导爆索爆速光电测试方法及装置

摘要

本发明导爆索爆速光电测试方法及装置，其特点是至少有两根以一定的距离插装在导爆索上的多模光纤探针，光纤耦合连接器、PIN集成光电探测器、电源、FPGA高速数据采集模块和液晶显示屏；由探针采集的光信号在时间上的前后关系，使用一个PIN集成光电探测器进行分时处理，并将多个探针的光信号转变为脉冲电信号输送到FPGA高速数据采集模块，对输入脉冲电信号进行采样、计算处理、控制、缓存，并将多个探针中每两个探针的距离、所测时间经计算处理并求得平均速度，将导爆索爆速等有关数据传输到液晶显示屏上并予以显示，具有测试精度高，抗干扰能力强，体积小，操作简单等优点。

说明书

技术领域

本发明属于机械电子领域，主要涉及导爆索爆速测试技术，具体地说是一种基于多模光纤探针的导爆索爆速光电测试方法及装置。

背景技术

导爆索是以炸药为药芯，将防湿剂涂在表面而制成，又称传爆线，是以一定爆速传递爆轰波的工业火工品，是可靠的非电起爆器材，适合于起爆作业。当导爆索端部的炸药芯受到一定强度的爆炸冲击能刺激时，即被引爆，爆轰以一定的速度沿着药芯传播，当到达末端时，爆轰完毕，输出一定强度的冲击波，用以引爆其它炸药。导爆索爆炸时爆轰波传播的速度称为爆速，平均爆速大于6500m/s。在所有爆轰参数中，导爆索的爆速是最重要的参数，因为装药条件一定时，炸药爆速的大小基本上可以反映炸药能量的大小；炸药对周围介质的粉碎能力主要取决于它的爆速；知道了炸药的爆速，使可以求出爆轰波的其它参数。由于产品的特殊性，每批次的导爆索都需要进行爆速测量。

目前，导爆索爆速的测定方法有导线探针法和光电法等。导线探针法的基本原理是用电子计时仪直接记录爆轰波经过距离已知两点的时间间隔，根据这个时间间隔，计算出两点间的平均爆速。电子计时仪一船是由门控单元、时标检查单元、计数器单元、显示选通单元和电源变换等单元组成。有单通道的也有多通道的。一般选用测量精度为0.1μs晶振，基本满足所需的时间测量范围，但精度难以保证。导线探针可用0.1-0.3mm的漆包线两根绞在一起制成。测试时在导爆索上选定两点，各插入一对探针，开始是断开的，当炸药爆炸时产生的爆轰波依次到达这两点时。由于高温高压的爆轰产物的作用，使这一对探针导通，产生电信号，经过整形、处理后，根据公式距离除以时间，即可得到速度。国内已有多种型号基于此原理的爆速仪。如ZB—601型智能爆速仪，BSZ 1型智能单段爆速仪，KG8601型爆速仪，BSW 3智能五段爆速仪等。此类仪器需要较高的直流或交流供电，体积较大，重量重；另外由于爆速很快，一般都大于6500m/s，爆炸产生的电脉冲小于0.1μs，野外试验的传输电缆都比较长，电缆的分布电容、电感等对传输的脉冲电信号波形衰减影响越大，极大地影响测试结果的精度。此外，野外试验现场环境恶劣，电磁干扰严重，容易造成误操作，急需改进。

各种光电器件的快速发展为各种恶劣环境下参数测试提供新的技术手段。由于光电测试方法抗电磁干扰强，质量轻，速度快，性能可靠，受到越来越多的专业人士的青睐。如英国2002颁布的导爆索最新测试标准BS EN13630-11：2002中增加了用光电检测法对导爆索爆速进行测试的描述。国内导爆索测试标准GB/T13228-91也指出可以光电检测方法对导爆索爆速进行测试。

