水下爆破振动信号测量系统设计探究

水下爆破振动信号测量系统设计探究

钟瑜隆

福建江夏学院

摘要：本文结合水下爆破振动信号的主要特点，设计了水下爆破振动信号测量系统，该系统主要包括总体结构设计和硬件电路设计两部分。其中硬件系统主要由传感器、信号调理、数据采集与处理等组成，透过系统信号分析，进行水中冲击波有害效应的防护措施，期望能够为相关人士带来一些帮助。

关键词：水下爆破振动信号测量系统；设计；信息技术；爆破振动

前言：在水下爆破施工过程中，为确保施工安全及施工进度，必须实时监测爆破振动，掌握爆破振动的影响范围[1]。通过水下爆炸试验，爆炸冲击波与气泡脉动对钢板应变和挠度的变化规律。由于爆破试验研究危险高、周期长，目前各国学者对水击波的试验研究普遍依托于工程项目[2]，通过分析威海港口码头实际监测数据，总结水下基床爆夯产生的振动与水击波变化规律[3]，工程中实测数据用以分析水击波压力峰值与爆破作用时间的关系[4]，得到水击波传播变化公式。以长江航道中水下爆破工程为背景，通过分析有限水域爆破监测数据，总结了水击波、二次气泡脉动和建(构)筑物振动特征与规律[5]。当爆破震动超过允许范围时，应停止爆破作业。水下爆破振动信号测试系统，即为采用传感器将采集到的振动信号传送到计算机，经过分析、处理，获取爆破振动强度的一套系统。通过应用该系统能够有效提升施工质量和效率，因此对水下爆破振动信号测量系统设计进行分析具有重要价值。

1水下爆破振动信号测量系统总设计

本文对水下爆炸振动信号测试系统的总体设计进行了研究，主要涉及软硬件设计两个方面。硬件部分主要完成了数据的采集与传输、信号调理与显示、数据库的管理。在软件设计上，主要由三个部分组成： PC机程序、振动信号采集与处理程序、数据库管理程序。首先进行 PC机程序的设计工作，包括人机界面设计、振动信号的采集、数据的分析和处理以及用串口进行数据传输等功能。其次为振动信号的采集与处理，编写了单片机的控制软件，能够实现振动传感器驱动、数据接收和处理等。数据库管理软件能够实现数据存储、查询、显示、打印等功能，该系统采用高速 AD转换芯片AD7606对振动信号进行采集和处理。AD7606是一款250 MSPS的高精度模数转换器，可同时进行8路采样，单路随机读写能力可达200 K。采用AD7606对振动信号进行处理，可以提高测量精度、降低系统误差、使数据采集与分析处理自动化。利用 Matlab软件，实现振动信号转换，并能通过串口发送到上位机。PC机程序需要完成对振动信号的读出、显示、分析和存储等功能。用 Matlab软件建立数据库，把数据传送给上位机作存储、分析、处理，并把结果存入数据库，供用户查询、打印。

2水下爆破振动信号测量系统的硬件电路设计

水下爆炸振动信号测试系统的硬件电路设计主要包括传感器、信号调理、数据采集与处理三个部分。该系统使用24位模数转换器，取样频率30 kHz，最大量程1 mA，输出电压范围0-20 mA，采样率20 kHz。其采用4片ADS1274实现采样，4片ADS1274分别对三路信号进行调理。信号调理电路将模拟信号经过滤波放大后，分别得到低通滤波器、高通滤波器以及带通滤波器，并将其送到 ADC中进行采样处理[6]。本系统采用AD603作为 AD芯片，内部包含两个模拟比较器，可在一次比较周期内完成输出电压的比较与采样。利用这两个比较器，能够实现模拟量转换，并经 A/D转换芯片送入计算机。AD603可将输入的模拟信号进行积分、微分运算，并将其输入计算机。AD603也可用于对采集到的数字信号做快速傅立叶变换运算，以求出数字信号的频谱。本系统共采用3片SAA7113芯片完成模数转换，该芯片内部采用了两路 AD转换器，既能采集模拟量，又能处理数字量。在采样过程中，三路 ADC将采集到的数据分别送入三路输出通道，随后再分别送入对应的 AD转换器中。在 AD转换过程中，由于芯片内两个模数转换器之间无法进行数据交换，所以需要使用高速串行总线来进行数据传输。

