夹层玻璃落球冲击试验测速系统的开发与试验分析

2010-02-23臧曙光包亦望

中国建材科技 2010年2期

邱岩臧曙光包亦望

（中国建筑材料科学研究总院，中国建筑材料检验认证中心有限公司，北京 100024）

1 前言

夹层玻璃是一种性能优良的安全玻璃，它是由两片或多片玻璃用透明的胶片牢固粘结而成，具有透明、高机械强度等性能。夹层玻璃用于房屋建筑时，除了要考虑外界的风荷载、自重等常规静力荷载作用外，还需要考虑建筑物的抗冲击性能。建筑物的抗冲击性能在我国现行规范中尚没有相关设计计算方法和相关规定，对夹层玻璃在冲击荷载下的抗冲击性能也缺乏定量的了解，给玻璃幕墙等工程的抗冲击设计带来了很大困难。本文主要介绍了夹层玻璃抗冲击能力测试系统的基本原理和系统构成。

2 系统组成及工作原理

2.1 夹层玻璃MBH值的物理意义

具有一定质量m的金属球从一定高度H1自由落体砸在被测夹层玻璃上,由于有重力加速度g的存在，落在玻璃上时落球的速度为V1，在击穿玻璃以后，速度为V2。玻璃在被击穿的过程当中吸收了金属球一定的能量。通过计算球在击穿玻璃前后的速度，可以得到玻璃吸收的能量。

图1 MBH值计算示意图

假设：不考虑空气的阻力，球的质量为m，重力加速度为g.，落到夹层玻璃上的时候速度为。击穿玻璃后，速度为V2。下落一定距离H2后，到达传感器1，速度为。再下落一定距离H3后，到达传感器2，速度为.球在两个传感器之间的时间为.

时间t可以通过测时仪测量得到，而高度H1、H2、H3已知，根据上面的推导，可以计算出钢球穿透玻璃时夹层玻璃吸收的能量：

2.2 系统组成

本测速系统是通过测量落球穿过两激光光幕间的时间间隔及两光幕间的距离而获得其穿透夹层玻璃后的即时速度。并可根据公式计算出MBH值。系统结构原理图如图 1 所示，激光靶由启动靶和停止靶组成。落球穿过光幕时，阻挡部分光线，光电探测器将变化的光通量转化成电流信号，经光电放大器放大处理后。将信号送至上位机进行实时分析，获得落球速度。总体设计包括光学测量模块和控制分析模块两大部分。光学测量模块中选用半导体激光二极管作光源, 具有体积小、效率高、成本低、无需高压电源、寿命长等优点;选用大面积 PIN 光敏二极管作为光电检测器件，以确保在实现大面积有效光幕区的同时会聚光斑的接收。光电放大器主要由电流电压转换放大电路及主放大器组成，在电路设计及器件的选择上确保低噪声、高响应速度和高灵敏度。控制模块采用高速数据采集卡和分析软件组成, 性价比高、操作简单、且易于扩展功能。

图2 系统机构原理图

测速模块的作用是获取落球的过靶信号。本测速系统采用的测速靶为激光光幕靶，也可用其它类型的测速靶，激光光幕靶由测速靶架、发射模块和接收模块等组成。测速靶架由靶板、连接螺杆等组成，是测速靶、靶的承载单元。激光光幕靶有两个发射模块、两个接收模块，分别固定在靶架的相关位置上。发射模块由多个激光发射管组成，形成一束光幕，其光幕尺寸一般大于或等于接收模块，接受模块由多个光敏二级管组成排成一字形。测试时，落球穿过光幕,挡住了落在光敏接收管上的光，通过光电藕合电路，输出高电平，从而实现弹头过靶信号的获取。

2.3 光学测量模块的设计

模块主要由高速FPGA、比较电路、激光发送、接受及驱动电路组成，其系统框图如图 2所示。输入信号经比较电路后成为方波信号 ,送入采集卡的外部中断端，控制定时器 1 的开关 ,即可获得落球穿过两激光光幕间的时间间隔t。而已知靶距H，从而计算出落球过靶速度，并将数据传到上位机。

图3 测量系统示意图

2.4 控制分析模块的设计

控制分析模块主要由控制软件和信号处理模块构成，控制软件选用的VB进行编写，利用它可以不必熟悉，采集卡的底层指令系统和硬件细节，直接面向具体应用。控制软件主要由主程序、初始化模块、中断处理模块、数据处理模块、显示分析模块等组成，软件结构图如图3所示。在程序开始，本系统采用中断控制，外部中断0、1分别控制定时器 1 的开与关。即当落球穿过激光光幕的启动靶，开定时器 1 ；当球穿过激光光幕的停止靶，关定时器1 ,从而得到过靶时间t。应用定时器1溢出中断控制1s计时及系统溢出时间。