基于空氣耦合超聲的導(dǎo)爆索斷細(xì)藥檢測(cè)

李光亞，王明泉，鄭景義

(1.中北大學(xué) 山西省動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051;3.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 太原 030051;4.山西北方晉東化工有限公司, 陽(yáng)泉 045000)

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基于空氣耦合超聲的導(dǎo)爆索斷細(xì)藥檢測(cè)

李光亞1,2,3，王明泉1,2,3，鄭景義4

(1.中北大學(xué) 山西省動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051;3.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 太原 030051;4.山西北方晉東化工有限公司, 陽(yáng)泉 045000)

導(dǎo)爆索斷細(xì)藥的檢測(cè)方法多為接觸式，存在有安全隱患、檢測(cè)效率較低的問(wèn)題，提出了一種基于空氣耦合超聲的導(dǎo)爆索斷細(xì)藥檢測(cè)方法。通過(guò)對(duì)藥芯的非接觸檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷細(xì)藥情況的快速測(cè)量。使用空氣耦合超聲檢測(cè)法可有效提高導(dǎo)爆索斷細(xì)藥的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。

導(dǎo)爆索;斷細(xì)藥;空氣耦合超聲;非接觸測(cè)量

在眾多的爆破器材中，由于導(dǎo)爆索具有可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔p繞型導(dǎo)爆索具有較高的生產(chǎn)效率,所以在國(guó)內(nèi)的導(dǎo)爆索產(chǎn)品中占有重要地位，但由于纏繞型導(dǎo)爆索加工工藝導(dǎo)致的裝藥密度和均勻度都不夠理想，容易出現(xiàn)斷藥和細(xì)藥的情況，從而影響導(dǎo)爆索的傳爆性能[1-2]。如圖1所示是纏繞型導(dǎo)爆索藥芯的加工工藝，炸藥和粘合劑按照一定比例混合后裝在裝藥器中，通過(guò)對(duì)裝藥器中施加一定的氣壓使得混合藥向下流出，在裝藥器下方通過(guò)多個(gè)編織物錠子旋轉(zhuǎn)纏繞從而形成藥芯，編織物一般為天然纖維或人造纖維。成型后的藥芯再經(jīng)過(guò)擠塑和增密等工藝,從而成為最終的導(dǎo)爆索成品[3-4]。

圖1　纏繞型導(dǎo)爆索藥芯加工工藝示意

纏繞型導(dǎo)爆索的斷細(xì)藥情況一般在藥芯的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生，此時(shí)藥芯的外徑會(huì)因?yàn)閿嗨幒图?xì)藥出現(xiàn)明顯的跳變，而在經(jīng)過(guò)擠塑工藝后會(huì)變?yōu)橥鈴揭恢碌某善罚虼藢?duì)于此種導(dǎo)爆索斷細(xì)藥的檢測(cè)必須在藥芯的制作過(guò)程中完成?？紤]到導(dǎo)爆索藥芯的生產(chǎn)環(huán)境和安全性，對(duì)于藥芯斷細(xì)藥的檢測(cè)手段非常有限，目前多采用抽檢和成品的接觸式檢測(cè)等，這些方法增加了誤檢的概率。針對(duì)上述情況，筆者設(shè)計(jì)了一種基于空氣耦合超聲的斷細(xì)藥非接觸測(cè)量方法，通過(guò)空氣耦合超聲實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)爆索藥芯的非接觸無(wú)污染檢測(cè)，最大程度上滿足了安全生產(chǎn)和檢測(cè)精度的要求[5]。

1　空氣耦合超聲檢測(cè)原理

非接觸式超聲與常規(guī)超聲檢測(cè)原理類似，最大的區(qū)別是非接觸式超聲檢測(cè)不需要耦合劑就能將超聲波從發(fā)射探頭通過(guò)空氣傳播到待測(cè)工件中。耦合劑的使用不但會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且會(huì)在一定程度上污染檢測(cè)面。與常規(guī)超聲檢測(cè)相比，空氣耦合超聲除了將空氣作為耦合劑之外，在聲學(xué)傳播特性方面沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。由于導(dǎo)爆索生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于安全的要求是第一位的，接觸式檢測(cè)容易產(chǎn)生靜電等不安全因素，水浸法超聲檢測(cè)也不適合編織型導(dǎo)爆索的斷細(xì)藥檢測(cè)[6]，因此采用空氣耦合超聲對(duì)此種類型導(dǎo)爆索的斷細(xì)藥情況進(jìn)行檢測(cè)較合適。

