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）

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(shù)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(jù)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(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、信號保真度高，經(jīng)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(shù)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(jù)此調(diào)節(jié)鑿巖參數(shù)，鑿巖參數(shù)調(diào)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(shè)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(jù)此調(diào)節(jié)潛孔鉆機鑿巖參數(shù)提供了依據(jù)。

1 采集系統(tǒng)構(gòu)成

信號采集系統(tǒng)由加速度傳感器、數(shù)據(jù)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(nèi)置IC加速度傳感器的信號放大功能以及NI－9234數(shù)據(jù)采集卡的信號調(diào)理功能，在不影響數(shù)據(jù)真實性的基礎(chǔ)上大大簡化了數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)

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(nèi)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(diào)理電路的環(huán)節(jié)。內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器是內(nèi)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(zhì)、環(huán)保、地震等領(lǐng)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(jù)本系統(tǒng)測試對象潛孔鉆機特點，選用LC0123型內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)理電路

調(diào)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(jù)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(nèi)置IC放大電路，干擾信號多可在上位機系統(tǒng)軟件設(shè)計中予以剔除，因此本系統(tǒng)未設(shè)計外置調(diào)理電路。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡將傳感器信號通過A／D轉(zhuǎn)換、放大和預濾波傳入上位機。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(nèi)部主時基采樣頻率范圍1.652～51.2 kHz。圖2為NI 9234數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入電路。

圖2 NI 9234數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入電路

NI公司提供基于NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的接口驅(qū)動，本系統(tǒng)利用NI公司提供的數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)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(jù)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(jié)果，并可根據(jù)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(shè)計

2.1 采集參數(shù)設(shè)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(jù)采集卡4路模擬輸入通道中的1路。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置主要根據(jù)LC0123傳感器特征進行相應設(shè)置。這些參數(shù)的合理設(shè)置，關(guān)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(shè)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(diào)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(jù)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(jié)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(jīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)特征所形成的特征波形，在此基礎(chǔ)上經(jīng)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(jīng)濾波處理后的沖擊頻率信號

圖6 經(jīng)FFT變化后的功率譜信號

4 結(jié) 論

采用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、信號保真度高，經(jīng)過實踐應用取得了良好的效果。為進一步根據(jù)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(shè)計［J］.儀器儀表用戶，2009，16（4）：26-27.

［4］周德照.基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機械振動信號的采集與處理［J］.儀器儀表與檢測技術(shù)，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(shù)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。