夾層玻璃落球沖擊試驗測速系統(tǒng)的開發(fā)與試驗分析

邱 巖 臧曙光 包亦望

（中國建筑材料科學研究總院，中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

夾層玻璃是一種性能優(yōu)良的安全玻璃，它是由兩片或多片玻璃用透明的膠片牢固粘結而成，具有透明、高機械強度等性能。夾層玻璃用于房屋建筑時，除了要考慮外界的風荷載、自重等常規(guī)靜力荷載作用外，還需要考慮建筑物的抗沖擊性能。建筑物的抗沖擊性能在我國現(xiàn)行規(guī)范中尚沒有相關設計計算方法和相關規(guī)定，對夾層玻璃在沖擊荷載下的抗沖擊性能也缺乏定量的了解，給玻璃幕墻等工程的抗沖擊設計帶來了很大困難。本文主要介紹了夾層玻璃抗沖擊能力測試系統(tǒng)的基本原理和系統(tǒng)構成。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 夾層玻璃MBH值的物理意義

具有一定質量m的金屬球從一定高度H1自由落體砸在被測夾層玻璃上,由于有重力加速度g的存在，落在玻璃上時落球的速度為V1，在擊穿玻璃以后，速度為V2。玻璃在被擊穿的過程當中吸收了金屬球一定的能量。通過計算球在擊穿玻璃前后的速度，可以得到玻璃吸收的能量。

圖1 MBH值計算示意圖

假設：不考慮空氣的阻力，球的質量為m，重力加速度為g.，落到夾層玻璃上的時候速度為。擊穿玻璃后，速度為V2。下落一定距離H2后，到達傳感器1，速度為。再下落一定距離H3后，到達傳感器2，速度為.球在兩個傳感器之間的時間為.

時間t可以通過測時儀測量得到，而高度H1、H2、H3已知，根據(jù)上面的推導，可以計算出鋼球穿透玻璃時夾層玻璃吸收的能量：

2.2 系統(tǒng)組成

本測速系統(tǒng)是通過測量落球穿過兩激光光幕間的時間間隔及兩光幕間的距離而獲得其穿透夾層玻璃后的即時速度。并可根據(jù)公式計算出MBH值。系統(tǒng)結構原理圖如圖 1 所示，激光靶由啟動靶和停止靶組成。落球穿過光幕時，阻擋部分光線，光電探測器將變化的光通量轉化成電流信號，經(jīng)光電放大器放大處理后。將信號送至上位機進行實時分析，獲得落球速度?？傮w設計包括光學測量模塊和控制分析模塊兩大部分。光學測量模塊中選用半導體激光二極管作光源, 具有體積小、效率高、成本低、無需高壓電源、壽命長等優(yōu)點;選用大面積 PIN 光敏二極管作為光電檢測器件，以確保在實現(xiàn)大面積有效光幕區(qū)的同時會聚光斑的接收。光電放大器主要由電流電壓轉換放大電路及主放大器組成，在電路設計及器件的選擇上確保低噪聲、高響應速度和高靈敏度?？刂颇K采用高速數(shù)據(jù)采集卡和分析軟件組成, 性價比高、操作簡單、且易于擴展功能。

圖2 系統(tǒng)機構原理圖

測速模塊的作用是獲取落球的過靶信號。本測速系統(tǒng)采用的測速靶為激光光幕靶，也可用其它類型的測速靶，激光光幕靶由測速靶架、發(fā)射模塊和接收模塊等組成。測速靶架由靶板、連接螺桿等組成，是測速靶、靶的承載單元。激光光幕靶有兩個發(fā)射模塊、兩個接收模塊，分別固定在靶架的相關位置上。發(fā)射模塊由多個激光發(fā)射管組成，形成一束光幕，其光幕尺寸一般大于或等于接收模塊，接受模塊由多個光敏二級管組成排成一字形。測試時，落球穿過光幕,擋住了落在光敏接收管上的光，通過光電藕合電路，輸出高電平，從而實現(xiàn)彈頭過靶信號的獲取。

2.3 光學測量模塊的設計

模塊主要由高速FPGA、比較電路、激光發(fā)送、接受及驅動電路組成，其系統(tǒng)框圖如圖 2所示。輸入信號經(jīng)比較電路后成為方波信號 ,送入采集卡的外部中斷端，控制定時器 1 的開關 ,即可獲得落球穿過兩激光光幕間的時間間隔t。而已知靶距H，從而計算出落球過靶速度，并將數(shù)據(jù)傳到上位機。

圖3 測量系統(tǒng)示意圖

2.4 控制分析模塊的設計

控制分析模塊主要由控制軟件和信號處理模塊構成，控制軟件選用的VB進行編寫，利用它可以不必熟悉，采集卡的底層指令系統(tǒng)和硬件細節(jié)，直接面向具體應用?？刂栖浖饕芍鞒绦?、初始化模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示分析模塊等組成，軟件結構圖如圖3所示。在程序開始，本系統(tǒng)采用中斷控制，外部中斷0、1分別控制定時器 1 的開與關。即當落球穿過激光光幕的啟動靶，開定時器 1 ；當球穿過激光光幕的停止靶，關定時器1 ,從而得到過靶時間t。應用定時器1溢出中斷控制1s計時及系統(tǒng)溢出時間。

圖4 軟件結構原理圖與軟件測試界面

3 實驗結果與分析

夾層玻璃落球試驗基于SGH-III型沖擊試驗機，其測試結果如表1所示 。

表1 夾層玻璃落球沖擊測試結果

4 結論

通過對激光測速系統(tǒng)進行落球試驗的測試可知,該測速系統(tǒng)具有通用性好,適用范圍廣操作簡單,使用方便、高精度、高可靠性，可與計算機相接,形成強大而豐富的后處理功能可自動生成規(guī)范化的測試報告等優(yōu)點,對夾層玻璃生產(chǎn)控制有很大的指導作用。

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