电子延时雷管的抗冲击计时研究

第２７卷第４期　爆破　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２０ｌ０　２０１０年１２月　ＢＬＡＳＴＩＮＧ　ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４８７Ｘ．２０１０．０４．０２５　电子延时雷管的抗冲击计时研究冰　黄小亮，李世中，徐聪聪，郝建强　（中北大学机电工程学院，太原０３００５１）　摘要：　针对工程爆破中电子延时雷管易受爆破冲击波作用的影响，提出了强冲击条件下电子延时雷管高　精度计时起爆的原理和方法。采用一种将高精度的晶体振荡器与抗冲击的谐振振荡器结合起来的计时方　案，并进行部分模块组成及功能的分析，理论与实践表明该设计思路新颖，方案可行，可达到抗冲击计时起　爆。　关键词：　电子延时；　冲击波；　高精度计时；振荡器　中图分类号：ＴＮ４９２　文献标识码：Ａ　文章编号：　１００１—４８７Ｘ（２０１０）０４～００９４—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｉｍｉｎｇ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｌａｙ　Ｄｅｔｏｎａｔｏｒ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｉａｎｇ，ＬＩ　Ｓｈｉ—ｚｈｏｎｇ，ＸＵ　Ｃｏｎｇ—ｃｏｎｇ，ＨＡＯ　Ｊｉａｎ—ｑｉａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｌａｙ　ｄｅｔｏｎａｔｏｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｅａｓｉｌｙ　ｂｙ　ｂｌａｓｔ　ｓｈｏｃｋ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｂｌａｓｔｉｎｇ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｉｍｉｎｇ　ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｏｎｇ　ｉｍ—　ｐａｃｔ．Ｔｈｅ　ｔｉｍｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｉｓ　ａ—　ｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄ　ｔａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔ　ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ｉｓ　ｎｏｖｅｌｔｙ，ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｉｍｉｎｇ　ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｌａｙ；ｓｈｏｃｋ　ｗａｖｅ；ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｉｍｉｎｇ；ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　Ｏ　引言　工程爆破作业已成为开山辟路、矿山开采、城市　建筑物拆除以及应急泄洪等惯用的技术手段。目　前，工程所用的电子延时雷管产品已进入起爆器材　市场，并且国外发展技术更趋于成熟和实用化，在特　殊场合实施爆破作业时，仍依赖于国外爆破产品。　如我国于２００６年６月采用澳大利亚Ｏｒｉｅａ公司的　无法大批量化生产。　针对工程爆破中电子延时雷管易受爆破冲击波　作用的影响，提出了强冲击条件下电子延时雷管高　精度计时起爆的原理和方法，为解决国内电子延时　雷管的诸多问题提供了新的思路，从而缩短产品进　入市场的周期。　