探测试验范文

探测试验范文（精选8篇）

探测试验 第1篇

风电机舱内基本结构见图1所示。

1 风电机舱火灾探测器选用

对于火灾探测系统应能及时探测火灾发生, 同时也要避免误报警现象的出现。因此, 不仅要选择高精度的探测器, 还要根据不同火灾隐患、结合风电机舱所处的环境因素, 选择不同类型的探测器。

根据风电机舱的结构特点和设备组成, 确定风电机舱的火灾类型主要是油类火灾和电气火灾。机舱主轴和齿轮箱、刹车系统等部位的火灾成因是:齿轮箱用油或其他润滑用油等可燃材料遇到合适的点火源 (局部异常高温、Z机械制动引起的飞溅火花) 被点燃并发生蔓延, 产生烟雾。发电机、控制柜以及变频柜等部位的火灾成因是:线路老化绝缘损坏产生短路发热、线路连接处接触不良发热、产生电弧, 电容器闪络击穿, 在此过程中, 电缆及其绝缘层会发生高温热解而产烟, 进而引起火灾蔓延。根据以上火灾特性, 在机舱内选用针对温度、微弱烟雾以及火焰的火灾探测器。

在风电机舱中要确保对火灾初期烟雾进行及时可靠地探测, 机舱内电线电缆火灾初期发热和发烟量很少, 而且这些量少且温度不高的烟气的扩散能力很差, 点型感烟探测器在火灾后烟雾扩散至探测器并达到一定浓度时才能实现探测和报警, 属于被动式探测。而在烟雾扩散过程中, 由于风电机舱有窗户、门等对外开口, 内与大气相通, 气流速度较快, 导致烟雾在上升过程中被稀释、冷却, 难以达到点型感烟探测器报警阈值而无法报警或延迟报警。因此, 针对风电机舱的火灾危险特性, 结合机舱所处的环境特点, 在整个机舱内选用吸气式感烟探测器, 合理布置采样孔, 保证舱内空间都在吸气式感烟探测器的保护范围内。在齿轮箱和液压系统部位, 设置红外火焰探测器。

2 火灾探测系统实火试验

设计风电机舱燃烧室模型开展实体火灾试验, 模拟机舱内火灾真实工况, 对火灾探测系统的早期探测、报警能力进行测试。

2.1 试验场所

试验在风电机舱模拟试验舱内进行, 该试验舱按照上海某风电场的850kW风力发电机舱 (见图2所示) 1∶1比例制造, 能够耐受一定的压力和温度, 其外形尺寸和内部构造与850kW真实风力发电机保持一致, 尺寸约为6.55m2.24m3.15m, 如图3所示。机舱外部使用一个风机, 放置在叶轮部位正中心, 提供10m/s的风速, 模拟高空风电机舱外部最恶劣的风场环境。

2.2 试验系统

试验舱顶部安装吸气式感烟探测器采样管以及火焰探测器, 分布如图4、图5所示。小圆圈表示采样孔和采样管末端带端帽 (1、2、3、4) 。方块表示火焰探测器 (7) , 长方形表示吸气式探测器主机 (6) 。

2.3 试验方法

为验证探测系统的可靠性, 针对典型风电机舱火灾类型开展实火试验, 探测系统由吸气式感烟探测器和火焰探测器组成, 根据产品要求设计安装。分别在发电机部位设置电缆阴燃火、电路板阴燃火;液压系统部位设置油盘火;刹车部位设置聚氨酯泡沫火;齿轮箱部位设置油盘火;塔筒部位设置电缆阴燃火。试验具体设置见表1。

2.4 试验火源模型

(1) 油盘火模型。设计小型油盘火, 模拟液压系统和齿轮箱两个部位发生各类油污泄漏沉积形成小油池, 遇到合适点火源起火的工况。油盘底面尺寸为200mm200mm, 使用柴油作燃料, 自动点火器点火。

(2) 阴燃电路板火模型。电路板阴燃火模型模拟电路板出现电气故障时燃烧初期的特征, 将废旧电路板铺放于恒温加热台面, 台面温度调至400℃, 使其阴燃。

(3) 阴燃电缆火模型。阴燃电缆火模拟舱内存在电缆的位置, 电缆阴燃发生的电气火灾。模拟电缆在出现电气故障的情况下产生高温逐渐热解阴燃的阶段, 模拟其热解出浅色挥发分而尚未产生明火时期的特征。采用60根长10cm、横截面积1mm2的导线, 均匀铺放于恒温加热台面, 台面温度调至380℃, 使其发生阴燃。

(4) 聚氨酯泡沫明火模型。聚氨酯泡沫明火模型用于模拟机舱内发生固体火灾的工况。使用3块50cm25cm3cm、密度约20kg/m3的无阻燃剂软聚氨酯泡沫垫块, 3块叠放在一起。底板为铝箔, 其边缘向上卷起, 最下面垫块的一角浇少量酒精后用自动点火器点火。

2.5 试验结果与分析

在机舱5个部位进行了4类试验, 以模拟在5个火灾高风险部位发生的典型火灾, 共6项火灾工况。试验记录了火焰探测器与吸气式感烟探测器的报警响应情况、试验空间温度分布及探测器测量的烟雾浓度值。

2.5.1 报警时间

不同工况火灾探测系统报警时间见表2 (0表示不报警) 。可以看出, 在油盘火和聚氨酯泡沫明火工况下, 火焰探测器均先报警, 约为15s, 吸气式探测器后报警, 约30s出现火警。由于火灾初期即出现明火, 火焰探测器感应火焰辐射电磁波, 响应快, 对于无阴燃阶段的火灾, 火焰探测器更具有优势。对于设计的阴燃火, 吸气式感烟探测器采用主动吸气的方式提高了报警效率, 从开始过载短路到识别出火警, 最快为45s, 而这个阶段火焰探测器不能识别火灾。在风电机舱可能存在电缆阴燃火及明火的场所, 可以将两类探测器结合使用。

2.5.2 烟雾浓度与报警时间

图6~图11为6种火灾工况试验中吸气式感烟探测器所测烟雾浓度。由图可知, 明火试验中烟雾浓度产生速率远远高于阴燃火, 产生的烟雾总量远高于阴燃火, 因此对于齿轮箱油盘火、液压系统油盘火、刹车聚氨酯泡沫火, 吸气式探测器具有非常迅速的反应速度。由表2可知, 最慢31s出现火警, 检测到烟雾浓度峰值最高达20%/m。由图7可知, 塔筒人孔部位电缆阴燃火在约100s时烟雾浓度达到0.14%/m, 此时吸气式感烟探测器报警。由图8可知, 电路板在加热初期并未阴燃, 所以相较于同一部位的电缆阴燃火工况, 报警时间较长, 但由于电路板阴燃过程中烟雾产生速率较快, 开始阴燃后在很短的时间内就达到报警阈值0.14%/m。

在风电机舱连接塔筒的部位空间, 也存在较大电缆火灾隐患, 为检测最不利探测时间, 在该部位 (塔筒人孔部位) 水平最低处放置电缆阴燃火, 以考察探测系统的性能。比较图6与图7可知, 由于烟雾运动的垂直距离不同, 水平位置高的电缆火检测烟雾浓度上升较快, 探测时间较短 (发电机部位的探测时间约为塔筒人孔部位的1/2) 。相同类型火源发生在机舱不同部位, 其探测时间有较大区别, 主要取决烟雾到达探测器并聚集到一定浓度所需的时间。由此分析, 吸气式感烟探测器探测效率受风电机舱的建筑结构影响较大, 在设计探测器采样孔时, 应考虑对空间内最不利探测部位的保护。

2.5.3 试验舱温度分布

试验主要采用K型热电偶测量机舱中心及尾部的温度分布, 1个热电偶测量火焰温度, 热电偶布置如图12所示, 2号热电偶用于测量火焰中心温度。火焰及烟气的温度分布取决于燃烧速率、羽流卷吸的速率及环境热交换的影响, 阴燃火试验中无明火, 对试验舱热辐射影响较小, 舱内温度无明显变化。而油盘火和聚氨酯明火, 由于火焰燃烧导致温度急剧上升, 火源正上方的热电偶温度最高达到约383℃, 见图13、图14所示。试验采用的油盘火和聚氨酯火火源功率低, 燃烧速率低, 机舱外部还开启一个风机, 加速了燃烧与环境的热交换速率, 舱内空间温度在试验过程中略有上升, 燃烧产生的热烟气层首先在舱顶聚集, 温度为:K10>K9>K8>K7>K6>K5>K4>K3>K1, K10的温度峰值只有46 ℃。而图9~图11所示, 此类试验中烟雾浓度峰值较高。因此, 风电机舱的早期火灾探测选用感烟探测器更加可靠。

