PVDF薄膜传感器用于测试块状岩石表面爆炸应力的研究.pdf

:./.薄膜传感器用于测试块状岩石表面爆炸应力的研究孙 飞 陈友文 顾 云 刘 迪 陈顺禄 丁 建核工业南京建设集团有限公司(江苏南京)浙江省交通投资集团有限公司(浙江杭州)南京君缘科爆工程技术有限公司(江苏南京)南京理工大学化学与化工学院(江苏南京)摘 要 采用(聚偏二氟乙烯)薄膜传感器对岩石表面爆炸应力进行测量并分析炮孔内不同填塞介质对爆炸应力波在岩石介质中传播的影响 在直径为 、孔深为 的炮孔内填塞不同的介质(空气、水或沙子)采用不同的装药结构分别进行爆破试验通过 薄膜传感器得到了不同工况下岩石表面应力波时程曲线 分析炮孔内不同填塞介质对爆炸应力波透射的影响发现水作为炮孔填塞介质时爆炸应力波透射能力强炸药爆炸产生的能量用于岩石破碎的比例高 水作为炮孔填塞介质时为达到岩石开裂效果装药结构设计为 发雷管加 传爆药(聚黑)当沙子作为炮孔填塞介质时为达到岩石的开裂效果装药结构设计为 发 雷管、传爆药(聚黑)和 炸药(聚黑)前者炸药用量仅为后者的.炸药使用量减少也降低了爆破次生危害的影响程度 用 薄膜传感器在岩石表面直接测量爆炸应力的方法是可行的关键词 爆炸力学爆炸应力 薄膜岩石介质分类号 .().().()()().().()().第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:孙飞()男硕士工程师主要从事爆炸与毁伤作用机理方面的研究:.通信作者:陈友文()男硕士高工主要从事铁路及轨道交通项目的建设管理:.引言工程爆破的主要对象之一为岩石介质 由于漫长的地质构造作用岩石本构关系较为复杂 自然界中岩石本身既不是均质材料也不是线性材料造成研究岩石在爆炸载荷下的动态响应十分困难 而工程爆破作为国民经济发展的重要行业开展针对岩石介质的爆炸效应研究具有重要意义(聚偏二氟乙烯)压电薄膜是一种高分子聚合物 薄膜厚度为微米级灵敏度高、动态响应快、频响范围宽且具有优越的抗冲击性能和机械韧性 经极化后的 具有良好的压电特性 这使得 薄膜可作为爆炸冲击条件下应力测试的理想材料 因此在爆炸测量方面各国学者对 的应用也做了相应的尝试及摸索孙权等利用分离式霍普金森杆对 薄膜进行动态压力标定发现 薄膜在 压力区具有良好的一致性和线性度能满足实际工程中的测量需要 黄家蓉等在混凝土靶中埋设 薄膜及碳阻传感器对比测量梯恩梯()爆炸混凝土靶板中的应力波试验结果表明:测得的应力波波形更为光滑规律性更好且与数值仿真结果吻合度更高 等研究了 传感器结构、比表面积、厚度等因素对 传感器输出响应的影响 等系统地研究了 传感器的冲击特性 张旭等研究了 柔性压电传感器敏感单元设计的关键技术和工艺自主研发的传感器能够满足.动态压力的测量需求赵红平等介绍了 的标定试验并采用定制的 压力传感器测量了不同类型介质在冲击载荷作用下的压力衰减说明了 压力传感器在压力测量中有着很好的前景 余尚江等自研了 传感器通过传感器的标定试验和传感器灵敏度修正的方法减少了应力测量误差最后减少了其他类别的传感器在混凝土结构内药包爆炸应力波测试中的应用各国学者将 薄膜传感器用于测量的爆炸试验对象主要为混凝土介质而 薄膜在岩石介质中直接测量爆炸应力的研究则未见报道 且由于岩石内部本构关系较为复杂传感器埋设较为困难至今对强冲击载荷作用下岩石材料中的动态应力波传播特性研究很少本文中将 传感器粘贴在岩石表面测量岩石介质中的应力波载荷幅值为研究岩石中动态力学特性及相关测试技术提供参考 测试原理基于 压电薄膜介质内压力的测量方式主要有两种:电荷模式和电流模式 电荷模式测量压力的基本原理是:将 薄膜直接与一个电容相连电容两端的电压与 的电荷输出量成正比通过测量电容两端的电压来计算 所受到的压力 电流模式测量压力的基本原理是:将 两端用一个电阻进行连接测量电阻两端的电压后再表征通过该电阻的电流时程曲线将瞬态电流()积分后可得到 薄膜的电荷输出量对于线性度良好的 薄膜所受的压力与电荷输出量的大小成正比等效电路如图 所示 ()电荷模式 ()电流模式图 等效电路.