１抗冲击性计时分析　在大规模爆破中，延时起爆网路的可靠性、安全胜　Ｉ－ＫｏｎＴＭ电子雷管起爆系统对三峡工程三期上游碾　压混凝土围堰进行了成功爆破拆除　Ｊ。而国内的　和延时精确性关系到爆破能否获得成功、爆破效果是　否达到预期目标等重要问题　］。无论采用何种延时起　爆网路，其延期电雷管数量大，延时段数多，这就对爆　破网路中电子延时雷管的抗冲击性能提出了更高的要　电子雷管却因抗冲击性能差、精度不高等问题，迟迟　收稿日期：２０１０—０４—２９　作者简介：黄小亮（１９８４一），男，硕士，主要从事目标、环境探测与识　别技术研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｘｌｏｏｙ＠１６３．ＣＯｒｎ。　基金项目：太原市科技明星专项（０９１２１００５）　求　Ｊ。由于爆破时爆轰波的冲击，使得每个炸点在爆　炸瞬间都会对邻近尚未爆炸的炸点带来强烈的冲击和　第２７卷第４期　黄小亮，李世中，徐聪聪，等电子延时雷管的抗冲击计时研究　９５　超压。据测量，在距离炸点２０　ｃｍ处的振动加速度可　破碎，从而影响电子雷管工作的可靠性，即达不到抗　以达到几万到几十万ｇ，压力为３０～７０　ＭＰａ。如果采　冲击的性能；而谐振振荡器抗冲击性能强，可经受强　用的电子延时雷管抗冲击性能较差，稳定性不高，则　冲击波的作用，但频率一致性较差，达不到精确控制　在大规模起爆网路起爆后，部分电子雷管在前段雷　微差起爆时间的要求　。　管爆破的强大冲击波作用下会产生哑炮现象，这样　对于单一的晶体振荡器和谐振振荡器都各有优　不仅影响起爆网路的预期爆破效果，还会给爆破现　缺点，不能很好地满足要求，因此提出了一种将二者　场的清理带来巨大的安全隐患。　结合起来的双振荡器设计方案，可以在抗冲击性能　为解决工程爆破中电子延时雷管的强冲击过载　和计时精度两方面都得到有效保证。首先将晶体振　问题，国外主要从两个方面开展研究：一方面是研究　荡器作为校正振荡器，然后利用谐振振荡器作为工　晶体振荡器在强冲击过载下的防护技术，尽量拓展　作振荡器使用，即在电子延期雷管爆破开始前用晶　晶体振荡器的使用范围；另一方面则是研究其它原　体振荡器来校正和锁定谐振振荡器，其后不再发挥　理的耐冲击振荡器，通过稳频技术来提高振荡器的　作用，而在爆破程序开始后，用谐振振荡器来控制计　精度和稳定性，进而达到高精度计时的目的。　数器工作，从而实现电子延期雷管的耐冲击性能，并　在此，主要采用高精度的晶体振荡器校正耐冲　取得更好的高精度计时爆破效果。　２．２系统电路的工作原理　击的谐振振荡器电路，实现其抗冲击高精度计时起　电子延时雷管主要由电子延时点火元件和雷管　爆。通过数字电子技术，运用振荡器电路、计数器芯　体组成。采用以数字电路为主完成电子延时点火元　片和锁存器芯片等组成数字集成电路的方法，完成　件的延时计数功能，具有延时精度高，延时可调，延　电子延时雷管的抗冲击计时。　时设定简便，且抗干扰能力强等优点。系统的具体　２　系统的基本设计方案　方案原理图如图１所示。利用电容充电电路提供　５　Ｖ的直流电压对整个电路进行供电，采用１　ＭＨｚ　２．１设计思想　的晶体振荡器和由５５５定时器构成的谐振振荡器提　采用晶体振荡器作为振荡源，有非常高的精度　供时钟脉冲，再由计数器芯片及锁存器芯片等构成　稳定性，能使电子延期雷管精度达到±１　ｍｓ的要　的集成数字电路实现精度达１　ｍｓ的计时。　求，但抗冲击性能较差，在冲击过载下易发生变异或　图１方案原理图　电路工作时，首先通过充电电路给电容充电作　至此，晶体振荡器在很短的时间内完成了对谐　为整个电路的能源，２个振荡器同时开始工作。计　振振荡器的校正，其后不再发挥作用，而只使用谐振　数器（ａ）计数晶体振荡器输出的ｍ个脉冲后，输出　振荡器工作。