圖1 工程爆破

VOD 是英文 Velocity of Detonation 的縮寫，指爆轟波在藥柱中穩(wěn)定傳播的速度。它不是簡單的化學(xué)反應(yīng)速度，而是一個包含強沖擊波與高速化學(xué)反應(yīng)耦合的復(fù)雜物理過程。

根據(jù)經(jīng)典的 CJ（Chapman-Jouguet）理論，爆轟波由一個前導(dǎo)沖擊波和緊隨其后的化學(xué)反應(yīng)區(qū)組成。沖擊波對進行絕熱壓縮，使溫度驟升并引發(fā)劇烈化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)釋放的能量又不斷支撐沖擊波向前傳播，從而形成自持的爆轟波。當(dāng)反應(yīng)區(qū)末端滿足特定聲速條件時，波后流動不會干擾波前，此時的爆速稱為CJ爆速，即理想爆速。理想爆速由自身的化學(xué)組成、密度和爆轟反應(yīng)熱決定，是的固有屬性。

然而在實際工程中，受藥柱直徑、外殼約束、起爆強度、藥柱老化等因素影響，爆轟波往往難以達到理想狀態(tài)，實測的爆速稱為實際爆速。實際爆速與理想爆速的偏差，直接反映了爆轟傳播的完整性與可靠性。影響實際爆速的主要因素包括：

• 裝藥直徑：直徑小于某一臨界值時，側(cè)向稀疏波會造成能量損失，爆速下降，甚至熄爆。

• 約束條件：堅固的外殼可以阻礙稀疏波，提升爆速。

• 密度與均勻性：密度越大，爆速一般越高；但孔隙、裂紋會導(dǎo)致爆速不穩(wěn)定。

• 起爆能量：起爆能量不足會導(dǎo)致爆轟成長段變長，初始爆速低于穩(wěn)態(tài)值。

因此，單純了解理想爆速遠遠不夠，工程上必須對實際藥柱的VOD進行精確測定。

VOD測試絕非單純的實驗室操作，它在生產(chǎn)、爆破設(shè)計、安全評估和科學(xué)研究中起著不可替代的作用。

• 性能鑒定與質(zhì)量控制：VOD是出廠檢驗和現(xiàn)場驗收的核心指標(biāo)之一。通過與標(biāo)準(zhǔn)值對比，可以判斷、密度、儲存期是否正常，剔除不合格產(chǎn)品。

• 爆破效果優(yōu)化：在露天礦山、隧道掘進等工程中，巖石的破碎塊度、拋擲距離、振動等均與VOD密切相關(guān)。通過實測孔內(nèi)爆速，可以分析與巖石的匹配性，優(yōu)化

• 孔網(wǎng)參數(shù)，提升破碎效率，降低大塊率和爆破震動。

• 安全評估與事故分析：爆速異常往往是拒爆、半爆、殉爆的先兆。VOD測試可幫助發(fā)現(xiàn)爆轟中斷、爆燃轉(zhuǎn)爆轟（DDT）風(fēng)險，評估在不利條件下的安全性。

• 爆轟機理與數(shù)值模擬研究：連續(xù)VOD曲線能反映爆轟波成長、穩(wěn)態(tài)傳播及衰減全過程，為爆轟反應(yīng)模型提供驗證數(shù)據(jù)。同時，能量釋放的瞬時變化可通過VOD抖動來識別，從而深化對非理想爆轟的理解。

• 器材研發(fā)：新型、、裝藥結(jié)構(gòu)的研發(fā)，都需要通過VOD測試來反復(fù)迭代和確認(rèn)性能。

可以說，沒有精準(zhǔn)的VOD測試，現(xiàn)代爆破技術(shù)的科學(xué)化、精細(xì)化就無從談起。

圖2 露天礦山爆破

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，VOD測試技術(shù)形成了多種方案，按照信息獲取方式可分為離散點測量和連續(xù)測量兩大類。

