張永璽 楊 琛 李東明 閆 杰

（湖南有色重型機器有限責任公司）

基于LabVIEW的潛孔鉆機沖擊頻率采集系統(tǒng)*

張永璽 楊 琛 李東明 閆 杰

（湖南有色重型機器有限責任公司）

采用LabVIEW虛擬儀器技術實現(xiàn)了對潛孔鉆機沖擊頻率的實時提取，成功地提取到了某型潛孔鉆機開孔沖擊頻率，為進一步根據沖擊頻率實現(xiàn)對潛孔鉆機的智能控制、沖擊性能分析、在線監(jiān)測、故障診斷等工作提供了參考。整個系統(tǒng)結構簡單、性能穩(wěn)定、信號保真度高，經過實踐應用取得了良好的效果。

潛孔鉆機 LabVIEW 信號處理

隨著現(xiàn)代采礦技術的發(fā)展，潛孔鉆機以其高效、低污染、可靠性高等特點廣泛應用在礦山、鐵路、公路、水電、煤炭等工程施工中［1］。潛孔鉆機具有沖擊頻率隨巖石特征、推進壓力等參數(shù)不斷變化的特性［2］，利用傳統(tǒng)人工操作方法無法實時判別沖擊頻率并據此調節(jié)鑿巖參數(shù)，鑿巖參數(shù)調節(jié)具有較大的盲目性和不確定性。本研究針對潛孔鉆機特點設計了基于LabVIEW的潛孔鉆機沖擊頻率采集系統(tǒng)，為進一步通過實時監(jiān)測沖擊頻率并據此調節(jié)潛孔鉆機鑿巖參數(shù)提供了依據。

1 采集系統(tǒng)構成

信號采集系統(tǒng)由加速度傳感器、數(shù)據采集卡、工控機3部分組成。圖1為采集系統(tǒng)框圖。由于本采集系統(tǒng)主要用于潛孔鉆機鑿巖現(xiàn)場，因此充分利用了內置IC加速度傳感器的信號放大功能以及NI－9234數(shù)據采集卡的信號調理功能，在不影響數(shù)據真實性的基礎上大大簡化了數(shù)據采集系統(tǒng)的組成，使本信號采集系統(tǒng)能更方便地應用于環(huán)境惡劣的各種鑿巖現(xiàn)場。

圖1 潛孔鉆機信號采集系統(tǒng)結構

1.1 傳感器

為簡化信號采集系統(tǒng)，提高信號采集系統(tǒng)可靠性，本系統(tǒng)選用朗斯內裝IC壓電加速度傳感器，省去了傳統(tǒng)信號采集系統(tǒng)需外置信號放大調理電路的環(huán)節(jié)。內裝IC壓電加速度傳感器是內裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接與記錄、顯示和采集儀器連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性，廣泛用于核爆炸、航空航天、鐵路、橋梁、建筑、車船、機械、水利、電力、石油、地質、環(huán)保、地震等領域。其突出特點如下：低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小，可進行長電纜傳輸；性能價格比高，安裝方便，尤其適用于多點測量；穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。

根據本系統(tǒng)測試對象潛孔鉆機特點，選用LC0123型內置IC壓電加速度傳感器，靈敏度25 mV／g，量程200 g，諧振頻率33 kHz，分辨率0.000 8g，工作溫度－40～120℃。由于測量對象潛孔鉆機自重較重，傳感器自重僅為15g，將傳感器安裝到潛孔鉆機回轉頭不會影響信號提取，因此安裝位置僅需考慮能否直接提取潛孔鉆機沖擊頻率，較好地保護傳感器即可［3］。加速度傳感器安裝于潛孔鉆機回轉頭軸向尾部，此處可直接提取沖擊頻率信號，且環(huán)境較好可通過磁力座直接安裝。

1.2 調理電路

調理電路主要用于將傳感器信號與計算機隔開，對信號進行適當?shù)姆糯蠛捅匾臑V波處理后送入數(shù)據采集卡［4-5］，本系統(tǒng)測試對象中存在機載空壓機、液壓泵、液壓馬達等干擾，但由于本系統(tǒng)所有傳感器內置IC放大電路，干擾信號多可在上位機系統(tǒng)軟件設計中予以剔除，因此本系統(tǒng)未設計外置調理電路。

1.3 數(shù)據采集卡

數(shù)據采集卡將傳感器信號通過A／D轉換、放大和預濾波傳入上位機。本系統(tǒng)數(shù)據采集卡選用NI 9234配NIUSB－9162外盒，四通道模擬輸入，24位分辨率，內部主時基采樣頻率范圍1.652～51.2 kHz。圖2為NI 9234數(shù)據采集卡模擬輸入電路。

圖2 NI 9234數(shù)據采集卡模擬輸入電路

NI公司提供基于NI數(shù)據采集設備的接口驅動，本系統(tǒng)利用NI公司提供的數(shù)據采集設備驅動程序在LabVIEW環(huán)境下完成信號采集程序編制。