具体过程是：计数器（ｂ）的输出信号　信号５　，启用计数周期产生器，使计数周期产生器　Ｓ　在终止计数周期产生器的同时，启动参考脉冲产　对谐振振荡器的输出进行计数；计数器（ｂ）计数晶　生器和主计数器工作，参考脉冲计数器以计数周期　体振荡器输出的ｎ个脉冲后，输出信号５　，从而停　产生器所锁定的数据为周期对谐振振荡器的输出进　止计数周期产生器（即开启锁存器）。由于ｎ＞ｍ，　行计数，每完成一个周期即输出一个参考脉冲，主计　因此在计数周期产生器工作期间将得到一个与谐振　数器再对参考脉冲进行计数，当达到预置电路设定　振荡器实际工作状态相关的计数数据，并被保存起　的延迟时间时，输出一个执行信号，对电子延期雷管　来，它所对应的时问间隔即代表了由晶体振荡器保　点火起爆。　证的计时精度，可以通过改变ｍ和ｎ来调整。　９６　爆破　３部分模块设计与分析　３．１振荡电路　锁存器可选用７４ＬＳ３７３芯片进行脉冲数的锁存。　采用计数周期产生器锁存晶体振荡器标定的谐　振振荡器脉冲个数，并以此为参考脉冲周期来校正　为实现电子延期雷管的高精度计时，采用　１　ＭＨｚ的晶体振荡器来产生校正计数脉冲。由于计　数器计数有限，可对１　ＭＨｚ的频率采用分频器进行　分频，使其达到计数器计数的范围，如可采用ｌ２位　二进制的ＣＤ４０４０芯片进行４分频或者８分频，使　具有抗冲击性能的谐振振荡器计时精度不高的　问题。　３．３参考脉冲产生器　参考脉冲产生器主要功能是以锁存器７４ＬＳ３７３　芯片锁存的ＲＣ谐振振荡器脉冲数作为参考周期，　计数器（ｒｚ）和计数器（ｂ）对晶体振荡器进行计数。　对于谐振振荡器，其功能是产生耐冲击的计数　脉冲。构成谐振振荡器的谐振振荡电路存在电阻与　电容的匹配问题，如果匹配不当则不能得到预知的　频率和脉冲形式，所以需注意电阻和电容值的选取。　采用５５５定时器芯片、电阻和电容等元器件组成ＩＩＣ　谐振振荡电路产生占空比为５０％的信号脉冲作为　电子延时计数的时钟频率，其电路图如图２所示。　需要考虑电阻　、尺　与电容Ｃ，、Ｃ　之间的匹配，使　输出的频率达到预期值。　图２　ＲＣ谐振振荡电路　３．２计数周期产生器　计数周期产生器主要功能是在晶体振荡器的标　定下产生一个与谐振振荡器相关的计数周期。在计　数器（ｎ）和计数器（６）前后产生的ｓ　和ｓ　信号时　间段内对ＲＣ谐振振荡器的脉冲进行计数，并将该　段时间内的脉冲数锁存作为计数周期。具体采用计　数器芯片和锁存器芯片来组成计数周期产生器，其　中计数器芯片可选８位、ｌ２位或１６位计数芯片，为　尽量使芯片不混淆，在此可选用对晶体振荡器分频　的１２位二进制ＣＤ４０４０计数／分频芯片进行计数，　再对ＲＣ谐振振荡器产生的脉冲进行计数，每计数　完一个参考周期输出变化的参考脉冲，从而为主计　数器提供参考脉冲。　采用可预置的计数器芯片组成参考脉冲产生　器，将７４ＬＳ３７３芯片锁存的脉冲数预置到该计数器　芯片上，ＲＣ谐振振荡器产生时钟计数脉冲ｃｐ，每计　数完一个参考脉冲周期该计数器芯片给主计数器输　出一个变化脉冲，主计数器以此作为时钟计数脉冲，　实现主计数器在预置电路控制下的计数。　４　结论　在工程爆破领域中，由于电子延时雷管易受强　冲击的影响，提出了一种将高精度的晶体振荡器与　抗冲击的谐振振荡器结合起来的计时方案，并进行　部分模块组成及功能的分析，理论与实践表明该设　计思路新颖，方案可行，可达到抗冲击计时起爆的目　的。需要进一步解决的问题是集成的系统电路置于　空间有限的电雷管内，需进行小型化处理，以便与雷　管相匹配。　参考文献　［１］高铭，李勇，滕威．电子雷管及其起爆系统评述　［Ｊ］．煤矿爆破，２００６（３）：２３—２６．　［２］　杨志红，曹军，舒大强．浅析提高非电微差起爆网路　可靠性的措施［Ｊ］．中国农村水利水电，２００６（８）：　８８—９０．　［３］　何厚金．工业雷管提高延期精度的技术发展趋势——　电子延期［Ｊ］．爆破器材，２００４，３３（Ｓ１）：３５－３８．　［４］　王康谊，黄江，李世中．电子时间引信在小ＶＩ径弹药　中应用的关键技术［Ｊ］．四ＪＩｌ兵工学报，２００８，２９（２）：　８７Ｉ８８．　［５］　李培英，彭顺，闫河．基于电子时间引信的高精度　计时器研究［Ｊ］．中国科技教育，２００７（８）：１６—１７．