3.1 離散點測量法——電探針法

這是經(jīng)典的方法。在藥柱內(nèi)部或表面沿軸向布置若干對電極探針（如離子探針、斷通靶），當(dāng)爆轟波到達時，探針被電離或斷開，產(chǎn)生電脈沖信號。通過精確記錄相鄰探針之間的時間差 Δt 和已知間距 Δx，即可求出平均爆速  vˉ=Δx/Δt。

• 優(yōu)點：原理簡單，耐惡劣環(huán)境，成本低。

• 缺點：只能獲得分段平均爆速，無法反映爆速的連續(xù)變化，很可能錯過短暫的速度波動或反應(yīng)區(qū)細(xì)節(jié)。

3.2 連續(xù)測量法

連續(xù)測量法能給出爆轟波位置隨時間的連續(xù)變化曲線，進而微分得到瞬時VOD，是目前發(fā)展的主流。

(1) 連續(xù)電阻傳感法（連續(xù)電阻測爆法）

此方法采用一種特殊的連續(xù)電阻探頭，能夠輸出與爆轟波位置線性相關(guān)的電信號，實現(xiàn)連續(xù)、實時測量。它克服了離散法的局限性，能完整描畫VOD曲線。

圖3 連續(xù)電阻測爆法

(2) 光纖探針法

將光纖沿藥柱敷設(shè)，利用爆轟波陣面高壓破壞光纖結(jié)構(gòu)，或通過探測沖擊波作用下光纖中的瑞利散射、端面反射光強變化，來確定波前位置。部分系統(tǒng)甚至能測出連續(xù)速度剖面。

• 優(yōu)點：抗電磁干擾，精度高，可以實現(xiàn)分布式連續(xù)測量。

• 缺點：光纖脆弱，布設(shè)工藝要求高，系統(tǒng)較昂貴，某些方案只能獲得離散數(shù)據(jù)。

(3) 高速攝影法

通過透明窗口或直接拍攝裸露藥柱端面，利用高速相機捕捉爆轟波的發(fā)光陣面移動。空間-時間圖像經(jīng)過處理可得到連續(xù)爆速。

• 優(yōu)點：非接觸，直觀。

• 缺點：只能測量透明的或表面爆炸，無法用于真實的礦用現(xiàn)場孔內(nèi)測試，且設(shè)備貴重。

(4) 壓電傳感器陣列法

沿藥柱排布壓電式或壓阻式壓力傳感器，爆轟波到達時各傳感器記錄壓力躍升時間，再計算各段爆速。若傳感器密度足夠高，也可近似獲得連續(xù)剖面，但本質(zhì)上仍為多點測量。

綜上，在工程現(xiàn)場與實驗室中，連續(xù)電阻傳感法因其探頭堅固、信號直觀、可獲取完整VOD曲線且成本適中，成為了使用廣的連續(xù)測量手段。

VOD測試已經(jīng)滲透到民用爆破、事和科學(xué)研究的方方面面。以下為典型應(yīng)用場景：

•  生產(chǎn)與入庫檢驗：每批次出廠前抽樣測定VOD，確保符合國家標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品規(guī)范。長期儲存的也需定期檢測，判斷老化衰減程度。

• 露天礦山與采石場爆破：在炮孔內(nèi)埋入VOD探頭，監(jiān)測銨油、乳化等的爆轟傳播，分析爆破能量利用效率，優(yōu)化臺階高度、抵抗線和裝藥結(jié)構(gòu)。

• 隧道與地下空間開挖：在掏槽眼、周邊眼中進行VOD測試，驗證光面爆破和預(yù)裂爆破的性能是否滿足要求，從而控制超欠挖和圍巖損傷。

• 拆除爆破：復(fù)雜結(jié)構(gòu)物拆除要求精確做功，VOD測試可確認(rèn)特殊裝藥（如聚能切割器、爆裂管）的實際爆速，保證倒塌方向和破碎程度。

