1、光学应变测量系统在工程爆破技术中的应用 

　　工程爆破技术经过多年研究发展，为中国的铁路建设、矿山开采、岩土工程、城镇拆旧定向爆破等做出了重要贡献。如何更准确地控制其爆破范围、效果、速度是工程项目中一大难点，需要利用更有效的研究方法才能深入研究控制其爆破技术和工程应用。 

　　中国矿业大学科研老师，采用千眼狼光学应变测量系统搭建导爆管爆速测量系统，实现图像预处理、爆轰波头搜索与相关性匹配和爆速计算等功能，为实验研究提供一种工程爆破可视化、实时观察、测量分析的新方法。系统通过高速摄像仪采集爆破过程，观察爆破瞬间实验演化机理，运用数据图像算法计算爆破速度和成长区间，研究导爆管传爆特性，并将研究成果推广应用到其它爆破工程施工中。 

　　2、实验过程 

　　1/2.实验方法 

图1 导爆管爆速测量系统组成 

　　实验搭建了由导爆管绕线板、起爆qi、千眼狼光学应变测量系统组成的导爆管爆速测量系统，设计布置4.5m折返式绕线板，折返距离大于5cm，并将导爆管固定在绕线板上，如图2所示。 

图2  实验导爆管绕线板

　　基于数字图像相关性爆速测量流程如图3所示，主要包括以下几个步骤： 

　　(1)千眼狼光学应变测量系统高速采集； 

　　(2)系统图像预处理，将彩色图像转成灰度图像，并对灰度图像进行高斯滤波； 

　　(3)分别选定成长区和稳定区参考子区； 

　　(4)读取序列图像； 

　　(5)相关性匹配，搜索爆轰波头位置； 

　　(6)计算当前波速； 

　　(7)记录数据； 

　　(8)爆轰波是否达到终点。 

　　如果是，爆速计算完成，流程结束；否则，返回步骤(4)。 

图3  爆速计算流程图

　　2/2.导爆管爆速测量试验分析 

　　本次实验共进行3次试验，系统采集帧率设置为12500fps。3次试验结果具有相似性，因此实验分析仅列出其中一次试验图像。 

图4  传爆过程图像序列 

　　通过图4传播过程图像分析可知，导爆管内爆轰波在成长区和稳定区波头形态不同，第1~3帧波头形态相近，第4~32帧爆轰波波头形态相近，因此分别选取第1帧和第4帧为成长区和稳定区参考图像。在第1帧中以波头为中心点选取13×13参考子区，与第2、3帧进行相关性匹配，计算成长区爆速；在第4帧中以波头为中心点选取13×13参考子区，与余下图像进行相关性匹配，计算稳定爆速。图像中相邻两个导爆管固定栓之间相差约10个像素，物理距离为50mm，可知每个像素物理尺寸为5mm/pixel，采样时间为80μs，根据系统算法计算出爆速。 

图5  导爆管爆速-时间曲线图 

　　试验所用导爆管标称爆速为1700~1800 m/s，以达到1700m/s认为管内已形成稳定爆轰波。从图5可以看出，3次试验中爆轰波成长过程基本一致，0.4ms达到稳定爆速，随后爆速有一定程度波动，多数时间爆速稳定在1700~1800m/s之间，而数次处于1600~1700m/s之间，其中第1、2次试验有8次低于1700m/s，第3次试验有7次低于1700m/s。进一步观察图4发现，低爆速点恰好是爆轰波传播到绕线板的拐角处，通过拐角后爆速又上升到稳定爆速。 

图6  导爆管爆速-长度曲线

　　由于导爆管在拐角处都是直角弯，弯角处导爆管受到一定拉伸和挤压，使爆轰波速降低，这说明除涂覆zha药种类、温度等因素外，一定角度的弯折、拉伸也会影响导爆管爆速，因此在布置导爆管起爆系统时，要求避免导爆管打结，尤其是打死结。图6分析出随着导爆管长度增加爆速的变化情况，曲线形态与图5相近，0.4ms时达到稳定爆速，此时传播的导爆管长度为32~41cm。 

　　3/2.导爆管爆速测量试验分析 

　　将导爆管传爆过程图像转化为灰度图，完整爆轰波图像。图像灰度值的大小反应了该点温度的高低，根据灰度值大小和亮区宽度将爆轰波分为4个区域： 

图7 稳定完整爆轰波灰度图

　　Ⅰ区灰度值迅速增长，从45增长到200，亮区宽度也从0增长到最大值约7.5cm，长度约3.42cm，根据炸药爆轰理论，当温度达到最高时，炸药的化学反应已经基本完成。Ⅱ区灰度值稳定在200以上，且亮区宽度稳定在于7.5cm，由于导爆管内含有铝粉，此区域内铝粉进行二次反应，释放热量使产物温度下降缓慢，长度约15.58cm。Ⅲ区内虽灰度值仍维持在200以上，但宽度不断减小，从7.5cm减小到约2.5cm，表明只有少量铝粉参与反应，产物温度下降较快，长度约12.92cm。Ⅳ区灰度值和亮区宽度均不断变小，表明所有反应均已完成，产物膨胀降温，长度约1.05m；Ⅳ区以外产物温度较低，膨胀运动较弱，不计入爆轰波结构中。将炸药与铝粉反应区统称为有效反应区，其长度约31.92cm，与相关研究文献理论值相近。 

　　3、实验结果 

　　实验进行了折返式布置的导爆管起爆、传爆试验，应用千眼狼光学应变测量系统采集分析了管内爆轰波从成长到衰减的全过程图像，结合系统算法对图像进行了滤波、爆轰波头相关匹配定位波头坐标换算等处理，完成了爆轰波速和成长区间测量。实验结果表明导爆管稳定爆速为1700~1800m/s，在直角拐弯处降至1600~1700m/s，成长区间为32~41cm。除温度和管内装药参数外，布置形式也影响导爆管爆速，在工程应用中应尽量避免导爆管直角弯折或打结。实验中采用折返式布线方式布置了4.5m导爆管，观测到了管内爆轰波全长，有效反应区长度为31.92cm，产物膨胀区总长为1.05m。 

　　4、总结 

　　千眼狼光学应变测量系统为工程项目实验研究提供了一种有效研究方法，通过非接触式、可视化精度测量，分析研究实验演变机理，助力科研人员解决极限爆破等实验难题，为工程技术研究提供更可靠的科学测量分析技术。