电流模式测量电路和电荷模式测量电路的响应时间远远小于传感器对应力波的响应时间 因而在应力波剖面的测量上对应力波剖面的分辨率最终取决于传感器的厚度电荷模式测量中波形直观易读不用积分不要求示波器具有极高的采样频率和带宽因而是一种更实用的方法本次试验过程中采用电荷模式对岩石介质中 年 月 薄膜传感器用于测试块状岩石表面爆炸应力的研究 孙 飞等 爆炸载荷的应力进行测量 测试应力波的原理如图 所示图 传感器应力波测试原理.现场试验使用、两个 薄膜传感器测试并分析炮孔内不同的填塞介质和不同的装药结构对爆炸应力波在岩石介质中传播的影响针对直径为 、孔深为 的炮孔炮孔内填塞不同的介质(空气、水或沙子)采用不同的装药结构分别进行爆破试验并在岩石表面粘贴 薄膜对不同工况下的爆炸应力波进行测量具体工况布置如表 所示 表 中使用雷管传爆药为聚黑炸药为聚黑 利用 块尺寸相近的方形花岗岩 和 共进行 种工况的试验 在试验石材顶部中心打孔孔径约 钻孔深度约 在石材表面选择较平整部位选定的位置应与炮孔底部在同一高度对选定位置进行表面处理并完成 薄膜传感器的粘贴 具体操作步骤如下:)选定位置用记号笔进行标记)用角磨机砂轮片在选定位置处进行打磨打磨尺寸约 再用细砂纸进一步打磨直至表面粗糙度参数 为.左右)打磨完成后用酒精擦拭直至酒精棉球上没有污渍)将强力型石材胶均匀地涂抹在 的表面然后在选定区域上进行按压固定)固定完成后用 硅橡胶对 薄膜及接线处进行涂抹做好防水绝缘措施粘贴完成后如图 所示 现场试验见图 图 薄膜传感器粘贴效果.图 现场试验图片.试验结果及分析工况 的装药 当量为.两个 薄膜测得的应力曲线如图 所示 薄膜测得的应力峰值为.薄膜测得的应力峰值为.在工况 药量作用下炮孔未被破坏岩石未产生明显裂缝 工况 的装药 当量为.与工况 不同的是在工况 中将雷管和炸药都放置在 套筒内 工况 中岩石未产生明显的破坏 因此工况 试验仍在 号石材中进行 薄膜的位置不变 两个 薄膜测得的应力时程曲线如图 所示工况中薄膜测得的应力峰值为.薄膜测得的应力峰值为.表 各工况的布置条件.工况序号石材编号 距爆心距离/距爆心距离/装药结构.发雷管 传爆药.发雷管 传爆药 套筒.发雷管 传爆药 套筒 炸药.发雷管 传爆药 套筒 炸药 沙子填塞.发雷管 传爆药 套筒 炸药 沙子填塞.发雷管 传爆药 孔内注满水 爆 破 器 材 第 卷第 期 ()()图 工况 中 测得的压力时程曲线.()()图 工况 中 测得的压力时程曲线.在工况 药量作用下炮孔未被破坏岩石未产生明显裂缝 由图 图 可以看出总药量不变仅将雷管和传爆药放置在 套筒内再将 套筒放置在炮孔内 薄膜测得的应力变化量不大 其中:工况 中 薄膜的应力测量值比工况 中 薄膜的应力测量值小.工况 中 薄膜的应力测量值比工况 中 薄膜的应力测量值小.两者的差值十分接近 分析工况 较工况 测量值偏小的原因是工况 中造成 套筒的破坏会耗散部分能量差值相近也间接证明了 应力测量值的准确性工况 的装药 当量.全部放置在 套筒内再将 套筒放置在炮孔内 工况 中岩石未产生明显破坏 因此工况 试验仍在 号石材中进行 薄膜位置不变 工况 中 薄膜测得的应力时程曲线如图 所示 薄膜测得的应力峰值为.薄膜测得的应力峰值为.在工况 药量作用下炮孔未被破坏岩石未产生明显裂缝工况 的装药情况与工况 相同不同的是待 套筒放置于炮孔后用沙子对炮孔进行填塞 工况 中岩石未产生明显破坏 因此工况 试验仍在 号石材中进行 薄膜的位置不变工况 中 薄膜测得的应力时程曲线如图 所示 薄膜测得的应力峰值为.薄膜测得的应力峰值为.在工况 药量作用下炮孔未被破坏岩石未产生明显的裂缝 对比图 图 可以看出药量不变炮孔内是否填塞细沙对同一位置 薄膜测得的应力变化有影响 其中:工况 中 薄膜的应力测量值比工况 中 薄膜的应力测量值小.工况 中 薄膜的应力测量值比工况 中 薄膜的应力测量值小.