3水下爆破振动信号测量系统的软件设计

在设计数据采集处理程序的过程中，需要划分各个功能模块[7]。首先，在PC机上应根据需要采集的数据类型，设计相应的数据采集处理模块；随后，通过数据采集和处理模块对数据进行处理；最后，利用 PC机和数据库管理系统的通讯功能，实现数据库管理。其中以上位机程序为核心，对整个系统起到了至关重要的作用。该系统的主要内容包括：（1）数据采集与处理。该模块主要完成振动信号的预处理，如滤波、放大等；（2）存储振动信号的数据。该模块完成了振动信号的存储和存储；（3）数据库管理（Database Management）模块。该模块主要负责对数据库中存储的数据进行整理、分类和查询等操作。这一部分主要能够实现调用PC机软件中的各个功能模块，以达到实时显示的目的。该系统以Windows2000操作系统为平台，以 VB6.0为 PC机，能够完成振动信号的采集、处理及数据库管理等工作。

4水下爆破振动信号以数值分析软件进行安全设计

在现有标准和规范中，仅有关于水中冲击波及涌浪安全允许距离的规定，缺乏对于水中建(构)筑物的具体安全控制标准的内容,因此针对数据采集水下爆破振动信号以水下爆破数值模拟建立模型,以提供依据应用数值软件ANSYS/LS-DYNA研究水介质和空气介质不耦合装药状态下对水下单孔岩石爆破破碎程度的影响，不同水深对水下钻孔爆破地震波与水击波的影响并总结相关规律与水下钻孔爆破不同起爆方式和不同物质填充减振孔对爆破地震波的传播影响和建(构)筑物减振的效果等。通过分析软件计算手段控制水中冲击波效应运用在实际工程设计及施工中，减少对周边建(构)筑物的影响，本系统所测得的振动信号范围内具有重大的理论研究意义与工程应用价值。

5系统测试

本系统所测得的振动信号在0—125 Hz范围内，振幅均在0.1米/秒以上。在高频段，振动信号均小于0.1 m/s，表明该系统可以采集到较小的振动信号。实验结果表明，该系统所采集的振动信号在频率、幅值等方面均与现场实际情况相符。无论是低频还是高频，系统所测振动信号均无显著变化。但在低频段，系统所测得的振动信号幅值明显高于实际爆破振动频率（0.5-5 Hz）；在高频段，系统所测得的爆破振动信号幅值比实际爆破振动频率（0.5-5 Hz）小得多。因此，本系统能够很好地监测水下爆破振动。

结束语：本文以水下爆破振动信号测试系统为研究对象，详细阐述了系统的软硬件设计与振动信号冲击波对建(构)筑物的影响。该系统可广泛应用于水下爆破工程设计及施工中，可获得较准确的爆破震动强度，为水下爆破安全性评价提供重要依据，对工程建设具有指导意义。

参考文献

[1]赵宝平,王茂法,王佳楠,等.水下滑翔机声学测量系统的低功耗采集存储系统设计[J].声学技术,2021,40(3):353-357

[2]李旭东,尹建平,杜志鹏,等.多次水下爆炸钢制圆板应变与挠度增长规律分析[J].振动与冲击,2020,39(05):131-136.

[3]王国兴,王斌,孙炜.抛石基床水下爆破夯实的振动冲击监测与分析水运工程,2018(03):193-198+220.

[4]柯松林,李琳娜,司剑峰,等.水下钻孔爆破的爆炸冲击波测试与分析[J].中国工程科

学,2014, 16(11): 103-106.

[5]佟锦嶽,石教往,熊长汉,等.水下工程爆破对环境影响规律研究(上)[J]. 爆破,2000(03):6-12.

[6]李岳．微振动测量系统信号处理技术研究[D]．天津大学,2020

[7]马晨阳,吴立,孙苗.自由面数量对水下钻孔爆破振动信号能量分布及衰减规律的影响[J].爆炸与冲击,2022,42(1):142-153.

基金项目：福建省自然科学基金资助项目（2021J011232）