3 结论

(1) 火焰探测器在明火工况下较吸气式感烟探测器响应快, 但火焰探测器对于电缆阴燃火和电路板阴燃火没有反应, 由于火焰探测器探测视角的限制, 在风电机舱中只能作为辅助探测手段, 其设置保护区域主要为齿轮箱和液压系统部位。

(2) 吸气式感烟火灾探测器应为风电机舱火灾探测的首选。大量试验证明, 吸气式感烟火灾探测器的应用效果较好, 对机舱内各类火源均能有效探测, 应为该场所的探测手段首选。

(3) 不同位置的相同类型火源模型, 吸气式探测器响应性能不一样, 这是由于火灾产生的烟雾上升扩散到探测器的距离不同导致的。吸气式感烟探测器探测效率受风电机舱建筑结构的影响较大, 在设计探测器采样孔时, 应考虑对空间内最不利探测部位的保护。

(4) 电缆发烟速率较快, 电气故障过载发热达到其阴燃温度能立即发烟, 而电路板发烟延迟, 一旦阴燃发烟速率立即升高。发生于同一部位的不同类型火源, 吸气式探测器响应时间取决于可燃物发烟的时间。

(5) 吸气式感烟探测器对于风电机舱这种高空气流换速较快的场所, 探测性能较稳定, 与火焰探测器结合使用能及时准确地监测整个风电机舱火情。

摘要：在介绍风电机舱基本结构, 分析风电机舱内火灾探测器选用, 介绍风电机舱火灾危险性的基础上, 设计典型火灾工况, 开展实火试验, 对火灾探测系统的性能进行检测及验证。结果表明, 火焰探测器对于液压系统部位及齿轮箱部位的油火识别速度较快, 吸气式感烟探测器能识别机舱各部位各种类型火灾, 吸气式感烟探测器和火焰探测器结合使用能够及时准确地监测风电机舱内各类火情。

关键词：火灾探测器,风电机舱,实体火灾试验

参考文献

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[2]徐大军, 张晋, 刘连喜, 等.风力发电机组火灾特性与消防系统应用研究[J].消防科学与技术, 2010, 29 (12) :1081-1083.

[3]张晋, 徐大军, 刘连喜, 等.风力发电机组火灾特性与消防系统试验研究[J].消防科学与技术, 2011, 30 (7) :608-611.

[4]Oritz-Molina M G, Toong T Y, Moussa N A, et al.Smoldering combustion of cellular plastics and its transition of flaming or extinguishment[C].Proceeding of Seventeenth Symposium (International) on Combustion.Pittsburgh, The Combusting Institute, 1979-1991.

[5]吴龙标, 方俊, 谢启源, 等.火灾探测与信息处理[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[6]NFPA 850-2010, 发电厂和高压直流转换站的防火推荐规程[S].

探测试验 第2篇

电阻率法探测黄土滑坡滑动面(带)的试验研究

根据滑体与滑床土的结构差异特性,其中电阻率特性也有显著不同,利用WDJD-1型多功能数字直流激电仪和改进的.探测电极装置,分别在滑坡后壁原状黄土地层、探槽及钻孔中测试黄土滑坡滑面上下各层土的电阻率值.试验结果显示:电阻率测试曲线在滑动带位置出现异常跃变现象,而曲线在未滑动过的黄土地层之间变化差异不明显.这一异常突变特性,在实践中可作为鉴别滑动面位置的特征标志.该探测方法充分利用现有的勘探技术条件,操作简便,试验结果直观,可在黄土滑坡勘察实践中推广使用.

作 者：龙建辉 李同录 张钊 LONG Jianhui LI Tonglu ZHANG Zhao  作者单位：长安大学地测学院,西安,710054 刊 名：工程地质学报  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING GEOLOGY 年，卷(期)： 15(2) 分类号：P642.22 P631.3 关键词：电阻率特性   黄土滑坡   滑带   探测技术  

探测试验 第3篇

寿命长

美国勇气号和机遇号火星车是一对一模一样的“双胞胎”，各自长1.6米、宽2.3米、高1.5米，重174千克，大小与高尔夫球场的小车相似，于2003年6月10日和7月8日分别发射。它们主要完成的探测任务是判断火星上是否有过生物，明确火星气候特征，掌握火星地质特征；为人类探索打下基石。经过约半年的飞行，勇气号和机遇号分别在2004年的1月3日和24日经历了惊心动魄的6分钟降落过程之后在火星表面安全着陆。它们着陆方式采用与1997年在火星上着陆的“火星探路者”一样的弹跳方式。

勇气号着陆在古谢夫陨石坑，它位于距离火星赤道以南15°的地方。之所以在这里着陆，是因为科学家认为，这里平坦的地形适合着陆。但更深层次解释是，这里有可能是一个干涸的湖床，在这里更易获得火星是否存在或存在过生命的依据。不过，这里终日沙尘暴弥漫，但在设计时已经考虑到这种情况，使勇气号足以抵御沙尘暴的袭击。

机遇号着陆的区域位于与古谢夫环形山几乎相背的火星赤道以南2°的地方，它被称为梅里迪安尼平原，存在氧化铁矿物，而这些矿物通常在有液态水的环境下生成。梅里迪安尼平原是“火星地表最安全的地方”，没有岩石、灰尘和大风的威胁。

与人类相似，勇气号和机遇号火星车有“身体、大脑、眼睛”等，像一个到火星上考察的地质队员一样。按照设计，它在１个火星日能负重跋涉40米。其“身体”是1个保护内部计算机、电子学部件和电池的外壳，并具有温度控制作用。

它的“大脑”实际上是处理信息的计算机，还用于监测火星车的“健康”状况，拍摄照片、行进、操作仪器和通信也都是在这个“大脑”支配下进行的。火星车携带了一个“惯性测量单元”，能提供其位置的三维信息，能让漫游者进行精确的垂直、水平和左右移动。这个装置用于漫游者导航，可使其安全移动，能估计它所处的火星表面的坡度。为了在所有阶段都能正常工作，勇气号和机遇号温度保持在±40℃之间。在晚上，火星表面温度降到－96℃，这时火星车体内的加热器工作，使其保持在正常温度范围。

勇气号和机遇号各有9台相机，它们相当于“眼睛”。其中的6台工程相机为火星车导航服务，以用于防止它撞击障碍物；另外3台相机进行科学研究。

用于科学研究的2台全色相机安装在火星车高1.4米的支架上，因而有很宽的视场。在水平方向，全色相机可以在360°范围内转动；在仰角方向，全色相机可以围绕水平方向在±90° 范围内转动。它们可获取火星表面三维全色图像，将用于对火星表面和天空成像。全色相机基本上模仿人眼的分辨率（0.3毫弧），给出的图像就像1个地质学家站在火星表面上所看到的一样。由于它具有多光谱成像的能力，所以可帮助科学家更多地了解火星岩石和土壤中发现的矿物。

除载有全色相机和显微成像仪外，勇气号和机遇号还装备了以下探测设备：①微型热辐射光谱仪，是通过探测来自远处的热辐射来记录各种岩石和土壤的谱，从而确定矿物的类型和丰度，寻找与水作用而形成的矿物，也观测火星大气层并收集温度、水蒸汽和尘埃丰度的数据。②穆斯堡尔光谱仪，是用于研究含铁矿物的仪器，能以高的精度确定矿物的成分和丰度，因此还可以帮助了解表面物质的磁性质。③a粒子和X射线光谱仪，是通过探测由岩石和土壤发射的a粒子和X射线，进而确定它们的元素化学性质。④岩石研磨工具，可在火星表面岩石中打出直径45毫米、深5毫米的洞，然后用其它仪器详细检验清除的面积，利用岩石内部和外部差别揭示岩石的形成过程和环境对它的影响。

仪器展开装置是该火星车的“胳膊”。它通过三个铰接头（肩、肘和腕），可灵活地使仪器伸展、弯曲和与岩石精确地成一定角度。臂的末端是一个转动架，结构像手，能握住各种工具（仪器），并可以旋转350°。“胳膊”上的显微成像仪是1台单色相机，它用于近距离获取岩石和土壤的图像，提供火星岩石和土壤小尺度的信息。通过近处观测火星表面物质，可以补充其它科学仪器的发现。分析沉积岩石颗粒的大小和形状对于辨别在火星过去是否存在水是很重要的。

它们的“腿”是6个轮子，能爬45°以下的坡，并可以跨过大于轮直径（25厘米）的障碍（如岩石）或洞。每个轮也有履带，可在软的沙地行驶，也能爬越岩石。在平坦硬地上，“火星漫游者”的速度是5厘米/秒。