• 油氣井射孔與壓裂：射孔彈的爆速直接影響射流侵徹深度，必須通過VOD抽檢確保一致性和可靠性。

• 軍事戰(zhàn)斗部與推進劑研究：戰(zhàn)斗部裝藥的爆速直接決定毀傷效能，而低爆速zhayao、爆燃推進劑的分解速度也需類似手段評估。

• 科學(xué)研究實驗室：在研究非理想爆轟、鈍感zhayao響應(yīng)、沖擊起爆及爆轟臨界直徑等問題時，需要極精細(xì)的連續(xù)VOD曲線作為核心診斷數(shù)據(jù)。

可以說，凡涉及zhayao可靠做功的地方，幾乎都離不開VOD測試。

圖4 地下空間爆破

連續(xù)電阻傳感連續(xù)測爆法的核心思想是：利用爆轟波前的高壓將一根特殊探頭的絕緣層破壞，形成一個隨爆轟波同步移動的滑動短路點，通過測量由此引起的電路電阻變化，反推出短路點的瞬時位置，進而得出連續(xù)爆速。

圖5 連續(xù)電阻測爆法儀器

5.1 探頭結(jié)構(gòu)

探頭通常由兩種形式：

• 同軸電纜型：常見使用RG-58等細(xì)同軸電纜，中心銅芯為內(nèi)導(dǎo)體，外層為金屬編織網(wǎng)，中間由聚乙烯等絕緣介質(zhì)隔開。電纜外徑細(xì)小，可直接埋入藥包。

• 雙絞漆包線型：將兩根高強度漆包銅線絞合在一起，每根導(dǎo)線表面有耐熱絕緣漆，相互絕緣。

布設(shè)時，探頭被拉直并貫穿于藥柱內(nèi)部或緊貼藥柱表面，一端從起爆端引出，另一端連接測量電路。為消除末端反射與信號畸變，探頭末端常保持開路或匹配處理。

5.2 測量電路與信號邏輯

電路結(jié)構(gòu)極其簡明：恒流源 + 探頭 + 電壓記錄儀。
一個精密恒流源向探頭兩根導(dǎo)體提供一個恒定的直流電流 I0（通常為數(shù)十毫安）。zhayao未起爆時，探頭全程絕緣，兩導(dǎo)體不導(dǎo)通，電路等效為開路，電壓輸出保持在某一高限值。
起爆瞬間，爆轟波自探頭始端傳入，波前壓力高達數(shù)吉帕至數(shù)十吉帕，這種壓力瞬間將波陣面處的絕緣層壓縮、擊穿或破壞，使該點的內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體（或兩漆包線）直接短路導(dǎo)通。隨著爆轟波向前傳播，這個短路點也隨之平滑移動。

對于恒流源而言，探頭的有效參與部分是短路點之后的未爆段（從短路點到末端）。若設(shè)探頭單位長度的電阻為 r0，未短路段長度為 L?x(t)（其中 L 為探頭總長，x(t) 為從起爆端到當(dāng)前爆轟波前距離），則電路中的瞬時電阻為：

R(t)=r0?[L?x(t)]

恒流源作用下，電壓記錄儀測得的電壓為：

V(t)=I0?R(t)=I0r0?[L?x(t)]=k[L?x(t)]

其中 k=I0r0 為常數(shù)。可見，輸出電壓與未爆轟段長度嚴(yán)格成線性關(guān)系。隨著爆轟波前進，x(t) 增大，電壓 V(t) 線性下降，形成一條下降斜坡信號。