中国专利公开号：CN2123753U公开了一种计时法炸药爆速检测仪，提出用光纤的光测法，但是信号处理电路四路并行电路，元器件采用分离器件，可靠性低，体积较大。从公开发表文献来看，国内外都有关于探针法进行爆速测量的报道，也有用光纤进行爆速测试研究的，但其结构都比较复杂，仅适于在实验室里应用。如：2000年发表在《火工品》上“光纤在燃速及爆速测试中的应用”一文对光纤用于烟火药的燃速和火工品的爆速进行了研究，由于受信号幅度以及光电探测器灵敏度的影响，方法中需对电信号进行放大，系统采用多根并联方式比较复杂，而且显示器件采用存储示波器，完全是实验室装备，不便拿到野外可靠使用，更无法产业化。2001年发表在《飞行器测控学报》上“光纤传感器及其在常规兵器试验中的应用”中报道了国外直径为1mm的有机玻璃光纤上打多个0.2mm洞进行爆速测试的内容，其光纤探针加工工艺比较复杂，而且整个探针要深入到炸药柱中，对于长条形的导爆索野外试验，有一定难度。

发明内容

本发明的目的是针对上述各种现有技术的缺点和不足，提出一种测试精度高，抗干扰能力强，体积小，操作简单，应用范围广，基于光纤探针的便携式导爆索光电爆速测试方法及装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

导爆索爆速光电测试方法，采用探针以一定的距离插装在导爆索上，其特征在于：所述探针为多模光纤探针，采用N根多模光纤探针，其中N≥2，将N根多模光纤连接到多光纤耦合连接器中，并将N根多模光纤的光信号耦合到一根输出光纤中，既多光纤耦合连接器有N个输入端口与N根多模光纤连接，只有一个输出端口与一个PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输入端连接，光电探测器将导爆索爆炸产生所产生的光信号，通过N个多模光纤探针依次进行收集，并在多模光纤芯内通过全反射传输到多光纤耦合连接器，由N个多模光纤探针所采集的光信号在时间上都具有前后关系，使用一个PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器进行分时处理，并将N个多模光纤探针的光信号转变为脉冲电信号输送到FPGA高速数据采集模块；FPGA高速数据采集模块对输入脉冲电信号进行采样、计算处理、控制、缓存，并将N个多模光纤探针，每两个多模光纤探针的距离、所测时间经计算处理并求得平均速度，FPGA高速数据采集模块将导爆索爆速等有关数据传输到液晶显示屏上，并予以显示。

导爆索爆速光电测试装置，包括探针，其特征是：还包括多光纤耦合连接器3、一个PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器4、电源5、FPGA高速数据采集模块6和液晶显示屏7；所述的探针为多模光纤，并且至少有两根多模光纤探针2a、2b，所述的多模光纤探针以一定的距离插装在导爆索上，所述的多模光纤探针连接一个多光纤耦合连接器，多光纤耦合连接器通过带尾光纤连接到一个PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输入端，PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器4的输出端由电缆连接至FPGA高速数据采集模块的输入接口，PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输入端由电缆连接液晶显示屏；所述的电源为充电电池，电源给PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器、FPGA高速数据采集模块和液晶显示屏供电。

本发明与现有技术相比较，使用一个光电探测器就可以对多路光纤的信号进行采集测试，这是导线探针法所不可能具有的特点，还具有测试精度高，抗干扰能力强，体积小，重量轻，操作简单，应用范围广等优点，即可对各种导爆索爆速如塑料导爆索，油井导爆所，导爆管进行测试，也可以对各种炸药爆速进行测试，可广泛用于各种民用、工业爆破领域，具有推广价值，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明导爆索爆速光电测试装置的结构示意图；

图2为光纤传光原理图；

图3为多光纤耦合连接器；

图4为FPGA处流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明导爆索爆速光电测试装置，包括两(N)根用多模光纤所制作的多模光纤探针(N≥2，本说明的典型例子是以两个多模光纤探针2a、2b为例)、多光纤耦合连接器3、PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器4、电源5、FPGA高速数据采集模块6和液晶显示屏7。所述多模光纤探针2a、2b以一定的距离插装在导爆索1上，所述两(N)个多模光纤探针同时连接在一个多光纤耦合连接器，多光纤耦合连接器通过带尾光纤连接到PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输入端，PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输出端由电缆连接至FPGA高速数据采集模块的输入接口，PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输入端由电缆连接液晶显示屏。所述电源为充电电池，电源给PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器、FPGA高速数据采集模块和液晶显示屏供电，可连续工作72小时。

