1藥壺爆破法體積量測簡介

　　藥壺爆破法是一種集中藥包爆破方法。在鉆孔完成之后，先用少量炸藥經(jīng)過一次或數(shù)次擴壺，將孔底擴大成葫蘆形，然后裝入主藥包進行爆破。藥壺爆破鉆孔量少，延米爆破量大，爆破成本低，可用少量簡單的鉆孔設備在較短時間內完成一定規(guī)模的石方爆破量，因而該法在國內有一定應用市場。該方法施工工序有布孔、鉆孔、擴孔（擴壺）、裝藥、引爆等，其中，擴孔是藥壺爆破成功與否的關鍵技術之一。巖石不同，擴壺難易程度不同，成壺的形狀與體積大小也千變萬化，因此需要正確確定藥壺容積。目前，藥壺容積確定法有3種。

　　1）深度差量測法

　　爆破前用炮棍測出炮孔的原始深度h 1，擴壺后再用炮棍測量出炮孔深度h 2藥壺成形前后的深度差為h 0，將成形后的藥壺視為近似球體（（ a） ），用下式粗略計算藥壺的容積： V= 4 /3（0. 5h 0）3.

　　2）炮棍竹片探測法

　　截一段稍大于藥壺半徑的竹片，竹片一端與炮棍底部鉸接，另一端用細繩拉住，放入孔底，拉動繩子，同時轉動炮棍根據(jù)孔口段細繩的外伸變量估算藥壺大小，如（ b）所示。

　　3）竹片壓入擴張法

　　打通竹筒內竹節(jié)，內裝篾片，篾片底部與竹筒底部鉸接。使用時將竹筒放入炮孔，按下篾片上部手柄，根據(jù)篾片上下位移量可反映底部篾片膨脹變形量，確定此處藥壺半徑，轉動竹筒測量不同斷面，從而估算藥壺體積。體積測量原理如（ c）所示。

　　1測量藥壺大小的方法（單位： cm ）后2種測量方法對于5 m以上的深孔，受炮棍長度所限測試較困難。但是上述藥壺體積測量法雖然可以估算出其藥量的多少，但往往估算誤差太大。

　　準確地確定擴孔后藥壺的形狀和體積是爆破成功與否的重要環(huán)節(jié)之一。為使擴壺容量達到設計裝藥體積，以獲得良好的爆破效果，有必要發(fā)明一種準確探測藥壺的形狀和體積的電子測量儀器�，F(xiàn)代電測技術的發(fā)展水平也為藥壺體積測量的微型化和自動化提供了可能性。

　　2儀器探測方法比選

　　采用儀器測量藥壺體積的方法是：先測量藥壺某截面內半徑的一組數(shù)據(jù)，根據(jù)這組數(shù)據(jù)計算出該截面的面積；測量并求出藥壺不同截面的面積后即可確定藥壺體積。測距半徑范圍為： 0 500 mm，精度為1 5 mm.

　　顯然，測量藥壺體積最重要的步驟是測量藥壺的內半徑，而這又與測距傳感器測試方法的選擇有關。已知的適合孔內的測距方法很多，目前應用較多的主要有激光測距、紅外測距、微波測距和超聲波測距法等等。

　　2. 1激光測距

　　利用激光進行距離測量的技術，通常有激光相位測距和脈沖測距2種。

　　2. 1. 1激光測距原理

　　光在給定介質中的傳達速度是一個常數(shù)c.測量激光在發(fā)射點與目標點之間傳播時間t，由式（1）求出兩點的距離R R = t 2 c（ 1）1）相位測距法原理相位測距法是對連續(xù)光波的強度進行調制，通過光波在發(fā)射點和目標間往返傳播中的相位變化來測量其傳播時間，其計算公式如下R =2（N + n）（ 2）式中， N為相位變化整周期數(shù)； n為相位變化非整周期數(shù)。

　　由式（ 2）可知，在進行距離計算時，相位變化周期N無法確定。為此可選擇較低后調制頻率，使其波長大于發(fā)射點和目標間往返距離，此時N為0，式（ 2）為單解。但是，波長越長測距離精度越低，為達到一定的測距精度和必要的測量范圍，應選用一組調制頻率，其選擇方式有分散的直接調制頻率方式和集中的間接調制頻率方式2種。

　　2）脈沖測距原理脈沖測距是通過直接測量脈沖激光從發(fā)射點到反射點的往返時間進行測距。脈沖激光的往返傳播時間的測量由距離計數(shù)器完成。距離計數(shù)器開門信號為激光主波采樣信號t0，對應的關門信號是激光回波信號t1，單個激光脈沖往返時間可根據(jù)計數(shù)器在開關門信號之間記錄的時鐘脈沖個數(shù)求得。設記錄的脈沖個數(shù)為N，周期為，則t= N ，將t代入式（ 1）即可求得測量距離。