每辆火星车上有3套通信天线：超高频天线可以通过绕火星飞行的“火星全球勘探者”和“火星奥德赛”轨道器与地球联系，而低增益天线与高增益天线则可直接与地球联系，其中低增益天线用于数据量较低的通信传输，而高增益天线用于数据量较高的通信。

与世界第1辆火星车“索杰纳”相比，勇气号和机遇号火星车的性能有了较大的提高，实现了对火星较大范围的移动考察，标志着火星探测进入了新的重要阶段。

勇气号和机遇号上的全色相机所拍的彩色照片总像素达到1200万，清晰度是此前人类拍摄的最好火星照片的3～4倍。

勇气号和机遇号在技术和科学方面都取得了巨大成就，其中最大的技术进步在于获取科学信息的能力。除增加了相机的数量、穆斯堡尔光谱仪和微型热红外光谱仪外，还携带了岩石钻探工具和显微成像仪，在整体性能上也有很大提高，其中包括在火星车的大小和机动性等许多方面的改进。它们在工作寿命、行驶速度、探测性能等许多方面，都大大超出了设计范围，获得了大量新信息，其中最喜人的成果是证实火星表面上曾经存在水。

在美国《科学》杂志评选出的2004年度10项科学突破中，勇气号和机遇号火星漫游车证实火星表面上曾经存在水，被评为2004年世界科技领域的最大突破。美国科学家2004年12月13日称，勇气号在火星的“哥伦比亚山”地区发现了针铁矿，这种物质的发现可以证明火星上有水，它和机遇号在火星另一面所发现的黄钾铁矾一样，是当时火星上有水的最有力证据。

勇气号火星车在轮子受损的情况下，于2007年5月22日找到了迄今有关火星有水的最强有力证据。勇气号6个轮子中的一个已经不能旋转，因此，它经过的火星表面都会形成一道道深深的“沟壑”。有意思的是，正是这些不经意的动作带来了火星探测史上最重要的发现！因为“沟壑”中被“刮蹭”过的火星土显现出明亮的颜色，而勇气号对这些特殊的火星土进行化学分析后发现，其中硅石的含量竟然高达90%，而这有可能成为证明火星远古时期远比现在湿润的有力证据，因为硅石的沉积是需要大量的水作为条件的，所以火星过去可能比现在更湿润。参与火星车项目的科学家们认为，这项最新发现再次证明，在火星上曾经也存在过适合生命存在的条件。新的发现再次巩固了有关在火星上曾经有大量水存在的论断，同时也有可能证明“火星也曾是一颗适合生命生存的行星”。

2007年10月15日，美国喷气推进实验室宣布再度延长勇气号和机遇号火星漫游车的探测任务时间。这是美航宇局第五次延长它们在火星表面上的服役期。这两辆火星车已超期服役了3.5年。

这2辆火星车之所以获得许多预想不到的科学成果，与它们在工程上的超水平发挥是分不开的，其中最突出的是日行驶纪录不断被打破，并天天创造工作寿命的新记录。

虽然工程师们已为2辆火星车制订长期计划，但由于它们已经“超期服役”这么长时间，任何一个部件随时都有可能损坏，因此即使明天有一辆火星车“寿终正寝”也不奇怪。尽管勇气号和机遇号早已过了“保修期”，但科学家们仍期待着它们在未来几个月中能继续获得新发现。它们取得的任何成果都将是“额外的奖赏”。

探测试验 第4篇

自20 世纪90 年代以来, 锚杆支护以其显著的技术和经济优越性在煤矿巷道控制中获得广泛应用, 是巷道支护的一场革命。国内外很多专家对锚杆支护理论、设计方法、监测技术进行了大量研究, 取得了很多有益的成果。但是, 在锚杆支护巷道中还存在局部冒顶的现象。在众多的锚杆支护巷道冒顶事故中, 其中有一类是锚固系统的失效。巷道顶板锚固系统如图1 所示[1,2,3]。由图1 可知, 锚固剂受孔壁围岩对其的摩擦阻力F、孔底围岩对其的拉力T, 锚杆尾部对其的拉力t, 锚杆壁对锚固剂的摩擦力f。锚固剂在复杂的受力系统中主要受F和f两个力的作用。正因为两个力的存在, 使巷道顶板锚固系统安全工作。而锚固长度及其完整性是两个力保持良好工作的必要条件。巷道锚杆支护系统是隐蔽的, 施工后锚固长度及环形锚固剂的完整程度很难直观得出。因此, 在地面土木与岩土工程中, 采用弹性波进行锚杆无损检测方法已被推荐为规范方法[4]。

国内外对于煤矿巷道锚杆质量无损检测进行了大量研究, 取得了一些重要的成果[5]。但是, 针对于巷道顶板锚固系统进行的无损检测有待进一步研究, 本文基于巷道顶板锚固系统进行不同锚固长度情况下锚杆波导特性, 寻求与现场更接近情况下锚固长度的无损检测方法。

1 煤矿巷道顶板锚杆波导理论分析

1. 1 顶板锚杆波动方程

实际巷道顶板所使用锚杆构件的直径 φ ( φ20 -22mm) 一般远小于其长度L ( 2000 - 2400mm) , 即L> > φ, 故振动时锚杆可采用一维杆件的弹性波理论分析。应力反射波法以一维杆件的弹性波理论为基础[6], 假定锚杆的受激振动在弹性限度内、锚杆材料均匀或分段均匀且各向同性, 锚杆受激振动时, 截面保持为平面。根据运动平衡方程、几何方程及物理方程可得到波在锚杆锚固系统中的波动方程为:

式中, t为时间, u为质点纵向位移, A为截面面积, R为锚固介质与锚杆界面之间单位长度上的粘结摩擦力, C为应力波波速, 其与介质密度 ρ 和弹性模量E有关, 可近似表示为[7]

1. 2 树脂锚杆锚固质量检测原理

土木和岩土工程中锚杆质量无损检测的内容为锚杆长度和注浆密实度。在煤矿巷道中, 锚固体由锚杆、树脂锚固剂和围岩组成。当在树脂锚杆中传播的应力波波长 λ > 10d ( d为树脂锚杆直径) 且 λ< < L ( L为锚杆长度) , 可将树脂锚杆简化为嵌入围岩的一维匀质变截面杆件, 锚固长度和树脂锚固剂密实度的变化表现为杆件截面面积的变化, 锚杆长度表现为材质的变化。无论锚杆长度和树脂锚固剂密实度的改变, 均表现为广义波阻抗的变化。

当在锚杆端头作用激振力时, 就会在杆端产生应力波, 应力波沿杆轴向传播, 当杆中截面面积或材料性质发生变化时, 入射波将在该截面上发生反射和透射。其反射波和透射波幅值的大小与截面积和波阻抗相对变化的程度有关。由于反射波携带锚杆体内的信息, 通过对反射波内所含的信息进行分析, 对锚杆的锚固质量进行分析评价。

根据声波反射原理, 由于波阻抗变化, 应力波遇到波阻抗界面时, 既有反射, 又有透射。依据反射波的传播时间计算锚杆长度 ( 杆底反射波) 和锚固段长度 ( 锚固界面反射波) , 计算公式如下:

式中, L1为未锚固段长度, C为应力波波速, △t为初波和锚固界面反射波第一次到达的时间, 式 ( 3) 为锚杆锚固体系应力波时域分析的重要依据[8,9,10]。

2煤矿巷道顶板锚杆锚固长度检测数值试验

2. 1 模拟方案确定

对于煤矿锚杆支护巷道顶板, 锚杆直径相对于岩层尺寸来说, 周围岩层是无限大的。根据弹性力学理论, 由单孔周围的切向应力分布衰减情况可知, 它有一个剧烈影响范围, 一般以超过原岩应力的5% 为界。令此影响半径为Ri, 根据相关理论推导得出[6]:, r为圆孔半径。两孔不受影响合理间距为B ≥ 2Ri。以巷道顶板锚固孔为例, 影响范围。因此, 为避免边界条件的影响, 数值模型将锚固介质的半径范围取为100mm。另外, 在建模过程中, 将围岩的最外层一圈作为无限元边界吸收本应该透射到围岩中的能量, 避免在边界处形成波的反射[11,12]。

分别建立自由状态和端锚、加长锚和全锚情况下计算模型。顶板锚杆长2. 4m, 直径20mm, 钻孔直径28mm, 锚固剂厚度4mm, 围岩半径100mm。

2. 2 模型建立

锚固体系简化为由锚杆、树脂锚固剂和围岩3种介质组成的3 层柱状结构, 为了保证计算收敛, 时间步长必须足够小, 同时还应满足动力荷载的波长小于模型中单元的最小边长, 这样才能保证计算结果具有足够的精度。