5.3 波陣面與探頭相互作用的物理機制

能夠形成可靠滑動短路的關(guān)鍵，在于爆轟波高壓的瞬時性。波陣面后的爆炸產(chǎn)物雖然壓力也很高，但通常伴有大量導(dǎo)電離子，可能導(dǎo)致多點短路或不確定導(dǎo)通。不過，實踐證明，前導(dǎo)沖擊波對絕緣層的壓縮破壞才是形成清晰短路前沿的主導(dǎo)機制。爆炸氣態(tài)產(chǎn)物擴散速度遠低于波速，在納秒級上升沿內(nèi)，真正的電氣短路點被“鎖定"在波陣面上。探頭絕緣層的機械破壞高度局部化，加上正確的末端處理，使得信號基本只反映波前位置。

對于同軸電纜，沖擊波將外導(dǎo)體編織網(wǎng)壓向內(nèi)導(dǎo)體，絕緣層被瞬間擠穿；對于雙絞線，兩股線在高壓下壓緊，漆膜破裂，實現(xiàn)銅-銅接觸。這個動態(tài)短路非常穩(wěn)定，接觸電阻雖在幾歐姆級變化，但不影響長距離上由剩余電纜電阻主導(dǎo)的宏觀線性度。

5.4 數(shù)據(jù)采集與爆速曲線處理

電壓信號通過高速數(shù)據(jù)采集器（采樣率通常為1~50 MHz）記錄，形成一條清晰的時間-電壓下降曲線。數(shù)據(jù)處理步驟為：

• 1）信號標(biāo)定：在起爆前，記錄整個探頭的靜態(tài)電壓 V0=I0r0L；起爆結(jié)束后，探頭全部短路，電壓接近0（或末端殘壓）。由此可標(biāo)定k值及探頭初始電阻。

• 2）距離換算：根據(jù) x(t)=L?V(t)/k 直接得到波前位置-時間曲線 x(t)。

• 3）微分求速：對 x(t) 進行時間微分，必要時通過低通濾波或多項式平滑去除微分噪聲，得到瞬時爆速曲線 v(t)=dx/dt。

• 4）.距離域顯示：工程上更習(xí)慣將瞬時爆速表達為沿藥柱距離的函數(shù) v(x)，可直接觀察爆轟從起爆成長、穩(wěn)定傳播到末端衰減的全過程。

繪制出的VOD曲線可清晰顯示：起爆后的爆轟成長段（爆速逐漸上升并接近理想值）、穩(wěn)態(tài)傳播段（爆速平穩(wěn)）和末端衰減段（接近界面或底端時稀疏波影響導(dǎo)致下降）。若曲線出現(xiàn)大幅波動、平臺中斷或驟降，則可能意味著密度不均、裂隙存在，甚至爆轟中斷。

圖6 爆速實測曲線

5.5 方法的優(yōu)缺點

主要優(yōu)點：

• 真正連續(xù)記錄，不遺漏任何瞬態(tài)變化，能完整揭示爆轟傳播歷程；

• 一條探頭即可替代數(shù)十對電探針，安裝簡便，數(shù)據(jù)連貫；

• 探頭可彎曲，便于布設(shè)在炮孔或復(fù)雜裝藥結(jié)構(gòu)中；

• 技術(shù)成熟，配套儀器（如MicroTrap等）已商業(yè)化，便于工程推廣。

局限性及注意事項：

• 探頭本身必須平直拉緊，避免在爆轟到達前因擠壓、曲折導(dǎo)致絕緣破損，否則會產(chǎn)生提前短路干擾。

• 雙絞線或同軸電纜存在一定的機械響應(yīng)時間，超高爆速（>8000 m/s）下要求更高的采樣率與高頻響電路。

• 信號末端可能出現(xiàn)反射或殘余離子導(dǎo)通引發(fā)的“拖尾"，需通過算法修正。

• 對于超高溫或超高壓的特殊環(huán)境，探頭耐溫、抗壓強度需特制。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，連續(xù)電阻傳感連續(xù)測爆法憑借其優(yōu)異的信息豐度與魯棒性，依然是目前工業(yè)測試和爆轟研究中受信賴的連續(xù)測速手段。

圖7 現(xiàn)場爆速測試

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