　　2. 1. 2適用條件

　　相位測距要受到大氣的溫度氣壓濕度等方面的影響。

　　激光相位測距技術是測定連續(xù)的調制激光（一般為調幅）信號在待測距離D上往返傳播的相位移間接測定傳播時間，然后換算成距離的技術。其實質也是計時測距法，只是將時間信息轉換成相位信息。

　　由于環(huán)境因數(shù)，對激光傳感器的要求很高。因為測距在0 500 mm的范圍內，是屬于近距離測量的。對傳感器的要求很高，且激光測距在測量的過程會出現(xiàn)較大的偏差，其遠遠超過盲區(qū)要求：小于20 mm.例如徠卡新型激光測距儀最小測距范圍簡便型L ite5的為0. 2 200 m.激光測距是不可行的。

　　2. 2紅外測距

　　按載波的不同，電磁波測距儀分為光電測距儀和微波測距儀。在光電測距儀中，又按光源的不同，分為激光測距儀和紅外測距儀。光電測距儀是以光波運載測距信號測量兩點間距離的一種測距方法。

　　與傳統(tǒng)的用鋼尺測量距離的方法相比較，光電測距具有精度高、靈活機動、作業(yè)迅速及受地形影響小等特點。光電測距技術自上世紀60年代以來得到了迅速的發(fā)展，特別是采用半導體紅外光源的紅外光電測距儀（以下簡稱紅外測距儀），已成為城市及各種工程中常用的測量工具。

　　在紅外測距儀中由主控振蕩器（即主振）產(chǎn)生的調制信號頻率f，經(jīng)放大后加到G aAs發(fā)光管，經(jīng)電流調制出紅外調制光，從發(fā)射光學系統(tǒng)發(fā)出射向鏡站的反光鏡；經(jīng)反射后，回光被接收光學系統(tǒng)所接收，到達硅光敏二極管；經(jīng)過光電轉換，得到高頻的測距信號。利用差頻原理獲得中頻f的測距信號e.它保留著在測線上往返所形成的相位差。與此同時，在混頻II中，本振與主振信號不經(jīng)測線直接在機內會合，從而可以得到用于比相的中頻基準信號（參考信號） e.兩者經(jīng)過選頻放大和整形后輸入到檢相器比相，得到相位差。最后得通過運算和顯示系統(tǒng)直接給出所測的距離值。

　　紅外測距儀的測程一般為0. 5 5 km，最遠的達至11 15 km.雖然目前最先進的雙目望遠鏡式紅外測距儀（帶電子羅盤） LEICA7X42BDA，測量范圍： 25 1 000 m，產(chǎn)品特征：長度： 206 mm；寬度： 178 mm；高度： 81 mm，顯然均不符合本課題的要求。

　　2. 3微波測距

　　微波測距儀是利用微波作載波測定兩點間直線距離的一種無線電設備。它是利用電磁波經(jīng)過一定距離就會引起相位變化，通過測定這種相位變化來確定兩點間的距離。

　　這種相位法測距就是從發(fā)射機定向發(fā)射電磁波至待測目標，經(jīng)待測目標反射回來以后，再比較發(fā)射波和反射波的相位，測定了此相位差，就確定了待測距離R.

　　測距范圍陸地使用時的最大作用距離35 km，海上使用時的最大作用距離25 km，最小作用距離0. 5 km，目前CJ95A型微波測距儀測程： 20 25 000 km仍然不符合該設計的要求。

　　2. 4超聲波時間法

　　利用超聲波來測距是一種傳統(tǒng)的非接觸測量方法，由于它具有不受光及電磁波等外界因素的影響，對環(huán)境有一定的適應能力，且操作簡單，測量精度高等優(yōu)點被廣泛地應用。

　　2. 4. 1超聲測距原理

　　超聲波在空氣中的傳播速度為340 m /s，因此，如果能測出超聲波在空氣中的傳播時間，就能算出其傳播的距離。超聲波測距就是通過測定超聲波傳播的時間間接測出聲波傳送的距離，這就是所謂的時間差測距法。

　　超聲波測距的原理是：發(fā)送器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播途中碰到障礙物（或對象物）就立即返回來，接收器接收到反射波就立即停止計時，這時計時器就計下了超聲波從發(fā)射端到障礙物間的來回傳播的時間t，而發(fā)送器到障礙物的距離可用式（ 3）計算出來R = t 2 v（ 3）

　　2. 4. 2超聲波測距優(yōu)點

　　1）非接觸測量目標物體的距離而勿須接觸物體。

　　2）寬的測距范圍0. 05 20 m.

　　3）高精度測量測量誤差小于0. 05%，重復精度0. 1%.