由于低应变动力检测中所用激振能量很小, 在模拟过程中锚杆、锚固剂和围岩处于弹性状态, 界面之间没有产生相对滑移, 另外, 振动过程中界面之间并未产生显著滑动, 可以认为变形是连续的, 为了简化计算, 锚杆系统均采用线弹性本构模型, 且假定界面间无相对滑动[13,14]。

自由状态和锚固状态下的锚杆模型如图2、3所示。

2. 3 模型物理力学参数选取及边界条件

参考现场工程经验, 顶板锚固系统锚固力一般为120K, 锚杆、树脂及围岩介质的物理力学参数如表1。

在动力问题中, 模型周围边界条件的选取是一个十分重要的内容, 因为边界上会存在波的反射, 对动力分析的结果产生影响。理论上讲, 分析模型的范围设置的越大, 分析结果就越好, 但较大的模型会导致很大的计算代价。为了减少边界对波的反射的影响, 在动态分析中, 无限元可以给有限单元提供“静态”边界, 传递来自有限单元的能量, 吸收效果是很好的, 在垂直入射的情况下, 反射能量少于2% 。因此, 围岩边界采用无限元单元来模拟。

由于无限元单元要求单元节点编号外侧为大数编号, 通过sweep方式划分网格, sweep方向为径向无限远处, 这样可以避免节点排序问题。把围岩的最外层划分出来一层圆环包围, 将圆环做成无限元单元, 会吸收本应该透射到围岩中的能量, 不会在边界处形成波的反射, 这也是本文中边界条件设定的特色所在。

2. 4 激励输入及采样间隔

常规振源为一瞬态锤击脉冲信号, 脉冲信号的主要指标是振幅A和脉冲宽度 τ ( 时间/ms) 。本文中激振力采用半正弦波近似描述, 如图4 所示, 取以下形式:

在瞬态分析求解中, 时间步长的选择非常重要, 对于应力波传播问题, 时间步长的选取应当以应力波在单元之间传播时能捕捉到波为准则。经过实践证明, 对集中质量有限元, 时间步长应满足[13,14,15,16]

其中, h为单元网格尺寸, Vp为应力波传播速度。

2. 5 单元尺寸

在二维和三维有限元模型中, 研究应力波的传播问题, 除一维模型的频散和截止频率外, 随着模型维数的增加还将引入新的问题。因此, 采用数值方法对应力波传播与其衰减特征进行模拟分析时, 应使单元网格划分足够小, 保证能够精确描述应力波的传播现象。在三维模型中, 单元网格尺寸的基本选取原则是 Δλ /20, 在选取原则下采用有限元模型取代连续介质模型分析动力问题导致的误差通常可忽略不计。

3 模拟结果分析

在锚固状态下, 为了使接触关系平稳的建立且计算更容易收敛, 在建立模型过程中设置一个时间长度为1s的接触分析步。计算完成后, 把模拟过程中所记录的锚杆端头振动的相对速度数据提取出来, 结合CAE软件的查询值和XY数据管理器功能精确地提取首波、反射波中振幅最大的点的时间值, 得到不同情况下锚杆波导特性曲线。

3. 1 自由状态时锚杆激振响应特性

当锚杆长度为2. 4m, 自由状态下锚杆激振响应曲线如图5 所示。由图5 可知, 在自由锚杆的底端有多次十分明显的反射, 波形十分清晰, 反射波与入射波的方向相同, 随着反射次数的增加, 反射波的幅值有降低的现象, 说明随着波的传播, 能量有很小程度的衰减。由CAE软件的查询值和XY数据管理器功能可知, 反射波的第一个波峰与初波的波峰之间的位置相差0. 93 10- 4s, 锚杆长度为2. 4m, 则锚杆杆体的纵波波速为2. 4 2 / ( 0. 93 10- 4) =5161 ( m / s) , 与由式 ( 2) 计算的的结果5189m / s误差相差不大。

3. 2 不同锚固方式时锚杆激振响应特性

3. 2. 1 端锚锚固时锚杆激振响应特性

当锚杆长度为2. 4m, 用1 支Z2330 树脂锚固剂锚固0. 4m时, 树脂锚杆激振响应曲线如图6 所示。

由CAE软件的查询值功能和XY数据管理器功能可知, 初波的波峰位置在1. 00002s处, 当应力波从锚杆传递到初始锚固界面时, 广义波阻抗增大, 反射波的第一个波谷位置在1. 000805s处, 与初波的波峰之间位置相差7. 85 10- 4s, 则未锚固段长度为: 5161 7. 85 10- 4/2 = 2. 0256925 ( m) , 锚固长度为2. 4 - 2. 0256925 = 0. 3743075 ( m) 。模型中实际锚固的长度为0. 4m, 可见两者比较接近。

3. 2. 2 加长锚固时锚杆激振响应特性

当锚杆长度为2. 4m, 用1 支Z2360 树脂锚固剂锚固0. 8m时, 树脂锚杆激振响应曲线如图7 所示。

由CAE软件的查询值功能和XY数据管理器功能可知, 初波的波峰位置在1. 00002s处, 当应力波从锚杆传递到初始锚固界面时, 广义波阻抗增大, 反射波的第一个波谷位置在1. 00066s处, 与初波的波峰之间位置相差6. 4 10- 4s, 则未锚固段长度为: 5161 6. 4 10- 4/2 = 1. 65152 ( m) , 锚固长度为2. 4 - 1. 65152 = 0. 74848 ( m) 。模型中实际锚固的长度为0. 8m, 检测数据与实际数据两者比较接近。

当锚杆长度为2. 4m, 同时用1 支Z2330 和1 支Z2360 树脂锚固剂锚固1. 2m时, 树脂锚杆激振响应曲线如图8 所示。

由CAE软件的查询值功能和XY数据管理器功能可知, 初波的波峰位置在1. 00002s处, 当应力波从锚杆传递到初始锚固界面时, 广义波阻抗增大, 反射波的第一个波谷位置在1. 00051s处, 与初波的波峰之间位置相差4. 9 10- 4s, 则未锚固段长度为:5161 4. 9 10- 4/2 = 1. 264445 ( m) , 锚固长度为2. 4 - 1. 264445 = 1. 135555 ( m) 。模型中实际锚固的长度为1. 2m, 可见两者比较接近。

当锚杆长度为2. 4m, 用2 支Z2360 树脂锚固剂锚固1. 6m时, 锚固树脂锚杆激振响应曲线如图9所示。

由CAE软件的查询值功能和XY数据管理器功能可知, 初波的波峰位置在1. 00002s处, 当应力波从锚杆传递到初始锚固界面时, 广义波阻抗增大, 反射波十分清晰, 第一个波谷位置在1. 00036s处, 与初波的波峰之间位置相差3. 4 10- 4s, 则未锚固段长度为: 5161 3. 4 10- 4/2 = 0. 87737 ( m) , 锚固长度为2. 4 - 0. 87737 = 1. 52263 ( m) 。模型中实际锚固的长度为1. 6m, 可见两者比较接近。

当锚杆长度为2. 4m, 同时用2 支Z2360 和1 支Z2330 树脂锚固剂锚固2m时, 树脂锚杆激振响应曲线如图10 所示。

由CAE软件的查询值功能和XY数据管理器功能可知, 初波的波峰位置在1. 00002s处, 当应力波从锚杆传递到初始锚固界面时, 广义波阻抗增大, 反射波的第一个波谷位置在1. 000185s处, 与初波的波峰之间位置相差1. 65 10- 4s, 则未锚固段长度为: 5161 1. 65 10- 4/2 = 0. 4257825 ( m) , 锚固长度为2. 4 - 0. 4257825 = 1. 9742175 ( m) 。模型中实际锚固的长度为2m, 可见两者比较接近。从图中还可以看出, 波在锚固体中传播时, 速度响应曲线衰减很快, 初始锚固界面处的反射波比较清晰, 之后的反射波并不明显。

3. 2. 3 全锚锚固时的锚杆响应曲线

当锚杆长度为2. 4m, 同时用2 支Z2360 和1 支Z2350 树脂锚固剂锚固2. 2m时, 树脂锚杆激振响应曲线如图11 所示。

由CAE软件的查询值功能和XY数据管理器功能可知, 初波的波峰位置在1. 00002s处, 当应力波从锚杆传递到初始锚固界面时, 广义波阻抗增大, 反射波的第一个波谷位置在1. 000131s处, 与初波的波峰之间位置相差1. 11 10- 4s, 则未锚固段长度为: 5161 1. 11 10- 4/2 = 0. 2864355 ( m) , 锚固长度为2. 4 - 0. 2864355 = 2. 1135645 ( m) 。模型中实际锚固的长度为2. 2m, 可见两者比较接近。从图中还可以看出, 当波在锚固体中传播时, 速度响应曲线衰减很快, 除第一次反射波比较明显外, 之后的反射波不明显。

