù)臄z影參數(shù)是很重要的，光圈的選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的自然光條件和經(jīng)驗，應(yīng)考慮爆破運動體的空間深度和成像比例。為了保證一定空間深度內(nèi)爆破運動體的清晰度，需要有較大的景深，應(yīng)選用較大的光圈并相應(yīng)增加被拍攝目標(biāo)的照度，但光圈過大雖能增大成像的空間深度，而物鏡的分辨率則會因此減少。拍攝頻率選擇要以爆破表面運動的最大估計速度為主要依據(jù)。常用的光學(xué)補償式高速攝影機在整個畫幅上的分辨率為30～50線對/mm在曝光時間內(nèi)運動物體在焦平面上成像的移動而導(dǎo)致的模糊量為0.02～0.03mm。另外，拍攝頻率的確定還應(yīng)考慮爆破表面的運動周期，根據(jù)表面運動的周期和需要拍攝的幅數(shù)可估計出應(yīng)選擇的拍攝頻率。若預(yù)計表面運動周期是，而設(shè)計有效幅數(shù)為100幅則拍攝頻率應(yīng)選擇l000幅／s以上的檔次。當(dāng)然，在實際拍攝中，既要根據(jù)以往的拍攝經(jīng)驗，也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場模擬試驗拍攝的結(jié)果來反復(fù)調(diào)整各有關(guān)參數(shù)，這樣便能獲得最佳的拍攝效果。(二)高速攝影法拍攝爆炸裂紋的擴展過程高速攝影法除用于拍攝爆破表面鼓包與拋體運動過程外，還可用于拍攝爆破裂紋的擴展過程。但這類拍攝只能在實驗室利用更高拍攝頻率和精度的攝影機。目前實驗室多采用轉(zhuǎn)鏡分幅式高速攝影機，其拍攝頻率可在5萬～250萬幅／s范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。型轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機的主要技術(shù)指標(biāo)如下：攝影頻率／畫幅尺寸／㎜畫幅數(shù)／幅動態(tài)空間分辨率／時間分辨率／S系統(tǒng)相對孔徑l：1．5攝影物鏡焦距f／mm210，750，2000拍攝頻率的選擇，應(yīng)根據(jù)裂紋的擴展速度和允許現(xiàn)象在底片上產(chǎn)生的最大位移量來估計。對于轉(zhuǎn)鏡式高速攝影，應(yīng)滿足(11-19)式中——預(yù)計裂紋的最大擴展速度；——物像比；——允許在底片上產(chǎn)生的最大位移量。對于C～5P轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機，其最小物鏡焦距為210mm，物距為2m，最小攝影視場角為280mmx280mm，畫幅最大尺寸為10mm，因此最小物像比高達28。由于裂紋擴展過程中，裂紋尖端的實際寬度很小，因此需要改變系統(tǒng)焦距，縮小物像比例和攝影視場，整體上提高裂紋在底片上的分辨能力。實際應(yīng)用中常采用加接短焦距光圈的辦法，使攝影系統(tǒng)焦距變短，通過調(diào)整物距，使攝影視場縮小到50mmx50mm，物像比達到5，這從整體上改進了對裂紋尖端的分辨能力，基本滿足拍攝裂紋擴展過程的需要。拍攝裂紋擴展過程通常需要輔加光源。高速攝影中常用光源有連續(xù)光源、脈沖閃光光源、激光光源和爆炸光源四種。裂紋擴展是瞬態(tài)發(fā)展過程，選用脈沖閃光增強光源較為合適。利用轉(zhuǎn)鏡式高速攝影可對裂紋擴展的多種形式進行拍攝，如空孔的導(dǎo)向作用、相鄰炮孔間裂紋的貫穿過程以及起爆時差對孔間裂紋貫通的影響等。(三)掃描高速攝影法測量炸藥的爆轟速度應(yīng)用掃描攝影法測量爆轟速度對于了解炸藥的爆轟性能及爆轟穩(wěn)定過程有其他方法無法比擬的優(yōu)點，但由于測試過程和使用設(shè)備的特殊要求，一般只能在實驗室內(nèi)進行。