本发明便携式光纤导爆索爆速测试装置的工作原理：

1、首先将多模光纤探针安装在导爆索1上，所述多模光纤探针2a、2b以一定的距离插装在导爆索上。在实际操作时，先用直径为0.1mm的钢针在导爆索1上相距一米的地方各扎一个小孔；再将多模光纤2a、2b头部用光纤钳切断，处理好后插入到导爆索内扎好的的孔中，最后滴少量502胶于小孔处，予以固定。另一端连接到测试装置的后仪器面板上。

2、便携式光纤导爆索爆速测试装置上电后，启动导爆索，导爆索爆炸产生所产生的光信号，通过各个多模光纤探针依次进行收集，并在多模光纤芯内通过全反射传输到多光纤耦合连接器；由于各个多模光纤探针所采集的两个光信号在时间上的具有前后关系，使用一个PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器可以分时探测，将各个多模光纤探针的光信号转变为脉冲电信号输送到FPGA高速数据采集模块(FPGA高速数据采集模块的晶振频率为100MHz)；

3、FPGA高速数据采集模块对输入脉冲电信号采样、计算处理、控制、缓存，并将多模光纤探针的距离、采样时间、所测和经计算处理的导爆索爆速等有关数据传输到液晶显示屏上，并予以显示。

本发明便携式光纤导爆索爆速测试装置中各个部分的配置、功能和作用分别描述如下：

1、导爆索1是以猛炸药为药芯，将防湿剂涂在表面而制成，又称传爆线，是以一定爆速传递爆轰波的工业火工品，是可靠的非电起爆器材，适合于起爆作业。普通导爆索爆炸时爆轰速度快、爆温高，适用于一般露天和无沼气、煤尘爆炸危险等爆破作业场所。而经特殊设计的煤矿用型导爆索则可用于煤矿井下的特殊爆破作业。常用于同时起爆多个装药，已经在矿山开采、油田开发、开凿隧道、筑路、兴修水利等爆破领域广泛应用。

2、多模光纤探针2a、2b是由高度透明的不同折射率的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯构成纤芯与包层拉制而成。它的作用是把爆炸产生的强光信号收集并传输到PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器。传光工作原理是基于光由低折射率的介质入射到高折射率的介质中时，由于发生全反射现象而沿着光纤内部远距离传输，如图2所示。

它的特点是制造成本低廉，重量轻，抗干扰能力强，无电磁辐射，保密性好，无延迟。其接头简单可靠，使用寿命长。多模光纤纤芯较粗、柔性好、易安装、易弯曲、易连接，不像石英光纤那样一定要专业人员才可以连接。多模光纤很容易加工与连接，连接用的工具较简单，一般人稍加熟悉一下就会使用了。连接用的耦合器也很便宜，一般市场上即可买得到。另外，多模光纤本身很轻，柔性好，很容易安装，不需要复杂的安装工艺及设备。与多模光纤相配套的器件及多模光纤本身造价都比石英光纤及配套器件便宜得多。

3、多光纤耦合连接器3是把光从多个光纤耦合到一根光纤中的元件，属光无源元件。光纤耦合连接器的制作方式则有微光学式、烧结、光波导式三种，而以烧结式方法生产占多数。烧结工艺是将2根或多根光纤的涂覆层去掉后，拧成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热便向两边拉伸，使得多根光纤融到一块形成中间细两边粗双锥状器件，再从中间截断，形成锥状的光纤器件。它的工作原理是：在锥状的粗端，随着光纤逐渐变细，原来在光纤芯径中传播的光进入到熔融的包层并向前传播。在中间的锥形区域，由于熔融到一起形成一根光纤，任一输入光纤的光可以传播耦合到任其它光纤，即发生了耦合，实现多路光信号的耦合.