3. 2. 4 误差对比分析

不同锚固方式时模拟检测与实际锚固长度的误差对比分析如表2 所示。

由表2 可知, 数值模拟检测锚固长度与实际锚固长度虽有一定的误差, 但误差均在5% 左右, 检测长度较实际锚固长度偏小, 在实际锚固长度无损检测过程中, 为使检测的锚固长度更接近实际, 可引入一定的修正系数消除误差。

4 结论

1) 研究表明, 当锚固长度小于2 m时, 锚杆开始锚固位置处广义波阻抗增大, 反射波十分清晰, 与入射波的方向相反。随着锚固长度的增加, 当锚固长度超过2 m时, 波在锚固段传播时, 速度响应曲线衰减很快, 之后的反射波不明显, 不容易辨别。

2) 端锚、加长锚固和全锚锚固方式下检测结果和实际情况误差大约在1% - 6% , 检测长度较实际锚固长度偏小, 在实际锚固长度无损检测过程中, 为使检测的锚固长度更接近实际, 可引入一定的修正系数消除误差。

3) 对不同锚固方式时树脂锚杆锚固长度进行数值试验, 检测与实际锚固长度数据比较接近, 表明采用应力波无损检测方法检验锚杆锚固长度具有较大的可靠性。

摘要：针对煤岩巷道锚杆支护锚固失效引起的冒顶问题, 建立了煤岩巷道顶板锚杆树脂锚固模型, 采用数值模拟的方法对不同锚固方式下树脂锚杆的波导特性进行研究, 得到了不同锚固长度与树脂锚杆激振响应特性曲线。通过对比分析, 研究得出无论何种锚固方式, 检测结果与实际锚固长度的误差大约在1%-6%, 同时可采用修正补偿的方法降低检测误差。研究结果得出:采用应力反射波法检测树脂锚杆的锚固长度是一种行之有效的无损检测方法, 可实现树脂锚杆锚固长度的便携、准确检测提供技术支持。

行星探测车车轮牵引特性试验台设计 第5篇

月球探测车在松软月面的牵引通过性是中国探月二期工程月面巡视探测器研制中重要的研究内容。国内一些学者利用地面力学理论和数值方法对月球车的牵引通过性进行了初步分析[1,2,3],但这些分析无法替代实际地面验证试验,月球车车轮在松软土壤上的牵引性能需要依靠科学试验进行检验。

在深空探测领域较早开展研究的国家(如美国和日本)都研制有轮土交互作用试验台。美国麻省理工学院设计的行星探测车轮土交互作用试验台可用于地形参数在线评估方法的研究[4];日本东北大学的单轮试验台可应用于探测车刚性轮在松软土壤上的转向特性的分析研究[5]。吉林大学也自行设计了土槽-被试轮试验系统,对刚性轮和带齿轮的牵引特性进行了测量[6]。结合探测车行走机构的研制需要,我们独立研发了行星探测车车轮牵引特性试验台,并进行了初步的轮土交互作用试验,检验了试验台的设计功能。

1 试验台的设计原则

本试验台的研究对象是行星探测车用车轮。行星探测车用车轮的结构精密、直径较小、外形多变,这些特点在试验台的设计中要充分考虑。试验台主要由土槽体、机械系统、传感器、数控系统四部分组成。土槽为轮土交互试验研究必备的专用设备,具有影响因素可控、试验重复性好、采集数据准确可靠等优点。结合研究需要,试验台的设计原则如下:①使试验轮工况与实际行走相接近(重力条件暂时无法创造),尽量降低系统阻力;②合理布置相关传感器以进行精确测量;③满足不同种类科学试验的需要;④简单易行,便于制造、维护,工艺性好;⑤易于操作,工作安全,经济实用,使用可靠。

2 试验台的整体结构

根据设计原则,参考国内外相关试验台的设计,最终确定了本试验台的结构方案,如图1所示。试验台的整体尺寸为3m1.195m1.1m,槽钢框架固定在土槽体上,台车在水平导轨上移动。台车采用侧面布置的方式,便于车轮的安装和水平角度的观察。土槽一端布置了牵引加载装置,可以通过悬挂一定质量的加载用砝码进行固定牵引载荷的加载,也可以用具有一定刚度的弹簧连接试验车轮进行变化牵引载荷的加载。

土槽体为槽钢框架,由10mm厚的钢化玻璃镶嵌而成,用于观察土壤颗粒流动的情况。土槽内装有自行配置的模拟月壤,它是利用吉林靖宇一带的火山灰喷发物质经过曝晒、粉碎、研磨、掺入金刚砂等工序配置而成的,其物理特性和力学特性与典型月壤特性相近,可用于轮土交互试验研究。

图2为试验台车的结构示意图。台车系统是机械部分的关键部件,台车的移动是通过固连在台车上的齿形带的牵引实现的,齿形带在槽钢两端绕过两个滑轮。水平电机(MAXON-RE40)驱动滑轮,牵引台车系统沿着固定在槽钢支架上的直线导轨水平运动。试验前可在台车侧面加减配重来调节试验轮的垂直载荷。车轮电机(MAXON-RE40)用于驱动车轮旋转,从车轮电机的编码器(HEDL-5540)可以获知车轮的转速。车轮连接端的六分力传感器(Smart300定制)用来测量车轮法向载荷、挂钩牵引力和车轮转矩。滑轮上装备旋转编码器(ISC3806-003G-2500BZ1-5-24F),用于计算台车的水平速度。车轮的垂直下陷由固定在台车上的垂直电位计进行检测。槽钢框架两端都布置有红外线接近开关(E3F-DS30C4),控制台车自动停止运行。试验台还可以布置高分辨率摄像头(Uniq UP-800)对轮土交互作用中土壤颗粒的流动情况进行拍摄记录。

3 试验台的测控系统

在试验台测控系统中,控制对象为台车水平运动驱动电机和试验轮驱动电机。由上位机完成台车运动方向和速度、车轮的转动方向和转速的设定,设计了独立的电机控制器,以电机编码器采集的脉冲信号作为反馈输入信号,对电机的运转速度进行闭环控制。根据采集信号的种类和特点,分别制作了数据采集板对力、转矩、位移、脉冲、接近开关等信号进行采集,并在工控机中实现数据的存储和处理。

为了更为有效而可靠地对各个系统进行控制和信号采集,本试验台采用CAN总线技术,利用SJA1000型独立CAN控制器,将计算机、传感器模块、电机控制系统等分别作为一个节点接入CAN总线,以实现各系统之间的互联。图3为测控系统示意图。

试验台测控系统软件能够设置车轮运行参数,实时显示测量数据,并通过可视化曲线观测特性参数的变化趋势,从而进行直观的对比分析,初步判断试验的有效性。试验结果可以输出到Excel文件中。测控系统利用C#语言开发,测控系统软件的流程如图4所示。CAN总线技术的特点使得测控系统软件具有良好的可扩展性,对新加入的传感器节点进行处理非常方便。

4 试验台技术参数和功能

试验台可以进行不同轮齿类型车轮试验,其主要技术指标见表1。

利用试验台,可进行以下研究:①评价不同轮齿类型车轮的牵引特性,进行车轮结构优化;②分析轮土交互中土壤的动力学行为;③发展车轮滑转率的控制算法;④对比不同土壤参数下的车轮牵引性能;⑤进行小型探测车整车通过性的验证试验。

5 典型试验结果

加工了三种试验用钢结构车轮:光轮、筛网轮和带齿轮。车轮直径为220mm,在光轮表面覆盖铝网可制成筛网轮,光轮上安装轮齿可制成带齿轮。所用的轮齿齿高为25mm,齿厚为2mm。安装履齿个数可为9齿或18齿(图5中带齿轮为9齿)。试验前进行土壤的疏松、压实和刮平。通过土力学仪器测量和调整控制模拟月壤的孔隙比在0.8~1.0之间,然后开始进行试验。

图5所示为车轮垂直载荷为130N,车轮电机主动,车轮转速为5r/min的情况下,测得的三种车轮的挂钩牵引力Fd随滑转率Sr变化的拟合曲线。车轮滑转率的定义为

Sr=1-v/(rω) (1)

式中,v为台车线速度;r为车轮有效半径;ω为车轮角速度。

由图5可见,随着滑转率Sr的增大,三种车轮的Fd值都随之增大。在相同Sr的情况下,带齿轮的Fd值最大,体现出轮齿的拨土作用对Fd的贡献。因车轮转速较低,筛网轮和光轮在低滑转的情况下Fd值相差不多,但达到高滑转率时,筛网轮显示出其表面摩擦因数大的优势,Fd值有明显提高。