1.4 上位機

信號采集系統(tǒng)上位機為1臺工控機，它將獲得的數(shù)據采集卡信號利用基于LabVIEW軟件開發(fā)人機界面實時顯示采集到的信號波形和處理結果，并可根據需要利用其強大的圖形化編程功能修改信號處理程序。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 采集參數(shù)設置

由于本系統(tǒng)僅需采集潛孔鉆機沖擊頻率，因此只啟用了NI 9234數(shù)據采集卡4路模擬輸入通道中的1路。數(shù)據采集參數(shù)設置主要根據LC0123傳感器特征進行相應設置。這些參數(shù)的合理設置，關系到傳感器信號的采集乃至整套系統(tǒng)能否正常工作，為完整地展現(xiàn)潛孔鉆機沖擊過程中的特征，本系統(tǒng)設置采樣頻率為25.6 kHz，采樣點數(shù)為12 800。

2.2 信號分析模塊

信號分析部分由時域分析、頻域分析模塊組成，調用Sound and Vibration Analysis Software模塊中的SVXMPL＿Baseband FFT VI并加載低通濾波器，以去除信號中的高頻干擾信號。利用LabVIEW軟件所具有的信號存儲功能將采集到的信號實時更新到EXCEL數(shù)據庫中，以便后續(xù)對采集到的沖擊頻率做智能控制用。圖3為信號采集與處理程序。

圖3 信號采集與處理程序

3 測試效果分析

3.1 測試結果

本測試系統(tǒng)對某型潛孔鉆機進行了沖擊頻率測試，采集到的潛孔鉆機輕沖擊、輕推進狀態(tài)下的頻率信號，經過LabVIEW處理后提取出了該型潛孔鉆機的開孔沖擊頻率，并將此沖擊頻率信號實時輸出。圖4～圖6為采集到的沖擊頻率信號及處理后的信號。

圖4 由加速度傳感器采集到的原始沖擊頻率信號

3.2 沖擊頻譜信號分析

由圖4可以看出由于潛孔鉆機沖擊過程中存在各個頻段信號干擾，原始信號難以分辨，由于潛孔鉆機沖擊頻率有明顯的帶寬范圍，經過低通濾波和程序處理后得到的信號呈現(xiàn)出明顯的周期性，完整地展現(xiàn)了該型潛孔鉆機沖擊過程中由鑿巖機本身結構特征所形成的特征波形，在此基礎上經過FFT變化可快速取得潛孔鉆機沖擊頻率。此次試驗由于測試的頻率為潛孔鉆機開孔沖擊頻率，為18 Hz。

圖5 經濾波處理后的沖擊頻率信號

圖6 經FFT變化后的功率譜信號

4 結 論

采用LabVIEW虛擬儀器技術實現(xiàn)了對潛孔鉆機沖擊頻率的實時提取，成功地提取到了某型潛孔鉆機開孔沖擊頻率。整個系統(tǒng)結構簡單、性能穩(wěn)定、信號保真度高，經過實踐應用取得了良好的效果。為進一步根據沖擊頻率實現(xiàn)對潛孔鉆機的智能控制、沖擊性能分析、在線監(jiān)測、故障診斷等工作提供了參考。相對傳統(tǒng)測試方法，顯著增加了系統(tǒng)的靈活性和信號處理實時性，大大降低了測試費用和測試難度。

［1］王 青，任鳳玉.采礦學［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［2］程乾生.數(shù)字信號處理的數(shù)學原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［3］孔巖峰.基于LabVIEW的發(fā)動機振動測試系統(tǒng)設計［J］.儀器儀表用戶，2009，16（4）：26-27.

［4］周德照.基于LabVIEW的旋轉機械振動信號的采集與處理［J］.儀器儀表與檢測技術，2005，24（3）：62-64.

［5］陳 勇，洪傳文.基于LabVIEW的水輪機振動信號采集與處理［J］.水電與新能源，2010（5）：27-29.

Im pact Frequency Acquisition System of Down-the-hole Drill based on LabVIEW

Zhang Yongxi Yang Chen Li Dongming Yan Jie
（Hunan Non-ferrous Heavy Machinery Co.，Ltd.）

By means of LabVIEW virtual instrument technique，the real-time extraction for the impact frequency of down-the-hole drill was realized，and the impact frequency of a certain type of down-the-hole drill was successfully extracted.On the basis of the impact frequency，the research provided a reference for intelligent control，impact strength analysis，on-linemonitoring and fault diagnosis for the down-the-hole drill.The overall system has features of simply structure，stable performance and high signal fidelity，meanwhile good effect has been obtained in the practical application.

Down-the-hole drill，LabVIEW，Signal processing

2013-06-11）

*國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（編號：2011AA060402）。

張永璽（1985—），男，工程師，碩士，410012湖南省長沙市岳麓區(qū)東方紅中路568號。