APX-RS型高速相机在爆破方面的应用.pdf

第2 7 卷第2 期爆破 V o l 2 7N o 2 2 0 1 0 年6 月 B L A S T I N G J u n ．2 0 1 0 _ _ _ _ _ _ _ l ●●_ _ - - l _ - _ _ _ ●_ l l l ●l - ●I - - l - - l I I _ _ l - _ l - I _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ ●l _ - ●●l - - ●_ - _ l l l _ - _ ●●●●●l _ I D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 2 ．0 2 3 A P X ．R S 型高速相机在爆破方面的应用 李显寅，郭学彬，蒲传金，肖定军 西南科技大学环境学院，四川绵阳6 2 1 0 0 2 摘要简述了A P X ．R S 型数字式高速相机主要性能特点。通过导爆管传爆过程的高速摄影观测、模型爆 破层间充填d ．i g 动过程的高速摄影和炸药水中爆炸过程的高速摄影等实验，介绍了A P X R S 型数字式高速 相机在爆破器材爆轰过程、爆破产物运动过程、水中爆腔发展过程等爆破方面观测研究方面的应用情况，并 提出A P X ．R S 型高速相机应用的技术措施。应用结果表明该相机是目前进行爆破方面高速观测较理想的相 机。 关键词高速相机；爆轰过程；爆破过程；水中爆破 中图分类号0 3 8 4文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X { 2 0 1 0 } 0 2 0 0 8 4 0 4 P e r f o r m a n c e so fA P X - R SH i g h - s p e e dC a m e r a a n di t sA p p l i c a t i o ni nB l a s t i n g L ／X i a n - y i n ，G U OX u e b i n ，P UC h u a n - j i n ，X I A OD i n g - j u n S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dR e s o u r c e ，S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h em a i np e r f o r m a n c e so ft h eA P X - R Sh i s h s p e e dc a l n e r ai sd e s c r i b e d ．A c c o r d i n gt oo b s e r v a t i o no f h i g h ．s p e e dc a l n e l me x p e r i m e n t so ft h ed e t o n a t i o np r o p a g a t i n gi nN o n e lt u b e ，t h em o t i o no fi n t e r l a y e rf r l l s o i lo fr o c k m a s sa n dt h ee x p l o s i o np r o c e s s e so fu n d e r w a t e re x p l o s i o ne t e ，t h ea p l i c a t i o n so fA P X R Sh i s h s p e e dc a m e r ai nb i a s r i n g ，s u c ha St h ed e t o n a t i o np r o c e s s ，t h em o v e m e n to fe x p l o s i o np r o d u c t sa n dt h ed e v e l o p m e n to fu n d e r w a t e re x p l o s i o n c a v i t ye t c ．