图6所示为车轮垂直载荷为130N,车轮电机主动,车轮转速为7.5r/min的情况下,筛网轮的挂钩牵引力Fd和车轮垂直下陷量Z随牵引距离L的变化曲线。随着牵引距离的增大,弹簧施加的牵引载荷也越来越大,所测的Fd值也在不断增大。另外,在最初行驶阶段垂直下陷量较小,当达到一定行驶距离后下陷量迅速增大,这是因为最初行驶阶段车轮滑转较小,车轮正常运行,下陷较小;当车轮运行到一定距离后,为产生更大的牵引力来克服牵引载荷,车轮滑转明显增大,呈现明显的掘土行为,导致车轮下陷量急剧增大。

图7所示为带齿轮运行后的轮齿轨迹。其中,图7a和图7b分别是带齿轮以70%和20%的滑转率运行过后的轨迹,可以观察到车轮以高滑转率驶过后因轮齿触土较深、掘土严重,土壤被扰动的程度变大。图7c所示为变牵引载荷下带齿轮滑转率逐步增大引起的土壤破坏的情况,可看出,车轮发生严重滑转时会失去向前行驶的能力,车轮动态下陷量骤增,车轮后方严重积土。

(c)滑转率Sr持续增大

6 结语

研制了行星探测车车轮牵引特性试验台,用于分析轮土交互作用、测量探测车车轮的牵引性能以及发展滑转率控制算法。利用商业传感器对车轮的垂直载荷、挂钩牵引力、车轮下陷量、车轮转速等相关参数进行测量,分析了轮土试验数据,验证了试验台的设计基本满足车轮牵引特性和轮土交互作用试验研究的需要。

在嫦娥一期工程取得圆满成功、二期工程正式立项的大背景下,行星探测车车轮牵引特性试验台的建成为深空探测车行走机构的设计和优化提供了重要的试验手段。

参考文献

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[2]李雯,高峰,贾阳,等.深空探测车单轮牵引通过性的离散元数值模拟[J].北京航空航天大学学报,2008,34(5):524-528.

[3]孙刚,高峰,孙鹏.月球车弹性车轮设计与移动性能研究[J].中国机械工程,2008,20(2):134-137.

[4]Iagnemma K,Kang S,Shibly H,et al.On-lineTerrain Parameter Estimation for Planetary Rovers[J].IEEE Transactions on Robotics,2004,20(5):921-927.

[5]Yoshida K,Ishigami G.Steering Characteristics ofa Rigid Wheel for Explaration on Loose Soil[C]//Proc.of the 2004 IEEE Int.Conf.on IntelligentRobots and Systems.Sendal,Japan,2004:3995-4000.

探测试验 第6篇

1 超宽带雷达的系统设计

采用超宽带雷达技术进行设计,其系统的基本结构如图1所示。整个系统分为发射机分系统、接收机分系统和控制与处理分系统。其中,发射机分系统主要包括纳秒级脉冲发射机和发射天线;接收机分系统主要包括接收天线阵列单元、射频放大、高速取样积分检测单元、中频放大、多通道数据采集单元;控制与处理分系统主要包括人机交互界面、主控系统、同步定时系统、波门选通组件、DSP数据处理。

不同于传统雷达,超宽带雷达发射机要有很多特殊性,如脉冲宽度更窄、脉内无窄波。发射机设计时要考虑到重复频率、脉冲峰值功率、波形稳定度、脉冲波形、脉冲拖尾、时基稳定度等重要参数。发射机设计核心是纳秒级脉冲源的设计、通论理论分析和数据对比。笔者选用雪崩三极管全固态微波电路进行高稳定脉冲源的设计。

超宽带雷达接收机同样具有特殊性,如接收带宽很宽,波形保真、灵敏度与动态范围等指标很难兼顾。接收机设计时必须重点考虑以下重要参数:瞬时带宽、灵敏度动态范围、误警概率等。接收机设计的核心是如何在强背景发射、多径干扰条件下实现对真实的微弱目标回波信号进行高灵敏度接收与检测。

超宽带天线的分析设计属于典型的瞬态电磁场范畴,不同于稳态场中频域宽带微波天线的设计思想。雷达天线有很多形式,如按结构形式主要有反射面天线和阵列天线两大类;按天线波束的扫描方式可分为机械扫描天线、电扫描天线和机电扫描结合的天线。结合前期的研究分析,收发天线采用平面印刷蝴蝶振子天线形式。

2 超宽带雷达对人体生命特征信号测量算法

2.1 超宽带雷达测量原理

超宽带雷达基本任务是目标参数的测量,包括距离、速度、角度等。超宽带雷达测距与普通雷达测距原理完全相同,根据雷达首发脉冲延时求解目标距离,见式(1)。

式中:R为目标的距离;tD为收发延时;c为电磁波在空气中的传播速度(即光速)。

在超宽带雷达测距中,由于脉冲宽度极窄,一般仅在纳秒左右;其上升沿非常陡峭,可达数百皮秒,所以利用回波脉冲或者脉冲前沿实现目标测距就可能获得很高的测量精度。

2.2 生命特征检测原理

图2为人体模型监测示意图。在非触式生命特征信号探测中,雷达对呼吸、心跳等微动信号的监测属于典型的近距离、低速度、小尺寸目标信号监测,与传统的雷达信号处理对象不同,非常具有技术难度。超宽带冲击雷达对人体心肺运动等生命特征信号进行监测时,生命特征重点考虑人体呼吸所产生的胸腔扩张起伏变化。假设发射天线与接收天线距离为d0,发射天线辐射出去的超宽带冲击信号穿过空气、墙壁、衣物等遮挡物,遇到人体后部分能量被发射回来,接收天线接收该部分能量。

设人体呼吸造成的胸腔微动g(t)以频率fb呈正弦规律变化,最大幅度为Δd,见式(2)。

胸腔与天线的距离dl表达式见式(3)所示。

假设空间通道传输函数为h(t,τ),背景信号视为静态函数,则胸腔周期性起伏必将在信号传输上表现为一个周期性函数,见式(4)。

胸腔起伏对于电磁脉冲信号的反射回波时延变化τb(t),见式(5)。

式中:c为电磁波在空气中的传播速度。

由以上公式可以看出,胸腔起伏微动对反射回波时延起到了调制作用,引起周期性变化,变化频率与呼吸频率相同。图3为存在周期微动的探测回波示意图。

通过以上的分析可知,超宽带雷达进行生命特征信号监测时,可以根据回波数据中是否存在周期性变化,进而判断生命特征信号并进行参数检测提取,来判断检测目标所处的位置,探测到目标。

3 UWB生命探测仪系统试验分析

基于以上原理,笔者开发了系统样机,并对其进行试验测试。由于不同于一般的雷达系统,所以试验时采用从简单到复杂、由近及远的顺序进行仿真测试。

3.1 室内直射测试

在室内环境进行室内直射测试,对放置在1~20 m区域内的多点进行测试,每个位置点测试时长2min左右,测试场景和结果如图4所示。

3.2 穿墙遮挡测试

在室内进行穿墙测试,生命体(人体模型)置于墙壁后面,置于墙壁另一侧,测试雷达穿透不同厚度墙壁后生命特征信号的监测效果,测试场景及结果如图5所示。

3.3 试验结果分析

经过初步的试验验证,试验样机的各个测试环境下无遮挡(室内直射测试)、有遮挡(室内穿墙测试)能够基本上监测到人体(人体模型),性能指标基本达到要求。为超宽带冲击雷达设计理论产生积极的反馈作用。试验结果初步实现了单个人体的胸腔起伏呼吸生命特征信号的成功提取和检测,后续还需要对多个人体目标周期性运动信号的提取进一步提升系统性能、增加试验的复杂度,逐步应用于更多场合。

4 结束语

超宽带雷达由于自身的特性,成为当今电子领域中研究热点。超宽带雷达生命救援探测设备就是利用超宽带雷达的特性设计而成,理论样机能够成功地监测到近距离、无遮挡、墙体遮挡等生命特征信号,在各种救援场合下可以先一步监测出目标生命特征,为安全救援提供指导,给救援行动提供很大便捷、安全保障,在安防、消防甚至是救援等领域发挥很大的作用。

摘要：利用超宽带雷达所具有的潜在特性,对超宽带冲击雷达在救援行动中对生命特征信号的非触式监测进行理论分析和实验研究。设计超宽带雷达系统;介绍超宽带雷达非接触式生命特征信号监测的基本原理和信号处理方法。室内直射测试和穿墙遮挡测试结果表明,设计的试验样机在各个测试环境下基本上能够检测到人体模型,性能指标基本达到要求。

关键词：UWB雷达,生命探测仪,应急救援

参考文献

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[3]中航雷达与电子设备研究院.雷达系统[M].北京:国防工业出版社,2005.