圖2　空氣耦合超聲檢測(cè)藥芯原理示意

空氣耦合超聲檢測(cè)原理如圖2所示，自發(fā)自收的超聲波探頭固定在導(dǎo)爆索藥芯一側(cè)，探頭發(fā)射面垂直于藥芯軸向方向，藥芯在制作過(guò)程中沿自身軸向方向做直線運(yùn)動(dòng)，如果藥芯沒(méi)有出現(xiàn)斷細(xì)藥情況，超聲探頭的發(fā)射波在藥芯表皮會(huì)發(fā)生反射并由探頭接收，此時(shí)發(fā)射波和回波的間距是穩(wěn)定的；因?yàn)樗幮镜臄嗉?xì)藥情況會(huì)使得藥芯的外徑發(fā)生明顯變化，當(dāng)探頭照射到斷細(xì)藥點(diǎn)時(shí)，由于超聲波的聲程增加從而導(dǎo)致發(fā)射波和回波信號(hào)的間距發(fā)生變化，通過(guò)此方法可以判斷出導(dǎo)爆索藥芯的斷細(xì)藥點(diǎn)。

當(dāng)探頭位置固定后，超聲波到達(dá)藥芯表皮并返回探頭的時(shí)間t可用公式求得:

(1)

式中:h為探頭表面到藥芯表皮的垂直距離;c為當(dāng)前溫度下超聲波在空氣中的聲速。

因此通過(guò)對(duì)t的監(jiān)測(cè)，即可完成對(duì)該檢測(cè)點(diǎn)導(dǎo)爆索藥芯斷細(xì)藥情況的檢測(cè)。

2　檢測(cè)系統(tǒng)模塊及測(cè)量過(guò)程

檢測(cè)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射接收器、空氣耦合探頭、工控機(jī)、機(jī)械系統(tǒng)和信號(hào)處理軟件等構(gòu)成，檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。超聲波發(fā)射接收器型號(hào)為JPR-10CN，完成超聲波的發(fā)射和回收波型的數(shù)據(jù)采集；探頭同樣采用該公司發(fā)射頻率為1MHz的點(diǎn)聚焦空氣耦合探頭，焦距為10mm，探頭具體實(shí)物如圖4所示。超聲波發(fā)射接收器通過(guò)空氣耦合超聲探頭發(fā)射、接收及采集超聲信號(hào)，工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制單元控制機(jī)械系統(tǒng)，采集到的回波信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理軟件處理并由工控機(jī)顯示器顯示。

圖3　檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖4　空氣耦合超聲探頭外觀

根據(jù)纏繞型導(dǎo)爆索藥芯的制作工藝，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可采用單探頭模式或雙探頭模式，其中雙探頭模式下，兩探頭軸線夾角為90°，這樣的設(shè)置也最大程度地避免了兩路信號(hào)的相互干擾，從而提高檢測(cè)精度；通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)保證探頭軸線和藥芯軸線垂直相交。雙探頭工作模式如圖5所示，配合信號(hào)采集及分析軟件可以實(shí)現(xiàn)斷細(xì)藥的在線檢測(cè)。

圖5　雙探頭工作模式示意

3　檢測(cè)結(jié)果及誤差分析

圖6　系統(tǒng)檢測(cè)軟件界面

表1　利用游標(biāo)卡尺和空氣耦合超聲波設(shè)備得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)　mm

檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，利用游標(biāo)卡尺和空氣耦合超聲波設(shè)備分別進(jìn)行檢測(cè)，兩種檢測(cè)方法對(duì)于同樣檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果會(huì)發(fā)生偏差;主要是為了和超聲檢測(cè)法進(jìn)行比對(duì)，利用游標(biāo)卡尺檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果是利用外徑偏差的一半來(lái)記錄的，而超聲法的檢測(cè)結(jié)果僅反映其所在位置一側(cè)的外徑偏差，而非整體的外徑偏差。