w e r ei n t r o d u c e da n dt h et e c h n i c a lI n e a s u r e sW a Sp r o p o s e d ．T h eI B s l l l to fa p p l i c a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e A P X ．R Sh i g h ．s p e e dc a l T l e r ai st h eb e t t e rc a m e r af o rh i 【g h - s p e e do b s e r v a t i o n ． K e yw o r d s h i g h ．s p e e dc a m e r a ；d e t o n a t i o np r o c e s s ；e x p l o s i o np r o c e s s e s ；u n d e r w a t e re x p l o s i o n 0引言 利用高速相机进行爆破测试的主要内容包括炸 药、导爆管、导爆索等爆破器材的爆轰过程观测，爆 破破坏过程、爆破鼓包运动、建筑物倒塌过程等爆破 实验或现场爆破观测，以及爆破作用的其他方面观 测。其中爆破器材的爆轰过程需要每秒数万幅至数 百万幅的拍摄频率，爆破鼓包运动和建筑物倒塌等 收稿日期2 0 0 9 1 0 2 9 作者简介李显寅 1 9 6 4 一 ．男。副教授，从事采矿工程研究，E - m a i l l i x y s w u s t ．e d u ．c n o 观测一般需要每秒数百幅至数千幅的拍摄频率，所 以爆破方面的高速摄影内容较多，条件较复杂，频率 范围较广。 长期以来，常采用间歇式和光学补偿式高速相 机拍摄土石方爆破鼓包运动，采用转镜式高速相机 拍摄各类爆破器材的爆轰过程。这些相机都采用胶 片记录，都有驱动胶片或转镜运动的机械装置，相机 的体积和重量较大，而且需要冲洗胶片的整套设备。 其中胶片运动式的间歇式和光学补偿式高速相机的 胶片浪费较大，胶片静止式的转镜式相机需要严格 的同步装置和高压雷管。采用上述相机进行爆破方 万方数据 第2 7 卷第2 期李显寅，郭学彬，蒲传金，等A P X - R S 型高速相机在爆破方面的应用 8 5 面的测试，特别是在现场测试，由于环境条件较差， 搬运和安装都不方便，使高速摄影技术在爆破方面 的应用受到一定程度的影响。 随着电子技术的发展，近年出现了数字式高速 相机。数字式相机最突出的优点是体积小、重量轻、 拍摄时间较长容易满足同步要求、图像保存和处理 方便。A P X ，R S 型高速相机是目前性能较好的数字 式高速相机。该相机摄影频率范围宽，从每秒数十 幅至每秒2 5 万幅，不但可以满足现场爆破鼓包运动 和建筑物倒塌过程等观测，还可进行部分爆破器材 如导爆管等 爆轰过程的摄影观测。利用U h i m a A P X R S 型相机进行拍摄后，拍摄图片信息暂存于 高速相机中，通过安装在笔记本电脑上的专用软件 对拍摄的图片进行储存。介绍高速相机的类型特 点，A P X R S 型相机的性能特点及其在爆破领域的 应用情况。 1 A P X R S 型高速相机的主要性能 1 有彩色和黑白2 种工作模式。彩色相机的 色彩度好，信息量更丰富；黑白相机的感光度更好。 2 采用P h o t r o n 领先的互补金属氧化物半导体 [ C M O S ] 传感器技术，感光性好、分辨率高。 3 拍摄速度高，最高可达2 5 00 0 0f p s ，在目前的 数字式高速相机中摄影频率是最高的 数字式超高 速相机除外 。 4 采用电子快门，最快可达l 斗s ，有利于消除 动态像移，获得清晰的图像。 5 具有“重点关注区域”功能，能够根据观察对 像的运动状态和观测范围确定画幅的长宽比例而获 得最好的象素和分辨率，有效地利用画幅空间。 