[4]ReisenzahnA,BucheggerT,Kaineder G.A ground penetrating UWB radar system[C]//IEEE MTT-S,Ultra-wideband and Ultra-short Impulse Signals,2006.

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[6]夏登友,商靠定,程晓红,等.灭火救援战斗力综合评估指标体系的研究[J].消防科学与技术,2008,27(4):273-276.

[7]袁宏永,刘炳海,陈晓军,等.图像型火灾智能自动探测与空间定位技术[J].消防科学与技术,1998,17(2):2-4.

探地雷达探测煤岩界面的方法与试验 第7篇

采煤机是实现煤矿无人化工作面的核心设备, 其关键技术包括采煤机控制、采煤机远程通信、采煤机滚筒自动调高、自主定位和自动导航、采煤机故障诊断等[1]。针对采煤机滚筒自动调高技术中的煤岩界面识别问题,从20世纪60年代开始,研究人员尝试采用红外、雷达、振动、声波、图像等技术进行煤岩界面识别[2,3],但效果都不太理想。21世纪初期,任芳[4]率先提出利用信息融合的方式提取采煤机系统的振动、电流、扭矩、压力等特征值进行煤岩界面判定;杨健健[5]所在研发团队研制了采煤机“黑匣子”, 实现了采煤机数据的采集和存储;孙继平等[6]从图像处理的角度提出利用图像差异来识别煤岩界面。 近几年来,关于煤岩界面识别的研究主要集中在上述3种方法上。

探地雷达利用因不同介质电参数差异而形成的分界面反射波,对探测体内部及不可见目标进行定位和判别,广泛应用于物探领域。探地雷达技术曾被认为是最具可行性的技术而被美国矿业局应用于煤岩识别中[7]。受限于当时的技术水平,经过一系列试验后,业界普遍认为雷达信号在煤层衰减严重, 导致探测范围受限,因此该方法的研究没有取得实质性进展。

随着探地雷达技术的发展及应用的不断成熟, 其越来越多地应用到煤矿领域。本文在前人研究成果基础上,探讨了采用探地雷达技术探测煤岩界面的可行性和适用性,并在煤矿现场进行了相关试验, 结果表明采用探地雷达技术可便捷地实现煤岩界面识别。

1探地雷达探测煤岩界面原理

1.1探地雷达组成

探地雷达硬件主要包括3个部分:脉冲生成器, 用来生成具有固定中心频率和能量的电磁脉冲;天线,将电磁脉冲发射出去并能接收反射信号;存储器,实现反射信号取样和存储。天线是探地雷达的硬件核心,可外接地面耦合天线和空气耦合天线,前者的中心频率为80~1 500 MHz,后者的中心频率为500~2 500 MHz。在介质情况复杂时,1个探地雷达主机可外接不同的天线,以满足测试需求。

探地雷达软件的主要功能包括读取并处理雷达数据、生成可视化图像、分析报表等。

1.2探测原理

当探地雷达天线向煤层发射雷达波后,雷达波在空气-煤层界面发生反射与折射,折射波进入煤层并在煤岩界面处发生第2次反射。2次反射波的时间差t即为雷达波在煤层介质中的双程走时。定义雷达波在煤层中的传播速度为[8]

式中:c为光速;εr1为煤层相对介电常数;μr1为煤层相对磁导率;ω 为角频率;σ1为煤层电导率。

当时,式(1)可化简为

通常地,雷达收发天线之间的距离与探测目标深度相比数值较小。假设雷达波垂直入射,则煤层厚度为

2探地雷达探测煤岩界面的可行性

2.1反射系数

雷达波的反射信号强度决定了雷达图像的清晰度。去除介质本身对雷达波的衰减,分界面的反射系数是决定雷达波反射信号强度的唯一因素。当不考虑煤岩磁导率时,煤层与岩层间的反射系数可简化为

式中:εr2为岩层相对介电常数。

可看出煤岩2种介质的相对介电常数差异越大,则反射系数的绝对值越大,即接收的雷达回波信号越强。根据工程 经验,当反射系 数绝对值 大于0.1时,较适宜采用探地雷达识别目标[9]。

煤岩的相对介电常数通常在实验室测得,参考文献[10]描述了煤与岩的相对介电常数,如图1所示。除了无烟煤-砂岩和褐煤-砂岩组合的界面反射系数绝对值小于0.1外,其余均满足大于0.1的理想探测条件。

2.2目标体距离

当探测目标体过远或过近时,可能无法从采集到的雷达图像中观测出所需要的界面信息,因此需要对目标体的距离进行分析。

(1)目标体较远。参考文献[8]指出探地雷达可在表层接近模式下工作,即天线位于地表和目标体很近的位置处,能量是以似稳场和感应场的形式传递的;也可以在表层脱离模式下工作,即能量在远场中辐射传播。通常地,该距离以λ/ (2π)来区分,其中λ为雷达波波长。以气煤为例,图1给出了气煤的电参数,根据式(2)计算出雷达波在气煤中的传播速度,可得出在400 MHz频率下,雷达波在气煤中的波长为0.48m,从而得λ/(2π)=0.08m,而天线与煤岩界面的间距远远大于该数值。因此,可判定煤岩界面处于天线的远场区。对远场探测而言,探地雷达的探测能力受介质影响很大。根据工程经验,天线频率与探测深度的关系见表1。

(2)目标体较近。探地雷达用于煤岩界面探测时,需要考虑纵向分辨率问题,即当煤层较薄时,返回的雷达图像中可能不含所需的界面信息。理论上通常认为雷达波的极限最小分辨率为λ/8 。以气煤为例,当天线频率为400 MHz时,雷达波的极限分辨率为0.06m。由于综采工作面的高度一般为1~ 6m,所以200 MHz~1GHz的天线频率可满足绝大多数探测需求。

3探地雷达探测煤岩界面的实用性

井下环境复杂,机电设备及其他无线系统产生的电磁辐射或噪声会对雷达入射波或回波产生影响。该现象无法避免,也无法定量分析。使雷达工作在近煤层区域,即雷达紧贴或靠近煤层,可在一定程度上减少这一影响。以LTD-2100探地雷达为例,采用GC400 MHz屏蔽型天线可确保雷达波垂直入射界面,也可屏蔽非90°(实际上大约为85°)的噪声和其他干扰。可见,结合地质资料,在满足探测条件时,应尽量选用高频屏蔽天线,以减少误差。

4探地雷达探测煤岩界面试验

4.1煤矿概况

郭庄煤矿位于山东省滕州市西南部12km的西岗镇境 内,生产能力 为36万t/a,矿区面积 为10.216 7km2,开采深度为-45~-500m。煤层厚度为0.19~8.20m,平均厚度为2.65m,可采范围内平均厚度为2.77m。煤层以气煤为主,其顶板为中粒砂岩,直接顶厚8~25 m,属中等跨落型顶板, 底板为砂质泥岩,属中等坚固底板。目前仅七采区正在开采。该煤层结构简单,属于全区大部可采的较稳定煤层,采用倾斜长壁式开采方法。

4.2探测仪器与探测方案

探测仪器采用LTD-2100型探地雷达。其以数字化步进控制电路为基础,采用全数字化程控时钟控制,最小时间间隔为10ps,扫描速率 为16~ 128 Hz,记录道长 度为256~2 048,时窗范围 为5ns~1μs,天线发射功率为144.5 W,可接收最小回波功率为5mW,可搭配屏蔽型、非屏蔽型和喇叭型3种天线,实现逐点测量和连续测量。试验地点的煤层厚度为1~3 m,因此选用400 MHz天线进行测量。

测试地点为七采区附近某断层处。该断层处于煤壁后约1.4m的位置,肉眼不可见。选取较为平整的一处作为测试点A,将400 MHz天线紧贴煤面,保持静态测试20s,获得静态测试数据;随后以测试点A作为起点,沿直线以约0.3m/s的速度向前方移动雷达天线,获得动态测试数据。重复测试3次,以消除误差并进行比较。

4.3探测结果

4.3.1静态测试数据

图2为测试点A的雷达静态测试图像,采用伪色彩图表示,从上至下共有512个采样点。将接收到的第1个信号最强的雷达回波记为直达波,在伪色彩图中 表现为黑 - 白 - 黑,将其中心 作为时间0点。令时间窗口为50ns,相关介质为气煤-砂岩, 相对介电常数分别为2.6和4。不难看出在0.47m处有较弱回波,在约1.30m处有较强回波,因此可判定测试点A处的煤厚约1.30m,即煤岩界面所在位置。需要注意的是,颜色不同代表相位发生了变化,这是由于煤层相对介电常数小于岩层相对介电常数,通过式 (4)计算出的 反射系数 为负值而 导致的。