這種測試方法與電測法不同，掃描攝影拍攝到的是爆轟波陣面的運動軌跡，反映爆轟波陣面的連續(xù)位移過程，通過波跡線的斜率求出即時速度。當(dāng)爆轟穩(wěn)定時，爆速為常數(shù)；當(dāng)爆轟不穩(wěn)定時，波跡線為曲線，爆速連續(xù)變化。掃描攝影機的結(jié)構(gòu)原理如圖11-12所示。測量爆速時，先使所測藥柱通過物鏡成像在狹縫平面內(nèi)，通過場鏡把狹縫像經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡后成像到膠片上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)反射鏡以確定的角速度旋轉(zhuǎn)時，狹縫像即在膠片上以掃描的形式記錄。藥柱從一端起爆后，爆轟波沿狹縫方向傳播，同時發(fā)光，狹縫中的像實際上就是爆轟波陣面光點的運動，最終在膠片上得到以時間為橫軸的波陣面的位移軌跡，從而可由軌跡的斜率來確定炸藥的即時速度。第五節(jié)動態(tài)光彈性法早在1816年，DavidBrewester發(fā)現(xiàn)了人工雙折射現(xiàn)象，從而奠定了光彈性法的物理基礎(chǔ)。后來，有人在實驗的基礎(chǔ)上得出了應(yīng)力與光學(xué)量之間的定量關(guān)系——應(yīng)力光學(xué)定律，因此建立了光彈性法的理論基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)儀器和透明雙折射材料的產(chǎn)生，特別是多火花高速攝影系統(tǒng)應(yīng)用到動態(tài)光彈性實驗以后，動態(tài)光彈性法的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。動態(tài)光彈性法是研究一維和二維波傳播問題的十分有效的方法，在結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、地球物理學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、采礦工程、石油工程等領(lǐng)域都得到了不同程度的應(yīng)用。動態(tài)光彈性方法的顯著特點是能夠?qū)?yīng)力波的產(chǎn)生、傳播及相互作用過程獲得直觀而相對連續(xù)的觀察和記錄。動態(tài)光彈性方法的研究和應(yīng)用在我國始于70年代末和80年代初，但發(fā)展很快。在理論和應(yīng)用研究方面取得了豐碩的成果。動態(tài)光彈性方法的應(yīng)用，直接促進了爆破理論和控制爆破技術(shù)的發(fā)展，使巖石爆破機理的研究上了新臺階。一、光彈性原理(一)雙折射現(xiàn)象對于光學(xué)同性的透明晶體，對任一波長的光波僅有一個折射率，光的折射嚴(yán)格遵循折射定律。對于光學(xué)異性的透明晶體，當(dāng)一束光線入射時，出射的將是兩束折射光線，這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。由于在晶體的兩個相互正交的方向上折射率不同，當(dāng)一束光垂直入射到雙折射晶體時，就會分解成兩列正交光束，且以各自傳播速度通過該晶體，于是它們之間就出現(xiàn)了相位差。若這兩束光相遇，便會出現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象，從而產(chǎn)生干涉條紋。對于某些透明的非晶體材料，如環(huán)氧樹脂、聚碳酸脂、有機玻璃等，在自然無應(yīng)力狀態(tài)下，它們表現(xiàn)為光學(xué)各向同性的，不具有雙折射現(xiàn)象。