电子延时雷管的抗冲击计时研究.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．4 D e e ．2 0 l O 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 4 ．0 2 5 电子延时雷管的抗冲击计时研究宰 黄小亮，李世中，徐聪聪，郝建强 中北大学机电工程学院，太原0 3 0 0 5 1 摘要针对工程爆破中电子延时雷管易受爆破冲击波作用的影响，提出了强冲击条件下电子延时雷管高 精度计时起爆的原理和方法。采用一种将高精度的晶体振荡器与抗冲击的谐振振荡器结合起来的计时方 案，并进行部分模块组成及功能的分析，理论与实践表明该设计思路新颖，方案可行，可达到抗冲击计时起 爆。 关键词电子延时；冲击渡；高精度计时；振荡器 中图分类号T N 4 9 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X { 2 0 1 0 } 0 4 0 0 9 4 0 3 S t u d yo nI m p a c tR e s i s t a n c eT i m i n go fE l e c t r o n i cD e l a yD e t o n a t o r H U A N GX i a o l i a n g ，1 2S h i - z l w n g ，X UC o n g - c o n g ，H A O ．，洳一q ／a n g S c h o o lo fM e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g ，N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a ，T a i y u a n0 3 0 0 51 ，C h i n a A b s t r a c t F o c u so nt h ee l e c t r o n i cd e l a yd e t o n a t o ri n f l u e n c e de a s i l yb yb l a s ts h o c kw a v ei ne n g i n e e r i n gb l a s t i n g ， t h i sp a p e rp r o p o s e st h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fh i g hp r e c i s i o nt i m i n gd e t o n a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fs t r o n gi m - p a c t ．T h et i m i n gp r o g r a mo fc o m b i n i n gt h eh 曲a c c u r a t ec r y s t a lo s c i l l a t o rw i t ht h ei m p a c th a r m o n i co s c i l l a t o ri sa ． d o p t e d ，a n dt a k e st h ec o m p o s i t i o na n df u n c t i o na n a l y s i so ft h ep a r tm o d u l e s ．T h et h e o r ya n dp r a c t i c es h o w st h a tt h e d e s i g ni d e ai sn o v e l t y ，t h e 眈h e m ei sf e a s i b l ea n di tC a l la c h i e v et h ep u r p o s eo fi m p a c tr e s i s t a n c et i m i n gi m t i a t i o n ． K e yw o r d s e l e c t r o n i cd e l a y ；s h o c kw a v e ；h i g hp r e c i s i o nt i m i n g ；o s c i l l a t o r O 引言 工程爆破作业已成为开山辟路、矿山开采、城市 建筑物拆除以及应急泄洪等惯用的技术手段。