4.3.2动态测试数据

虽然雷达静态图像能反映目标的埋藏深度,但当煤层中存在夹矸或裂隙时,获得的雷达图像可能很难辨识出真正的煤岩界面,因此,需要通过动态测试来更好地解释雷达数据。图3为以测试点A为起点的动态测试图像,其相关参数与4.3.1节中相同。可看出1.40m处有1条连续的强反射波,结合图2可判定当前区域的煤层厚度为1.30~1.40m, 与实际情况吻合。

5结语

探测试验 第8篇

评估寿命较长的产品的工作寿命需要的试验时间长、费用高。文献[1]指出加速寿命试验是解决寿命较长的产品的寿命评估的有效途径。由于基础数据的缺乏和鲜有相关研究报道,本文将从开展加速寿命试验需要确定的待评估对象的敏感应力,加速应力范围和应力敏感参数等[2—4]方面,对某型硅雪崩光电探测器的加速寿命试验开展相关研究。关于光电探测器,文献[5]指出光电探测器的退化以暗电流增加为主要特征,文献[6]对弹用激光探测器交付安装后的失效模式和影响进行分析,文献[7]给出了铟镓砷(In Ga As)红外探测器温度应力范围确定的思路,这些已有的研究可以为开展某型硅雪崩光电探测器加速寿命试验研究提供参考。

本文分析了硅雪崩光电探测器主要的失效模式和敏感应力,并通过摸底试验确定了加速寿命试验的应力范围,设计并实施了步进温度应力加速工作寿命试验,为某型硅雪崩光电探测器加速寿命试验提供依据,对光电探测器的可靠性研究也可以提供一定参考。

1 产品结构和功能

硅雪崩光电探测器结构组成如图1所示。它由雪崩管管芯、前置放大器电路、带窗口玻璃的壳体三大部分构成,雪崩管管芯的作用是将接收到的激光信号转化成电流信号;前置放大电路由厚膜电路基片、厚膜电阻、片式电容、片式电阻、晶体管芯等元件通过导电银浆和内引线混合集成,其功能是将电流信号转换成电压信号后输出。壳体是TO封装的密封结构,由管座、带窗口玻璃管帽组成。管座的作用是定位安装光敏芯片和前放电路块的基底,器件通过管脚与外界实现电气连接,带窗口玻璃管帽作用是保障光信号的入射和与外界的气密封装。

2 温度应力加速工作寿命试验方案

2.1 应力类型的确定

对某型硅雪崩光电探测器进行故障模式影响分析(FMEA),主要失效模式为性能参数超标和退化。造成其参数超标的主要原因有:①硅APD芯片表面漏电流增大;②前置放大电路性能劣化,温度应力和电应力均能加速上述两种变化。通过试验过程中失效的频次和原因分析,以及摸底试验的结果,可以得出温度应力是影响硅雪崩光电探测器工作寿命的主要应力。所以选用温度应力进行加速寿命试验。

2.2 应力水平的确定

硅雪崩光电探测器详细规范规定,工作温度-40~70℃,每年至少有一个批次进行70℃,1 000 h稳态寿命试验。稳态寿命试验是抽样试验,每次抽取5只样品进行试验。10余年来稳态寿命试验未出现过样品失效,本着加速寿命试验应力水平高于正常应力水平的原则,将加速试验初始温度设置为80℃。通过摸底试验发现140℃时探测器的暗电流出现数量级的变化,因此加速工作寿命试验的最高应力设置为130℃。根据低应力水平下,应力间隔大,高应力水平下应力间隔小的原则,确定了4个应力水平,分别是80℃、100℃、120℃、130℃。

2.3 应力施加方式

应力施加的方式有恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。根据产品的特点和工程需要,硅雪崩光电探测器加速工作寿命试验采用步进应力的施加方式。

2.4 试验时间

由于硅雪崩光电探测器寿命试验较长,低应力下难以失效,在试验时间设计上如果采用低应力下时间长,高应力下试验时间短的原则,试验时间会很长,难以承受,故试验时间设计采用定时截尾和定数截尾相结合的方式,80℃、100℃、120℃、130℃试验时间为1 000 h,或者每个应力下出现3只样品失效后转入下一阶段的试验。

2.5 样本量

硅雪崩光电探测器体积小、质量轻,属于单位自己研发和生产的产品,为了提高评估精度,拟采用20只产品进行试验。

2.6 试验测试间隔

目前的试验系统全靠人工手动进行测试,所以试验过程中在线检测每8小时进行一次,根据GJB548B方法1005.1稳态寿命试验的要求,每隔1680+72小时进行一次常温参数测试。

2.7 测试要求

硅雪崩光电探测器工作寿命摸底试验时,常温测试的参数有击穿电压、最佳工作电压、暗电流、前放静态输出电压、响应度和等效噪声功率等参数,通过测试发现,除暗电流和前放静态输出电压外,其余参数均在一定范围内上下波动,无明显变化,所以此加速工作寿命试验选暗电流和前放静态输出电压作为常温和在线测试参数。

2.8 测试方法

常温测试参数为暗电流和前放静态输出电压,测试环境温度为25-+53℃,测试仪器有晶体管图示仪和万用表等,测试方法参见WJ-2264—2005《带前放光电探测器测试方法》。

在线测试参数为暗电流和前放静态输出电压,测试仪器有直流稳压电源和万用表等。暗电流的测试方法:在APD(雪崩管芯)回路上串联一个标准电阻R,测试标准电阻两端的电压V,然后通过公式I=V/R计算出暗电流I。在线测试前放静态输出方法与常温时相同。

2.9 判据

高温暗电流和静态输出电压不作为合格与否的判据,主要是为了检测其变化规律,为探测器的寿命状态提供参考。常温暗电流和前放静态输出电压的判据参照产品的详细规范执行。

3 试验结果与分析

3.1 常温测试情况与分析

常温测试结果见表1。130℃下试验200 h,600 h和800 h分别有1只样品失效,失效均为暗电流超标。常温测试结果变化趋势见图2,图2中横坐标为累积试验的时间,纵坐标为每个测试点处暗电流常温测试值。图中每一条曲线代表一个样品的暗电流变化趋势。暗电流在80℃、100℃和120℃下变化趋于平缓,130℃下表现为明显的增加趋势。

3.2 高温试验结果

前放静态输出结果见图3。图中横坐标为累积试验时间,纵坐标样品前放静态输出电压平均值。80℃、100℃前放静态输出电压变化不明显,130℃时,前放静态输出电压波动明显。恢复常温测试,前放输出电压没有超标且变化不明显。

高温暗电流测试结果见图4。图中横坐标为累积试验时间,纵坐标为样品暗电流的平均值。80℃和100℃下,暗电流变化不明显;温度升高到120℃以后,暗电流平均值随试验时间增加有上升趋势;温度升高到130℃以后,随着试验时间的增加,暗电流显著增大。

分析常温和高温暗电流、以及高温前放静态输出电压的变化趋势,认为是硅雪崩光电探测器具有较长寿命决定的,温度较低时,因试验时间不够长,暗电流和前放静态输出电压没有明显的变化趋势,可见,130℃激发探测器失效作用明显。

通过以上分析可以得出:温度能够加速探测器失效,暗电流和前放静态输出电压是对加速温度应力敏感的参数指标,表明加速工作寿命试验的结果与理论分析和摸底试验的结果一致。

4 结论

针对硅雪崩光电探测器工作寿命较长的特点,本文通过FMEA分析和摸底试验得到其主要失效模式和敏感应力,设计并实施了加速工作寿命试验,得到了与理论分析和摸底试验相同的结果:温度应力是影响硅雪崩光电探测器工作寿命的主要应力,最高温度应力极限是130℃,对温度应力敏感的参数是暗电流和前放静态输出电压,验证了加速工作寿命试验方案的合理性和可行性。

摘要：为了通过加速寿命试验评估硅雪崩光电探测器的工作寿命,通过FMEA分析和摸底试验,确定了硅雪崩光电探测器的主要失效模式、敏感应力和极限应力,设计并实施了加速工作寿命试验,得到了与理论分析和摸底试验相同的结果:温度应力是影响硅雪崩光电探测器工作寿命的主要应力,最高工作温度应力极限是130℃,对温度应力敏感的参数是暗电流和前放静态输出电压,验证了加速工作寿命试验方案的合理性和可行性。

关键词：工作寿命,温度应力,暗电流,加速寿命试验

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