圖7　細(xì)藥段外觀

通過(guò)計(jì)算，采用頻率為1MHz的空氣耦合超聲探頭完全可以滿足廠家要求的檢測(cè)精度，其檢測(cè)結(jié)果和游標(biāo)卡尺測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)最大的測(cè)量偏差為0.013mm,本組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.003 8mm。細(xì)藥點(diǎn)在5，6檢測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)上也出現(xiàn)非常明顯的變化，檢測(cè)結(jié)果和樣本吻合。通過(guò)分批次在兩臺(tái)藥芯編織機(jī)上安裝該檢測(cè)系統(tǒng)并測(cè)試，在總共長(zhǎng)達(dá)100m的三段藥芯檢測(cè)中，對(duì)四處預(yù)先設(shè)置的細(xì)藥點(diǎn)都有檢出，沒(méi)有出現(xiàn)漏檢和誤報(bào)的情況，該系統(tǒng)在檢測(cè)結(jié)果的可靠性方面具有一定實(shí)用價(jià)值。

4　結(jié)語(yǔ)

纏繞型導(dǎo)爆索由于具有成本低、生產(chǎn)工藝成熟等特點(diǎn),依然是產(chǎn)量最大的導(dǎo)爆索類型。目前所采用的斷細(xì)藥檢測(cè)方法多為對(duì)藥芯的接觸式測(cè)量方法，這種方法安全性較差，誤判率較高。由于空氣耦合超聲的波長(zhǎng)較短，采用空氣耦合超聲波對(duì)纏繞型導(dǎo)爆索的藥芯直接進(jìn)行非接觸測(cè)量時(shí)，具有安全、檢測(cè)效率高、誤判率低和可在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

[1]雷麗文,繆均達(dá).工業(yè)導(dǎo)火索斷細(xì)藥疵病的在線檢測(cè)[J].爆破器材,1996(2):1-4.

[2]黃寅生,楊貴華,臧小為.鋁殼金屬導(dǎo)爆索性能研究[J].爆破器材,2008,37(3):22-24.

[3]劉鈞,李俊杰,孫安昌,等.火工品管殼內(nèi)徑尺寸檢測(cè)方法研究[J].火工品,2006(4):37-41.

[4]陳浩,邾繼貴,楊學(xué)友,等.新型多方向內(nèi)徑尺寸測(cè)量方法[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(1):95-97.

[5]GB9786-1999普通導(dǎo)爆索[S].

[6]李光亞,王明泉,鄭景義.基于超聲的鉛皮導(dǎo)爆索斷細(xì)藥檢測(cè)方法研究[J].兵工學(xué)報(bào),2013,34(8):1037-1040.

DetectionofBrokenandWeakPointsofDetonatingCordBasedonNon-contactAirCoupledUltrasonic

LIGuang-ya1,2,3,WANGMing-quan1,2,3,ZHENGJing-yi4

(1.KeyLaboratoryoftheDynamicTestingTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;3.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;4.ShanxiNorthEastChemicalIndustryLimitedCompany,Yangquan045000,China)

Thedetonatingcablefaultdetectionmethodsaremostlyofcontacttypeandthesemethodshavehiddendangerandthedetectionefficiencyislow.Inordertosolvetheaboveproblems,thispaperpresentsanewmethodbasedonaircoupledultrasoundforthedetectionofthebrokenandweakpoints,throughthenon-contactdetectionofthedrugcoreofthedetonatingcablethebrokenandweakpointscouldbequicklyfound.Experimentalresultsshowthatthemethodcaneffectivelyimprovethedetectionefficiencyandprecisionofthereal-timedetectionofthebrokenandweakPoints.

Detonatingcord;Brokenandweakpoint;Aircoupledultrasonic;Non-contactdetection

2016-02-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(6171177);山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目(2015021086)

李光亞(1980-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。

李光亞,E-mail: 40827562@qq.com。

10.11973/wsjc201607011

TQ565;TG115.28A

1000-6656(2016)07-0044-03