　　4）適用于各種目標物體的測距超聲測距儀的工作性能不受目標物體光學性能的影響，如顏色、透光性、環(huán)境的光照度等。

　　5）高靈敏超聲測距儀既可測量小目標，也測量大目標，既可測量近距離，也可測量較遠的距離。

　　6）使用方便可隨身攜帶，一人操作，不受工作地形環(huán)境的限制，特別適合操作人員無法接近的物體的測距。

　　2. 4. 3適用條件

　　由于超聲測距方法具有設備簡單、價格便宜、體積小、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量距離、測量精度等方面能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的研究與應用。

　　超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。因此在卷筒直徑實時測量、工作情況監(jiān)測、物體的尺寸分類或選擇、層面、液面控制、接近預警或安全防范、非接觸測量、系統(tǒng)輸出、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。

　　另外還有其他的幾種孔內測距方法如光纖微位移測距傳感，其測距的范圍很�。� 0 2 mm ），也不符合。將這幾種孔內測距方案從工程經(jīng)濟性、技術可行性、作業(yè)實用性3個方面進行比較，最終選用超聲波測距傳感器。

　　3藥壺體積測量儀的測量

　　3. 1藥壺體積測量儀器根據(jù)不同的施工現(xiàn)場和地質條件的需要，鉆孔有時候需要鉆垂直孔、水平孔或傾斜孔。

　　在這里藥壺體積測量儀器（如所示）主要是針對垂直孔而言的。整個儀器裝置由單片機模塊、測距探頭、帶動探頭旋轉并上升的步進電機、連接桿、防護罩等構成。在藥壺形狀和體積未知的情況下，為了達到精確測量出藥壺的半徑和體積，單片機模塊需實時讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行計算處理，由點到線，然后到面，最后到體的體積計算過程。

　　3. 2藥壺體積測量體積計算

　　3. 2. 1面積計算在進行第一次或多次擴壺之后，先將裝置連接完備，之后將探頭伸入壺底2個方向同時測量出藥壺同一個條直線上的2個半徑R 111、R 112；之后將探頭向某一個方向旋轉一個角度，然后再測出其2個對應的半徑R 121、R 122，再旋轉同理又有然后R 131、R 132 R 151、R 152對于第一組測量值可根據(jù)S = 1 2 R 2計算出其平面幾何圖形的面積。由于旋轉角度很�。�假設取/18），可近似將其中2個臨近的半徑組成的扇形看成理想模型，所以整個截面面積S 1 = 1 /2

　　k 1（R 2 1m1 + R 2 1m2） （k、m均取正整數(shù)）（ 4）3. 2. 2體積計算利用步進電機將探頭再提升H再測量出直徑R 211、R 212；每次提升相同的H.重復上敘述過程直到R nm 1、R nm 2（m = 1， 2， 3， 4， 5 j； n = 1， 2， 3，k）；同理可以算出S 2，S 3 S n，因而藥壺容積V = H

　　l 1 S i（ l為正整數(shù)）（ 5）該儀器的測量精度，除了與超聲波的測距精度爆破體積測量儀器測量示意圖有一定的關系外，更主要的是由旋轉角度和提升高度H決定。雖然可以通過減小旋轉角度或減少提升高度H來提高測量精度，但同時也增加了測量時間。在盡量短的時間內不影響測量結果條件下選定合適旋轉角度和提升高度H達到最優(yōu)的測量精度。

　　3. 3硬件設計

　　單片機模塊系統(tǒng)結構圖如所示。按鍵輸入?yún)��?shù)設定值，如步進電機的旋轉角度、如超聲測距發(fā)送信號等。主控芯片采用高性價比的嵌入式微處理器AT89C2051.主控芯片發(fā)送PWM信號控制步進電機做旋轉運動。在選擇超聲傳感器的頻率時，由于選擇工作頻率為1 5 MH z超聲傳感器，該頻率遠小于單片機模塊的晶振頻率（ f ocs = 16 MH z），所以，晶振產(chǎn)生的頻率需要經(jīng)過分頻處理后才能供超聲傳感器使用。超聲信號通過發(fā)送電路發(fā)出時，計數(shù)器停止時，計算出某一個方向的半徑，然后藥壺體積測量原理繼續(xù)檢測計算數(shù)據(jù)，最終，將數(shù)據(jù)通過RS232傳送到上位機保存或通過LCD液晶顯示。

　　4結語

　　藥壺體積測量儀器與傳統(tǒng)的測量方法，可更精確地測量出藥壺的體積。超聲測距時，溫度以某一個確定值來處理的，但實際在藥壺某一部分測試時，溫度是不均勻；即使在里面安裝溫度傳感器也只是測量出某一個部分的溫度，因此，該儀器的設計仍有待改進。

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