目 前，工程所用的电子延时雷管产品已进入起爆器材 市场，并且国外发展技术更趋于成熟和实用化，在特 殊场合实施爆破作业时，仍依赖于国外爆破产品。 如我国于2 0 0 6 年6 月采用澳大利亚O r i c a 公司的 I - K o n T M 电子雷管起爆系统对三峡工程三期上游碾 压混凝土围堰进行了成功爆破拆除⋯。而国内的 电子雷管却因抗冲击性能差、精度不高等问题，迟迟 收稿日期2 0 1 0 0 4 2 9 作者简介黄小亮 1 9 8 4 一 ，男，硕士，主要从事目标、环境探测与识 别技术研究，E ．m a i l h x l o o y 1 6 3 ．锄。 基金项目太原市科技明星专项 0 9 1 2 1 0 0 5 无法大批量化生产。 针对工程爆破中电子延时雷管易受爆破冲击波 作用的影响，提出了强冲击条件下电子延时雷管高 精度计时起爆的原理和方法，为解决国内电子延时 雷管的诸多问题提供了新的思路，从而缩短产品进 入市场的周期。 1 抗冲击性计时分析 在大规模爆破中，延时起爆网路的可靠性、安全性 和延时精确性关系到爆破能否获得成功、爆破效果是 否达到预期目标等重要问题【2 J 。无论采用何种延时起 爆网路，其延期电雷管数量大，延时段数多，这就对爆 破网路中电子延时雷管的抗冲击性能提出了更高的要 求口】。由于爆破时爆轰波的冲击，使得每个炸点在爆 炸瞬间都会对邻近尚未爆炸的炸点带来强烈的冲击和 万方数据 第2 7 卷第4 期黄小亮，李世中，徐聪聪，等电子延时雷管的抗冲击计时研究 9 5 超压。据测量，在距离炸点2 0c m 处的振动加速度可 以达到几万到几十万g ，压力为3 0 ～7 0 胁。如果采 用的电子延时雷管抗冲击性能较差，稳定性不高，则 在大规模起爆网路起爆后，部分电子雷管在前段雷 管爆破的强大冲击波作用下会产生哑炮现象，这样 不仅影响起爆网路的预期爆破效果，还会给爆破现 场的清理带来巨大的安全隐患。 为解决工程爆破中电子延时雷管的强冲击过载 问题，国外主要从两个方面开展研究一方面是研究 晶体振荡器在强冲击过载下的防护技术，尽量拓展 晶体振荡器的使用范围；另一方面则是研究其它原 理的耐冲击振荡器，通过稳频技术来提高振荡器的 精度和稳定性，进而达到高精度计时的目的。 在此，主要采用高精度的晶体振荡器校正耐冲 击的谐振振荡器电路，实现其抗冲击高精度计时起 爆。通过数字电子技术，运用振荡器电路、计数器芯 片和锁存器芯片等组成数字集成电路的方法，完成 电子延时雷管的抗冲击计时。 2 系统的基本设计方案 2 ．1 设计思想 ． 采用晶体振荡器作为振荡源，有非常高的精度 稳定性，能使电子延期雷管精度达到lm s 的要 求，但抗冲击性能较差，在冲击过载下易发生变异或 破碎，从而影响电子雷管工作的可靠性，即达不到抗 冲击的性能；而谐振振荡器抗冲击性能强，可经受强 冲击波的作用，但频率一致性较差，达不到精确控制 微差起爆时间的要求[ 4 ．5 ] 。 对于单一的晶体振荡器和谐振振荡器都各有优 缺点，不能很好地满足要求，因此提出了一种将二者 结合起来的双振荡器设计方案，可以在抗冲击性能 和计时精度两方面都得到有效保证。首先将晶体振 荡器作为校正振荡器，然后利用谐振振荡器作为工 作振荡器使用，即在电子延期雷管爆破开始前用晶 体振荡器来校正和锁定谐振振荡器，其后不再发挥 作用，而在爆破程序开始后，用谐振振荡器来控制计 数器工作，从而实现电子延期雷管的耐冲击性能，并 取得更好的高精度计时爆破效果。 2 ．2 系统电路的工作原理 电子延时雷管主要由电子延时点火元件和雷管 体组成。采用以数字电路为主完成电子延时点火元 件的延时计数功能，具有延时精度高，延时可调，延 时设定简便，且抗干扰能力强等优点。系统的具体 方案原理图如图l 所示。利用电容充电电路提供 5V 的直流电压对整个电路进行供电，采用1M H z 的晶体振荡器和由5 5 5 定时器构成的谐振振荡器提 供时钟脉冲，再由计数器芯片及锁存器芯片等构成 的集成数字电路实现精度达1 脚的计时。 谐振振荡器lI 预置电路 1是tt 图1 方案原理图 电路工作时，首先通过充电电路给电容充电作 为整个电路的能源，2 个振荡器同时开始工作。