6 体积小，重量轻。主机高1 5 8 ．6m l n 宽 1 3 1 ．4m m 长2 8 9 ．2m m ，重量4 ．9k g ；利用三脚架 安装，携带和安装方便，特别适用于爆破现场的高速 摄影观测。图1 为主机图片。 图1A P X - R S 型数字式高速相机主机照片 7 可配备标准镜头、中距离变焦镜头、远距离 变焦镜头等不同镜头，以适应不同距离的拍摄。 8 能够经受高达1 0 0g 的振动冲击，抗图象浮 散能力出色。 9 配制P F v P h o t o mF a s t c a mV i e w e r 控制软 件，具有适应性强的同步装置，能方便地与各类电测 系统或起爆系统实现同步；有8G 的内存容量，在常 用幅频条件下有2 6s 的时间记录范围，适用于爆 破过程观测实验需要记录时间较长的特点；利用预 置触功能，还可以满足人工同步操作要求。 由此可见该机是摄影频率较高、性能较好、使用 方便，适合爆破过程高速摄影观测。 2 A P X - R S 型高速相机在爆破观测中 的应用 由于A P X R S 型相机具有上述突出的优点，目 前已在各领域取获得了成功的应用。例如王建等人 用A P X ．R S 型相机进行了1 1 的氢氧混合气体爆轰 过程的高速摄影实验，得到了混合气体火焰和前驱 冲击波的产生、成长和爆轰波形成过程的高速摄影 图像u 刮；赵继波等用A P X ．R S 型相机对出炮 枪 口速度分别为14 0 0m ／s 、7 0 0 8 0 0m ／s 和不高于 1 0 0m ／s 的弹珠和弹托分离过程、步枪子弹射击苹 果的状态和大质量弹体飞行姿态进行了成功的拍 摄口J 。下面介绍A P X ．R S 型相机在爆破方面的应用 情况。 2 ．1 爆破器材爆轰过程的高速摄影观测 以普通导爆管和民用岩石炸药爆轰过程的高速 摄影观测为例，说明A P X R S 型相机在爆破器材爆 轰过程观测方面的应用情况。 2 ．1 ．1 导爆管爆轰过程的高速观测 利用A P X ．R S 型相机对某化工厂的外径西3 ．0 4 - 0 ．1r n n l ，内径西1 ．44 - 0 ．1i l l ／n 的导爆管进行了爆 管的传爆过程进行观测，情况如下 1 采用2 00 0 0f p s 摄影频率，拍摄到正常导爆管 爆轰过程的照片如图2 所示，由图可以清晰地观察到 反应区头部的弧形冲击波作用前沿、化学反应区状态 和反应区后管内爆轰气体余光等币要爆轰信息。 图2 正常导爆管爆轰过程的高速摄影照片 2 进行了爆轰波通过导爆管断药段的传爆过 程观测，分析断药后导爆管传爆速度的变化情 况⋯。拍摄爆轰波从正常导爆管传播到断药段中 冲击波的衰减过程和进入正常导爆管中重新的起爆 万方数据 爆破2 0 1 0 年6 月 过程见图3 所示。通过不同长度断药段的导爆管爆管正常传爆的最大断药长度是为1 8 1 9c m 。 轰过程的观测和统计分析，得到能维持该产品导爆 图3 导爆管断药段传爆过程的高速摄影图像 3 进行了爆轰波通过导爆管存在穿孔、切缝等 缺陷时的传爆过程观测，获得反应区爆轰气体侧向 喷射的情况，因篇幅限制，在此不赘述。 2 ．1 ．2 岩石炸药爆轰过程的高速摄影观测 被测炸药为2 ’岩石炸药，药包直径3 2m m ，长度 2 0c m ，装药密度0 ．9g ／c m 3 ，采用1 个8 。雷管正向起 爆。A P X - R S 型相机镜头轴线与药包长度方向垂 直，相距1 8m ，拍摄频率为1 0 万f p s ，利用相机具有 的“重点关注区域”功能，将拍摄图幅调整为与炸药 传爆方向一致的条形状。为了防止炸药爆炸产生的 空气冲击波对相机造成损伤作用，在药包与相机之 间靠近相机处安装防弹玻璃。高速摄影图像效果如 图4 所示，测得的炸药爆轰过程中速度变化情况如 表1 所示。 图4 炸药爆轰过程的高速摄影图像 表1高速摄影测试的炸药爆轰速度 由图和表可见，A P X ．R S 型相机能够满足民用 炸药爆轰过程的高速摄影观测，实验操作方便，高速 摄影的图像清晰，测试效果好。 2 ．