应用探析｜千眼狼高速双目视觉测量系统在爆破领域中的应用

爆破技术是现代工业生产、施工的重要技术手段，起爆器材性能及爆破效果设计直接决定爆破工程的成败和安全。研究爆破漏斗形成过程和爆堆抛掷作用，正确地分析影响爆破效果的各种因素，在计算爆破预期和爆破设计工作中十分关键。

由于爆破过程的短时、高速、高温等特征，传统手段很难获得精准数据，因此亟需一种非接触式、高精度、自动化测量手段对爆破过程进行研究。中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院科研团队利用千眼狼高速摄像仪，建立爆破抛掷物运动观测系统，观测混凝土模型爆破试验过程，计算爆破抛掷物运动速度（更多详情请见《工程科学与技术》2020年1月第 52 卷 第 1期）。

模拟实验:混凝土模型爆破试验

混凝土模型与力学试块

试验地点为内蒙古某露天矿山，首先制作试验混凝土模型，尺寸为2.0m×0.4m×0.3m，材料为C30混凝土，自然条件下养护28d拆模。同时制作100mm×100mm×100mm混凝土试块，经测试单轴抗压强度为42.15MPa。

系统设备

两台高速摄像仪搭建高速双目视觉测量系统，并将标定板在距离仪器设备8～10m范围内以不同姿态摆放，设置双目标定。标定完成后，布置警戒线，连接起爆器和高速摄像仪快门线，远程快门触发进行拍摄，拍摄时长3s，并利用爆破抛掷物运动观测系统，对爆破抛掷物整体运动阶段和分散运动阶段进行分析。

分析一:整体运动阶段

　整体运动阶段

整体运动阶段雷管起爆时可在图像中看到导爆管内有明显白色闪光，可确定起爆时间。对高速采集图像观察可知，起爆后1.25ms模型表面开始隆起；6.5ms时抛掷物已运动约6.5cm，抛掷物以整体运动为主；8ms时爆堆表面开始产生裂隙，主要轮廓线有7条；9ms时裂隙更密集，主要轮廓线为14条；10ms时主要轮廓线有16条；11ms时抛掷物已显著分散成块。由（a）～（f）可知：8～9ms抛掷物表面裂隙发展较快，分散作用强；9～10ms裂隙增加不明显，故将9ms作为整体运动与分散运动阶段的分界线。

分析二:分散运动阶段

图像I0（左相机）中选择碎块

因爆破烟尘的遮挡不利于图像处理，所以选第20ms图像作为数字图像相关匹配的第1帧，记做IO，此时爆破烟尘与碎块已基本分离，选取典型碎块进行分析，编号为Rect.1～Rect.6，如上图所示。

碎块运动轨迹

通过碎块运动轨迹图得1#和2#位于左上方，已完全脱离碎块整体，不再受到其他碎块的干扰，位移量最大，运动轨迹较规则；3#和4#位于中部，周围碎块较多，运动轨迹易受到其他碎块的影响；5#位于右上，已脱离整体，运动轨迹与1#和2#类似，但其为薄片状，运动过程中的翻转消耗了自身动能，速度偏小；6#位于下部，始终受制于其上方的碎块，位移最小。6枚碎块的总体运动趋势一致，呈现以爆破漏斗为中心倒锥形向外扩散。

碎块运动速度–时间曲线

根据6枚碎块的运动速度曲线图可知，位于不同区域的碎块飞行速度是不同的，但总体呈减速运动趋势。1#和2#飞行速度达到26.24m/s；3#～5#速度为9～16m/s；6#处于下部，受其他碎石影响，且不断翻转，速度仅为5～6m/s。

抛掷物的运动过程分析中，爆炸时加速运动，存在潜在的爆破飞石，随后在爆炸冲击波的作用下抛掷物个别碎块继续加速，气体消散后，碎块做弹道运动。

总结

上述实验研究结果有助于正确分析影响爆破的因素，精准测量爆破过程，提高爆破工程成功率。千眼狼高速双目视觉测量系统搭配DIC应变测量，能为爆破技术提供更可靠的应用价值。