计 数器 口 计数晶体振荡器输出的m 个脉冲后，输出 信号s 。，启用计数周期产生器，使计数周期产生器 对谐振振荡器的输出进行计数；计数器 b 计数晶 体振荡器输出的T ／, 个脉冲后，输出信号s ，从而停 止计数周期产生器 即开启锁存器 。由于f l , T ／ ／, ， 因此在计数周期产生器工作期间将得到一个与谐振 振荡器实际工作状态相关的计数数据，并被保存起 来，它所对应的时间间隔即代表了由晶体振荡器保 证的计时精度，可以通过改变m 和n 来调整。 至此，晶体振荡器在很短的时间内完成了对谐 振振荡器的校正，其后不再发挥作用，而只使用谐振 振荡器工作。具体过程是计数器 b 的输出信号 S 在终止计数周期产生器的同时，启动参考脉冲产 生器和主计数器工作，参考脉冲计数器以计数周期 产生器所锁定的数据为周期对谐振振荡器的输出进 行计数，每完成一个周期即输出一个参考脉冲，主计 数器再对参考脉冲进行计数，当达到预置电路设定 的延迟时间时，输出一个执行信号，对电子延期雷管 点火起爆。 万方数据 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 3 部分模块设计与分析 3 ．1 振荡电路 为实现电子延期雷管的高精度计时，采用 1M H z 的晶体振荡器来产生校正计数脉冲。由于计 数器计数有限，可对1M H z 的频率采用分频器进行 分频，使其达到计数器计数的范围，如可采用1 2 位 二迸制的C D 4 0 0 芯片进行4 分频或者8 分频，使 计数器 口 和计数器 6 对晶体振荡器进行计数。 对于谐振振荡器，其功能是产生耐冲击的计数 脉冲。构成谐振振荡器的谐振振荡电路存在电阻与 电容的匹配问题，如果匹配不当则不能得到预知的 频率和脉冲形式，所以需注意电阻和电容值的选取。 采用5 5 5 定时器芯片、电阻和电容等元器件组成R C 谐振振荡电路产生占空比为5 0 ％的信号脉冲作为 电子延时计数的时钟频率，其电路图如图2 所示。 需要考虑电阻尺，、R 与电容C 。、c 2 之间的匹配，使 输出的频率达到预期值。 图2R C 谐振振荡电路 3 ．2 计数周期产生器 计数周期产生器主要功能是在晶体振荡器的标 定下产生一个与谐振振荡器相关的计数周期。在计 数器 口 和计数器 b 前后产生的S 。和是信号时 间段内对R C 谐振振荡器的脉冲进行计数，并将该 段时间内的脉冲数锁存作为计数周期。具体采用计 数器芯片和锁存器芯片来组成计数周期产生器，其 中计数器芯片可选8 位、1 2 位或1 6 位计数芯片，为 尽量使芯片不混淆，在此可选用对晶体振荡器分频 的1 2 位二进制C D 4 0 4 0 计数／分频芯片进行计数， 锁存器可选用7 4 L S 3 7 3 芯片进行脉冲数的锁存。 采用计数周期产生器锁存晶体振荡器标定的谐 振振荡器脉冲个数，并以此为参考脉冲周期来校正 具有抗冲击性能的谐振振荡器计时精度不高的 问题。 3 ．3 参考脉冲产生器 参考脉冲产生器主要功能是以锁存器7 4 【s 3 7 3 芯片锁存的R E 谐振振荡器脉冲数作为参考周期， 再对R C 谐振振荡器产生的脉冲进行计数，每计数 完一个参考周期输出变化的参考脉冲，从而为主计 数器提供参考脉冲。 采用可预置的计数器芯片组成参考脉冲产生 器，将7 4 L S 3 7 3 芯片锁存的脉冲数预置到该计数器 芯片上，R C 谐振振荡器产生时钟计数脉冲c p ，每计 数完一个参考脉冲周期该计数器芯片给主计数器输 出一个变化脉冲，主计数器以此作为时钟计数脉冲， 实现主计数器在预置电路控制下的计数。 4 结论 在工程爆破领域中，由于电子延时雷管易受强 冲击的影响，提出了一种将高精度的晶体振荡器与 抗冲击的谐振振荡器结合起来的计时方案，并进行 部分模块组成及功能的分析，理论与实践表明该设 计思路新颖，方案可行，可达到抗冲击计时起爆的目 的。需要进一步解决的问题是集成的系统电路置于 空间有限的电雷管内，需进行小型化处理，以便与雷 管相匹配。 参考文献 [ 1 ] 高铭，李勇，滕威．电子雷管及其起爆系统评述 [ J ] ．煤矿爆破，2 0 0 6 3 2 3 - 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