两者的差值较为接近 分析工况 较工况 测量值偏小的原因是同等药量情况炸药产生的能量在沙子中的耗散程度大于空气中 年 月 薄膜传感器用于测试块状岩石表面爆炸应力的研究 孙 飞等 ()()图 工况 中 测得的压力时程曲线.()()图 工况 中 测得的压力时程曲线.工况 的装药 当量.全部放置在 套筒内再将 套筒放置在炮孔内 工况 中岩石未产生明显破坏 因此工况 试验仍在 号石材中进行 薄膜位置不变爆破效果如图 所示 图 工况 爆破效果.由图 可以看出石材 在爆炸作用下已分裂成 部分 块岩石夹角为 其中一块石块被抛掷抛掷距离为 石材被破坏且裂纹靠近 传感器因此未测得有效波形 工况 工况 都在石材 中进行试验在重复试验的情况下岩石虽未见明显裂缝但对炮孔内壁不可避免地造成损伤及岩石内部产生细小裂缝使得岩石更容易开裂因此若在岩石未受破坏的情况下造成工况 的爆破效果实际装药量要比工况 的装药量大工况 的装药 当量.并将炮孔内注满水 其中 距爆心.距爆心.在炮孔注满水的工况下石材 在当前药量的爆炸作用下石材形成贯穿裂缝最大裂缝宽度为 爆破效果如图 所示 工况 中 测得应力波峰值为.持续时间约为 测得应力波峰值为.应力振荡持续时间约为 测得的应力波形如图 所示工况条件下薄膜测得的应力峰值和应力振荡持续时间较前几次工况都得到增强 相 比较工况 和工况 炸药的使用量却大大降低且工况 条件下爆破效果未能使岩石开裂工况 爆 破 器 材 第 卷第 期 图 工况 爆破效果.()()图 工况 中 测得的压力时程曲线.条件下岩石虽然开裂但炸药的使用量较工况 多了 这验证了水作为炮孔填塞介质传爆性能的优越性炸药爆炸产生的能量用于岩石开裂的能量比例较高 另外综合考虑雷管、传爆药及主装药工况 的炸药用量仅占工况 的.炸药用量大幅减少 因此要达到同等爆破效果采用水作为炮孔填塞介质可使得炸药的使用量降低爆破振动、爆破冲击波、爆破噪声等爆破次生灾害程度也可大幅降低 这在降低经济成本的同时也减少了对周围环境的影响 结论 在方型花岗岩石材上布置 种工况并使用 薄膜传感器测量爆炸应力波的传播情况得出如下结论:)将 薄膜粘贴在待爆破岩石表面测得的爆炸应力波波形规律性较好符合在岩石介质中爆炸、岩石介质界面反射的特点 薄膜传感器在岩石表面直接测量爆炸应力的操作方法和测试工艺可行)通过 薄膜传感器测得了岩石表面应力峰值及实际爆破效果探索了空气、沙子和水这 种介质作为填塞介质时爆炸应力波的传播规律 结果表明水作为炮孔填塞介质时炸药爆炸作用于岩石开裂的能量利用率较高有助于提高爆炸能量的利用率)在达到同等爆破效果条件下用水作为炮孔填塞介质可减少炸药用量降低碳排放同时也减少了爆破次生灾害对周围环境的影响参 考 文 献 .().():.余尚江 曾辉 丁世敬 等.土压力传感器.传感器技术 ():.():.刘剑飞 胡时胜.压电计在低阻抗介质动态力学性能测试中的应用.爆炸与冲击 ():.():.巫绪涛 胡时胜 田杰.应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用.爆炸与冲击 ():.():.孙权 于洋 陈宝成.基于 的压电传感器动态 年 月 薄膜传感器用于测试块状岩石表面爆炸应力的研究 孙 飞等 压力标定.黑龙江科学 ():.():.黄家蓉 刘光昆 吴飚 等.爆炸冲击作用下混凝土中动态应力波测试与仿真.防护工程 ():.():.黄家蓉 王幸 吴飚 等.混凝土靶内爆炸应力波测量方法研究.中国测试 ():.():.:.():.()():.张旭 覃双 杨舒棋 等.压电传感器及敏感单元设计关键技术.高压物理学报 ():.():.赵红平 叶琳 陆中琪.压电薄膜在应力波测量中的应用.力学与实践 ():.():.余尚江 李科杰.混凝土结构内冲击波应力传感器设计及其行为.爆炸与冲击 ():.():.张进秋 高永强 贾进锋 等.压电加速度传感器电荷灵敏度影响因素分析.传感器世界():.():.朱金海.压电薄膜及其传感器的制备与性能研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.:.盛振新 刘建湖 张显丕 等.水下爆炸气泡射流载荷阵