高速光纤光栅在爆破领域测量的创新应用

随着现代工程和军事技术的不断发展，爆破技术在采矿、建筑、国防等领域中扮演着越来越重要的角色。然而，爆破过程中的复杂力学行为，如振动、结构应变和冲击力的变化，对爆破效果的评估、安全控制以及材料性能的研究提出了更高的要求。近年来，基于光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的高速测量技术因其高灵敏度、抗电磁干扰、耐高温高压等优点，逐渐成为爆破领域中一种极具潜力的监测手段。本文将围绕高速光纤光栅在爆破领域中对振动、结构应变和温度场的测量应用进行探讨，并结合国外已发表的测试案例，展示其在实际工程中的应用价值。

一、光纤光栅技术的基本原理与优势

光纤光栅是一种基于光栅理论的新型传感器，其核心是利用光纤中折射率的周期性变化来反射特定波长的光。当外界环境发生变化时，如温度、应变或振动，光纤光栅的反射波长会发生相应的变化，从而实现对外部物理量的高精度测量。这种技术不仅具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，还能够实现多参数、多点位的同步测量，非常适合用于爆破等高速复杂动态环境下的监测。

在爆破领域，传统的应变片和加速度计虽然能够提供一定的测量数据，但其易受环境干扰、精度有限、响应速度慢等问题限制了其在高速爆破过程中的应用。相比之下，光纤光栅传感器能够以更高的频率（可达MHz量级）捕捉爆破过程中的瞬态信号，如冲击波、应力波、结构瞬态冲击力等，为爆破过程的实时监测和分析提供了可靠的技术支持。

二、高速光纤光栅在爆破领域的应用

1. 爆破振动测量

在爆破工程中，振动是评估爆破效果和结构安全性的关键指标之一。高速光纤光栅传感器能够以极高的频率（如MHz）捕捉爆破引起的振动信号，从而实现对爆破振动的实时精准监测。

将FBG阵列嵌入混凝土试验件中，模拟矿山爆破过程中周围建筑受到的冲击振动，通过准分布式FBG网络，测试出不同位置受爆破冲击的振动应变信号。

混凝土块受爆破冲击振动测试装置示意图

通过测量得到了混凝土试件在爆炸荷载作用下，表面各个位置的振动应变历史曲线。由下图可知，8个测点反射波到达时间及峰值规律基本一致。混凝土材料在爆炸荷载作用下与静力条件下的动态响应不同，引入抗电磁干扰的FBG传感技术这一测量手段，为矿山开采爆破、建筑拆毁爆破测量提供新的可靠方式，对今后的爆破研究提供测试支撑。

不同位置FBG阵列测量出爆破振动信号

2. 爆破结构应变测量

在爆破过程中，结构的应变变化直接反映了材料的变形程度和承载能力。FBG传感器因其高灵敏度和良好的动态响应特性，被广泛应用于爆破结构的应变监测。

通过模拟爆炸碎片以某一速度撞击入射杆，在杆中产生一个弹性波，弹性波向前传播通过试样时，试样发生变形，并在入射杆中产生一个往回的反射波，在透射杆中产生一个向前的透射波。通过对入射杆和透射杆上的应变测试，应用弹性波理论就可以测出试样的应力－应变曲线。

爆破结构应变测量装置示意图

将 FBG 和电阻应变计粘贴于入射杆轴向上的同一位置，经过不断调整脉冲信号上升时间，得到了不同上升时间的 FBG 和应变计的输出波形，得到的波形如下图所示，从图中可以看出FBG和电阻应变片测得结果一致，能响应20us内的高速应变变化。

FBG和应变计测试冲击应变对比图

三、结论与展望

高速光纤光栅技术在爆破领域中的应用，为振动、结构应变和温度场的测量提供了高精度、高可靠性的解决方案。通过以往测试案例，可以看出，FBG传感器在爆破工程中的应用前景广阔，尤其是在复杂动态环境下的实时监测方面具有显著优势。未来，随着FBG技术的不断发展和封装工艺的优化，其在爆破领域的应用将更加广泛，为爆破工程的安全性、效率和精度提供有力保障。