但當(dāng)這些材料受到應(yīng)力作用時，它們表現(xiàn)為各向異性，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。這種雙折射現(xiàn)象是暫時的，當(dāng)應(yīng)力作用解除后即消失。因此，稱之為暫時雙折射現(xiàn)象。光彈性方法的理論正是基于非透明材料的這一物理特性。(二)應(yīng)力光學(xué)定律在1853年，Maxwell提出了用相位差或光程差來表示折射率的變化與主應(yīng)力(指垂直于光路的平面中主應(yīng)力)的關(guān)系(11-20)式中△——相位差：c——材料常數(shù)(應(yīng)力光學(xué)系數(shù))；h——模型厚度；’——光波波長；——與光路垂直的模型中的主應(yīng)力。式(11—20)是光彈性法通常應(yīng)用的平面應(yīng)力光學(xué)定律。在實際應(yīng)用中，相位差經(jīng)常用條紋級數(shù)N來表示。(11-21)如果我們定義材料的應(yīng)力條紋值為(11-22)那么應(yīng)力光學(xué)定律就成為(11一23)是材料的應(yīng)力條紋值(N／m·條紋)。由式(11—23)可以看出，若厶通過校準(zhǔn)方法測定，那么，當(dāng)N被測定后，平面模型內(nèi)的主應(yīng)力差就隨之確定。光彈性方法就是通過偏振光場來測定模型中每一點的N值的。研究結(jié)果表明，在靜載和動載作用下，應(yīng)力條紋級數(shù)N是主應(yīng)力差(口。一o2)的線性函數(shù)。在爆炸荷載作用下，需測定光彈性材料的動態(tài)參數(shù)值。二、動光彈爆炸加載實驗技術(shù)WZZD一1型多火花動光彈儀主要由多火花放電裝置、光學(xué)記錄系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)組成。如圖11—13所示是其光學(xué)記錄系統(tǒng)。它具有16個點光源(球隙放電)G1、G2、…、G16和16個攝影鏡頭L1、L2、…、L16，各自排成4×4方陣。球隙放電發(fā)出的光由場鏡變成平行光，再通過偏振片P、1／4波片Q、模型M和檢偏鏡A，最后再由場鏡把動態(tài)像匯聚在像機鏡頭上，并成像在底片上：由于球隙可控制依次放電，從而可獲得系列動光彈照片。偏振光場的有效工作直徑為180mm，有效曝光時間為400～500肚s，分幅率在2．5萬～80萬幅／S之間可調(diào)。實驗中，同步和延遲控制很重要。一般可采用氣體電離法、起爆母線分壓法、互感線圈同步法和光一電轉(zhuǎn)換法來實現(xiàn)同步控制，其中氣體電離法既方便又可靠。其基本原理是：在裝藥中設(shè)置兩個電極對，一作起爆元件，一作傳感元件。炸藥爆炸后，爆轟氣體的電離作用使原來絕緣的觸點接通．從而使與之相接的電路輸出一個觸發(fā)脈沖給控制儀器，球隙開關(guān)在預(yù)置延遲時刻依次放電，完成動態(tài)現(xiàn)象的記錄過程。爆源為二硝基重氮酚(DDNP)或疊氮化鉛(PbN6)。而PbN6具有更好的響應(yīng)，能保證更高的起爆精度和延遲控制精度。三、動態(tài)光彈性資料分析在動態(tài)光彈性實驗中，雖然拍等傾線困難，但可得到一系列不同時刻的等差線條紋圖。要確定模型平面內(nèi)任意點在某個瞬時的應(yīng)力大小和方向，需要確定等差線條紋的級次和將兩個主應(yīng)力分離。這種情況在靜態(tài)情況下較為容易，而在動態(tài)情況下至今尚沒有一個統(tǒng)一的準(zhǔn)則和方法。這里簡單介紹這方面的研究情況。(一)等差條紋級次的判別在一物體內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)是單值的，且應(yīng)力和應(yīng)變都是連續(xù)變化的。