本发明最简单的实现方式采用2×1的光纤耦合连接器，如图1中3所示，一端具有两个端口，另一端有一个端口。两个端口的一端分别与两根光纤连接，另一端与PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器连接。图3给出多输入，一个输出的耦合器。普通铜丝探针法，都是采用两路或多路平行的传输线路和信号处理电路，采用多光纤耦合连接器后，减少了多个平行传输线路和PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器，提高了可靠性，减少了干扰因素，对多点连续爆速测量极为有利。

4、PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器是本发明中的核心部件。它的一端带有标准插头跳线，非常方便与普通多模光纤连接，另一端直接耦合到光电探测器的光敏接收面上。

PIN集成光电探测器集成了高输入阻抗放大电路，具有极高的灵敏度。一般的光电仪器，多采用分离的一级或多级放大电路，往往带来了额外的噪声，直接影响测试结果。

固态光电倍增管探测器是一种新型高速光电器件。采用面阵排列，雪崩工作模式的APD雪崩二极管制作而成。每一个单元相当于一个微APD光敏单元，采用独特的沟槽技术将这些微光敏单元进行光学隔离，然后将所有的微APD单元输出被并联起来，输出信号反映了所有APD光敏单元的响应信号。这种产品架构设计，不仅具有传统光电倍增管灵敏度高、速度快等功能特性，同时还具有以下特点：工作电压低，对磁场不敏感，固体器件，结构紧促，尺寸小，适合多种环境使用，非常容易与闪烁体、光纤等进行耦合。

两种探测器均可采用耦合技术将光敏面与光纤连接，减小了光信号损失，缩小了仪器整个体积。

野外工作多在白天工作，采用峰值波长在840nm的探测器，消除了可见光的干扰。

5、充电电池供电是装置必不可少部分。目前已经大量推广使用的环保电池有金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池。

6、数据采集系统的微处理器采用现场可编程门阵列FPGA。FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展起来的。FPGA时钟频率高，内部延时小，运行速度快，全部控制逻辑由硬件完成。它本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通信于一个芯片内，编程配置灵活、开发周期短、系统简单，具有高集成度、体积小、低功耗、I/O端口多、在系统编程等优点。由于FPGA具有可编程性和实现方案容易改动等的特点，所以可以极大的降低系统开发成本和缩短开发周期，并易于实现系统的集成化。

FPGA通过AD变换器把PIN集成光电探测器或固态光电倍增管探测器的输出信号采集到FPGA处理器，处理后在液晶屏上。AD芯片采用AD9481是AD公司生产的8位模/数转换器，适用于高速低功耗的场合，最高工作速度为250 MSPS，具有很好的线性特性和动态性能。采用单一电源3.3V供电，在250MSPS工作时的功耗为439mW。

FPGA选用Altera公司的ACIX系列器件，Altera公司的FPGA具有布线能力强，延迟可预测等优点，适合于完成各类算法和组合逻辑。而且ACIX系列器件性价比高，传播延迟小，逻辑资源丰富，电路设计简单等特点使其特别适合用作逻辑控制电路控制，完全能满足系统的要求。

如图4所示。FPGA处理程序流程图为：

开机—系统自检—系统初始化输入S—采集数据—计算时间T—速度计算V＝S/T—存储—打印—结束。

其中：S表示探针2a与探针2b的距离(米)，T表示时间(秒)，V表示速度(米/秒)。

晶振选取100MHz，计时精度达到0.01μs，优于导爆索测试标准GB/T13228-91中的0.1μs。标准中题到测长相对误差不大于2％，测时相对误差不大于1％。取两个测试点之间距离为50mm，导爆索平均爆速为6500m/s。则两点之间的总时间为7.691μs。一般探针的计时精度为10MHz，即0.1μs，那么0.1/7.69>1％，计时精度达不到要求，而对100MHz晶振，计时精度达到0.01μs，0.01/7.69<1％，计时精度远高于标准要求。

7、输入显示模块采用触摸屏。