邱 巖 臧曙光 包亦望

（中國建筑材料科學(xué)研究總院，中國建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

夾層玻璃是一種性能優(yōu)良的安全玻璃，它是由兩片或多片玻璃用透明的膠片牢固粘結(jié)而成，具有透明、高機(jī)械強(qiáng)度等性能。夾層玻璃用于房屋建筑時(shí)，除了要考慮外界的風(fēng)荷載、自重等常規(guī)靜力荷載作用外，還需要考慮建筑物的抗沖擊性能。建筑物的抗沖擊性能在我國現(xiàn)行規(guī)范中尚沒有相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算方法和相關(guān)規(guī)定，對(duì)夾層玻璃在沖擊荷載下的抗沖擊性能也缺乏定量的了解，給玻璃幕墻等工程的抗沖擊設(shè)計(jì)帶來了很大困難。本文主要介紹了夾層玻璃抗沖擊能力測試系統(tǒng)的基本原理和系統(tǒng)構(gòu)成。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 夾層玻璃MBH值的物理意義

具有一定質(zhì)量m的金屬球從一定高度H1自由落體砸在被測夾層玻璃上,由于有重力加速度g的存在，落在玻璃上時(shí)落球的速度為V1，在擊穿玻璃以后，速度為V2。玻璃在被擊穿的過程當(dāng)中吸收了金屬球一定的能量。通過計(jì)算球在擊穿玻璃前后的速度，可以得到玻璃吸收的能量。

圖1 MBH值計(jì)算示意圖

假設(shè)：不考慮空氣的阻力，球的質(zhì)量為m，重力加速度為g.，落到夾層玻璃上的時(shí)候速度為。擊穿玻璃后，速度為V2。下落一定距離H2后，到達(dá)傳感器1，速度為。再下落一定距離H3后，到達(dá)傳感器2，速度為.球在兩個(gè)傳感器之間的時(shí)間為.

時(shí)間t可以通過測時(shí)儀測量得到，而高度H1、H2、H3已知，根據(jù)上面的推導(dǎo)，可以計(jì)算出鋼球穿透玻璃時(shí)夾層玻璃吸收的能量：

2.2 系統(tǒng)組成

本測速系統(tǒng)是通過測量落球穿過兩激光光幕間的時(shí)間間隔及兩光幕間的距離而獲得其穿透夾層玻璃后的即時(shí)速度。并可根據(jù)公式計(jì)算出MBH值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示，激光靶由啟動(dòng)靶和停止靶組成。落球穿過光幕時(shí)，阻擋部分光線，光電探測器將變化的光通量轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，經(jīng)光電放大器放大處理后。將信號(hào)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，獲得落球速度?？傮w設(shè)計(jì)包括光學(xué)測量模塊和控制分析模塊兩大部分。光學(xué)測量模塊中選用半導(dǎo)體激光二極管作光源, 具有體積小、效率高、成本低、無需高壓電源、壽命長等優(yōu)點(diǎn);選用大面積 PIN 光敏二極管作為光電檢測器件，以確保在實(shí)現(xiàn)大面積有效光幕區(qū)的同時(shí)會(huì)聚光斑的接收。光電放大器主要由電流電壓轉(zhuǎn)換放大電路及主放大器組成，在電路設(shè)計(jì)及器件的選擇上確保低噪聲、高響應(yīng)速度和高靈敏度?？刂颇K采用高速數(shù)據(jù)采集卡和分析軟件組成, 性價(jià)比高、操作簡單、且易于擴(kuò)展功能。

圖2 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)原理圖

測速模塊的作用是獲取落球的過靶信號(hào)。本測速系統(tǒng)采用的測速靶為激光光幕靶，也可用其它類型的測速靶，激光光幕靶由測速靶架、發(fā)射模塊和接收模塊等組成。測速靶架由靶板、連接螺桿等組成，是測速靶、靶的承載單元。激光光幕靶有兩個(gè)發(fā)射模塊、兩個(gè)接收模塊，分別固定在靶架的相關(guān)位置上。發(fā)射模塊由多個(gè)激光發(fā)射管組成，形成一束光幕，其光幕尺寸一般大于或等于接收模塊，接受模塊由多個(gè)光敏二級(jí)管組成排成一字形。測試時(shí)，落球穿過光幕,擋住了落在光敏接收管上的光，通過光電藕合電路，輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)彈頭過靶信號(hào)的獲取。

2.3 光學(xué)測量模塊的設(shè)計(jì)

模塊主要由高速FPGA、比較電路、激光發(fā)送、接受及驅(qū)動(dòng)電路組成，其系統(tǒng)框圖如圖 2所示。輸入信號(hào)經(jīng)比較電路后成為方波信號(hào) ,送入采集卡的外部中斷端，控制定時(shí)器 1 的開關(guān) ,即可獲得落球穿過兩激光光幕間的時(shí)間間隔t。而已知靶距H，從而計(jì)算出落球過靶速度，并將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。

圖3 測量系統(tǒng)示意圖

2.4 控制分析模塊的設(shè)計(jì)

控制分析模塊主要由控制軟件和信號(hào)處理模塊構(gòu)成，控制軟件選用的VB進(jìn)行編寫，利用它可以不必熟悉，采集卡的底層指令系統(tǒng)和硬件細(xì)節(jié)，直接面向具體應(yīng)用?？刂栖浖饕芍鞒绦?、初始化模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示分析模塊等組成，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在程序開始，本系統(tǒng)采用中斷控制，外部中斷0、1分別控制定時(shí)器 1 的開與關(guān)。即當(dāng)落球穿過激光光幕的啟動(dòng)靶，開定時(shí)器 1 ；當(dāng)球穿過激光光幕的停止靶，關(guān)定時(shí)器1 ,從而得到過靶時(shí)間t。應(yīng)用定時(shí)器1溢出中斷控制1s計(jì)時(shí)及系統(tǒng)溢出時(shí)間。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)原理圖與軟件測試界面

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

夾層玻璃落球試驗(yàn)基于SGH-III型沖擊試驗(yàn)機(jī)，其測試結(jié)果如表1所示 。

表1 夾層玻璃落球沖擊測試結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)激光測速系統(tǒng)進(jìn)行落球試驗(yàn)的測試可知,該測速系統(tǒng)具有通用性好,適用范圍廣操作簡單,使用方便、高精度、高可靠性，可與計(jì)算機(jī)相接,形成強(qiáng)大而豐富的后處理功能可自動(dòng)生成規(guī)范化的測試報(bào)告等優(yōu)點(diǎn),對(duì)夾層玻璃生產(chǎn)控制有很大的指導(dǎo)作用。

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