因此，不同級次的等差線不能相交，相鄰等差條紋的級次只能連續(xù)變化，而不能跳躍，并且等差線只能終止于圖形邊界或形成封閉曲線。這便是等差線條紋級次判別的基本準(zhǔn)則。目前。條紋級次的判別方法主要有以下幾種：(1)運用兩種波長不同的單色光作為光源，由所得到的條紋位置差來定級數(shù)。(2)用彩色照片的色序黃、紅、綠，或單色光加光學(xué)濾波處理產(chǎn)生色序的方法來確定條紋遞增的方向，從而判別條紋級次。(3)光載波法。通過光學(xué)調(diào)制使干涉條紋規(guī)范化，將所需獲得的力學(xué)信息轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一且可測定的信息——載波條紋的偏移量。爆炸荷載作用下模型平面內(nèi)傳播的應(yīng)力波可分為兩類，一是速度較大的膨脹波(P波)，一是波速較小的畸變波(S波)。應(yīng)力波在傳播過程中，應(yīng)力值的分布是連續(xù)的，在某一時刻和某一位置對應(yīng)著單值應(yīng)力。爆炸應(yīng)力波的徑向和切向分量隨徑向距離呈正弦曲線形式分布，并且P波對應(yīng)的條紋級數(shù)也呈類似的分布狀態(tài)。圖11—14是爆炸荷載作用下應(yīng)力波傳播的動光彈照片。P波分布是一組以炮眼為中心的同心圓。最外一圈為0級／0．5級(暗場／明場)，視為P波波前。由此向內(nèi)每圈條紋級數(shù)依次增加一級。每一個峰值(壓縮脈沖)對應(yīng)著一條比其內(nèi)外條紋都粗的條紋。然后，每圈條紋級數(shù)依次減少一級，減到零以后繼續(xù)向內(nèi)時條紋級數(shù)要記負(fù)號，此時則對應(yīng)著P波的拉伸脈沖。若再遇到一個比內(nèi)、外條紋都粗的條紋，則為第二個峰值條紋(負(fù)極值)，然后條紋級數(shù)又上升。在P波波尾應(yīng)力場較低，條紋稀疏，且與畸變波相連，因此第二個峰值條紋一般不易確定。(二)主應(yīng)力分離在二維動態(tài)光彈性實驗中，一般只記錄等差條紋。當(dāng)確定其條紋級數(shù)后，由應(yīng)力光學(xué)定律可確定主應(yīng)力差d。一o2。但由此還不能惟一地確定口，和一只有在某些特殊情況下，利用邊界條件和應(yīng)力波的特殊方式，才能直接根據(jù)條紋級數(shù)計算應(yīng)力。下面是一些特殊情況下的應(yīng)力值與條紋級數(shù)的關(guān)系：在自由邊界條件下：(11-24)在剛性邊界條件下：(11-25)在軸對稱膨脹波條件下：(11-26)在平面膨脹波條件下：(11-27)在平面剪切波條件下：(11-28)在一般二維剪切波條件下：(11-29)上面介紹的幾種情況是利用應(yīng)力波傳播的特征，提供關(guān)于動態(tài)光彈性的附加信息來分離主應(yīng)力。但這些都不適用于一般的情形。在對實際問題的研究中，通常要利用一些輔助方法或混合方法來分解主應(yīng)力。如采用斜入射方法、光彈與云紋相結(jié)合的方法、光彈與白光散斑法相結(jié)合的方法、全息光彈性法以及與邊界元相結(jié)合的方法來確定位移場和應(yīng)力場的分布規(guī)律。第六節(jié)動云紋動云紋法檢測巖石爆破應(yīng)變場，是新發(fā)展的巖石爆破動力學(xué)試驗方法。根據(jù)試件材料的特性，采用干涉云紋法或反射云紋法，可適用于各種試驗?zāi)Ｐ?。其顯著特點是所測應(yīng)變不是局部小面積上的平均應(yīng)變，而是試件在應(yīng)力波作用下的應(yīng)變場信息。應(yīng)用動云紋方法測量的全場和連續(xù)動載應(yīng)變信息，對于研究材料的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變特性及應(yīng)變場的分布特征具有十分重要的意義。