2 爆破产物运动过程的高速观测 根据A P X ．R S 型相机摄影频率范围等恨不能参 数，对于爆破产物的运动过程如鼓包运动、建筑物爆 破倒塌等能进行顺利拍摄。下面以含顺倾软弱夹层 在爆破作用下运动过程的高速摄影为例，说明该相 机在观测爆破产物运动过程方面的应用。 肖定军等对用A P X ．R S 型相机进行模型爆破层 间充填土运动过程的高速摄影方法研究，提出合理 的摄影频率为2 3 万f p s 。张继春等采用A P X R S 型相机进行了模型爆破层间充填土运动规律的实验 研究，获得层间充填土运动速度由每秒数百米衰减 至数十米的变化过程，进而分析不同炮孔装药量、夹 层厚度、夹层土含水率和最小抵抗线条件下夹层土 的运动特征及其变化规律”引。 2 ．3 水中炸药爆腔发展过程的高速摄影观测 将5g 乳化炸药包放入高6 1c m 、宽6 2c m 、长 8 2c n l 的水箱中2 ／3 深处用电雷管起爆。为了拍摄 水中炸药爆腔发展过程，在炸药正上方安装倾角为 4 5 0 的反光镜，以便将炸药在水中爆炸成腔的图像反 万方数据 第2 7 卷第2 期李显寅，郭学彬，蒲传金，等A P X ．R S 型高速相机在爆破方面的应用 8 7 射到水平放置的高速相机镜头。照明光源安装在水 箱上方，由于炸药爆炸反应产生的强光瞬间即逝，爆 腔扩展过程中已经没有爆炸光源，照明光源通过水 介质后，水中爆腔图像微弱，而高速摄影需要强光 源。为了解决此问题，在水箱底部安装1 个反射镜 反射照明光源。 采用高速摄影拍摄频率为5 万f p s 拍摄的水中 爆腔发展过程的高速摄影效果如图5 所示。 图5 水中炸药爆腔发展过程的高速摄影观测图像 由图5 可以清楚地看出炸药水中爆炸时的水中 爆腔发展过程。 验效果较好，可以满足大部分爆破条件下的高速摄 影试验。 3 A P X ．R S 型高速相机应用的技术措施4结论 爆破过程高速摄影观测试的种类繁多，条件各 不相同，应根据过程的变化速率、光照情况、观测对 像是否发光、光线传播煤介的透光强度等合理选择 拍摄频率、光源类型等。 1 随着摄影频率的增加，要求光源强度相应增 加。当摄影频率达到3 万f p s 以上时，需要很强的 照明光源。可采用的方法有采用强光源照明、在摄 影对象涂上良好的反光材料使其反射强光、采用背 景光源拍摄对象的暗影图像等。 2 光源的照明时间。A P X R S 型高速相机的记 录时间达2s 以上，特别适合爆破介质的运动过程 拍摄，相应地可选择光强稳定的持续发光的光源。 3 虽然A P X R S 型高速相机最快拍摄速度可以 达到2 5 00 0 0f p s ，但随着摄影频率的增加，分辨率相 应降低，例如在3o o of p s 、1 00 0 0 f p s 、1 50 0 0f p s 和 2 5 00 0 0f p s 的拍摄速度下分辨率分别为1 0 2 4 x 1 0 2 4 的全画幅分辨率、5 1 2 5 1 2 或者1 0 2 4 2 5 6 、3 8 4 3 8 4 和1 2 8 1 6 的分辨率。为了充分利用摄影频 率高时的画幅空间，应合理地利用该相机的“重点 关注区域”功能，以便根据观察对像的运动状态和 观测范围确定画幅的长宽比例而获得最好的象素和 分辨率。 随着摄影频率的增加，对照明光源强度要求增 高。对于摄影频率在每秒十万幅以下时高速摄影试 爆破实验内容广泛，从建筑物的爆破倾倒、爆破 鼓包运动、爆破器材的爆轰波传播等，要求高速相机 的摄影频率范围要宽；爆破条件复杂，特别是现场环 境艰苦，要求实验仪器体积较小重量较轻。A P X ．R S 型高速相机可以满足大部分爆破条件下摄影频率范 围的要求，而且积小重量轻，感光性好、分辨率高、图 像清晰，容易实现同步，使用方便。是目前适用于爆 破方面高速观测的较好的一种相机。 参考文献 [ 1 ] 孟吉复，惠鸿斌．爆破测试技术[ J ] ．冶金工业出版社， 1 9 9 2 r E 2 5 3 - 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