一、密棚云紋法將印有密集平行線條的兩塊透明板(密棚板)重疊起來，對著亮的背景去看，就會有明暗相間的條紋出現(xiàn)，稱之為“云紋”。在試件表面上制作一組棚線即“試件棚”，它與試件一起變形，在其上重疊一塊拷貝有棚線的玻璃板，由于光的干涉作用便產(chǎn)生了云紋。這塊玻璃板稱為“基準(zhǔn)棚”或“分析棚”。試件受力作用發(fā)生變形時，試件棚線的間距(節(jié)距)將發(fā)生變化，云紋也隨之增加或減少，傾斜或彎曲。因為云紋的分布與試件的變形情況有定量的幾何關(guān)系，由此可推算出試件各處的應(yīng)變值。(一)平行云紋試件變形前，使基準(zhǔn)棚與試件棚的線條保持平行，加載變形后，所得云紋圖像稱“平行云紋”。圖ll—15為均勻變形時的平行云紋圖。在非均勻變形時，試件棚線要發(fā)生轉(zhuǎn)動和彎曲，云紋將不是平行于棚線，但這種云紋圖形統(tǒng)稱為平行云紋。對于平行云紋，其應(yīng)變計算式為(11-31)式中p——節(jié)距(試件柵線的間距)；f——云紋間距。實驗中，若采用50線／mm的柵板，則節(jié)距p=0．02min，由式(11—31)計’算，當(dāng)廠=5mm時，=4×103。(二)轉(zhuǎn)角云紋在試件變形前，基準(zhǔn)柵轉(zhuǎn)動一定角度后與試件柵重疊，所得到的云紋圖像稱作轉(zhuǎn)角云紋。當(dāng)基準(zhǔn)柵節(jié)距和變形前試件柵節(jié)距相等時，云紋基本上垂直于柵線。如圖ll一16所示。變形后若是均勻場，云紋呈傾斜狀；若是非均勻場，云紋將出現(xiàn)傾斜、彎曲、疏密不均等現(xiàn)象。這種圖像稱作轉(zhuǎn)角云紋。兩組節(jié)距相等的柵線斜交一角度臼，一塊柵板的黑線穿過另一柵板的白線，光線被擋，形成了云紋的黑帶。而在黑線穿過另一柵板黑線的地方，由于白線不受遮擋，形成云紋的亮帶，即在透光多和透光少的地方形成了明暗相間的云紋。圖11—17是轉(zhuǎn)角云紋相鄰兩柵線變形時的幾何圖形。對于轉(zhuǎn)角云紋，其應(yīng)變可由下式計算：(11-32)若初始狀態(tài)下試件柵和基準(zhǔn)柵的節(jié)距相等即戶=po，則有(11-33)式中——基準(zhǔn)柵線與云紋的夾角；——基準(zhǔn)柵線與變形后試件柵之間的夾角。測量時規(guī)定，基準(zhǔn)柵相對試件柵作逆時針轉(zhuǎn)動時，角為正；順時針時，角為負(fù)：對角的規(guī)定相同。P為試件柵變形前兩相鄰柵線的節(jié)距，p是基準(zhǔn)柵兩相鄰柵線的節(jié)距，痧’是變形后試件柵的柵線節(jié)距。在實際應(yīng)用中角要小，否則會引起較大的誤差。當(dāng)試件的應(yīng)變量較大時，宜用平行云紋；當(dāng)試件的應(yīng)變量較小時，宜用轉(zhuǎn)角云紋。二、位移場法測定云紋的應(yīng)變場圖ll一18表示懸臂梁在某時刻受彎曲時的云紋圖。圖ll—19表示U場等位移線云紋圖。取垂直于基準(zhǔn)柵線方向為x軸方向，：和。分別為沿x和y坐標(biāo)軸方向的云紋間距，圖中兩條相鄰的n級和(n+1)級云紋上各點的U位移分量分別為和變化量為p，則△“=p，條紋間在x軸和y軸方向的距離為(11-34)由此可求出位移沿各坐標(biāo)方向的平均變化量(11-35)其極限值為(11-36)同理．可得到：(11-37)根據(jù)彈性理論，在小變形情況下，由式(11—36)、式(11—37)可求出相應(yīng)的應(yīng)變值：(11-38)(11-38)在由位移場確定應(yīng)變場信息時，通常可采用作圖微分法、十字間距法或插值法來求應(yīng)變值，、三、爆炸應(yīng)力場的動云紋法測量