基于LabVIEW的潜孔钻机冲击频率采集系统*

张永玺 杨 琛 李东明 闫 杰

（湖南有色重型机器有限责任公司）

基于LabVIEW的潜孔钻机冲击频率采集系统*

张永玺 杨 琛 李东明 闫 杰

（湖南有色重型机器有限责任公司）

采用LabVIEW虚拟仪器技术实现了对潜孔钻机冲击频率的实时提取，成功地提取到了某型潜孔钻机开孔冲击频率，为进一步根据冲击频率实现对潜孔钻机的智能控制、冲击性能分析、在线监测、故障诊断等工作提供了参考。整个系统结构简单、性能稳定、信号保真度高，经过实践应用取得了良好的效果。

潜孔钻机 LabVIEW 信号处理

随着现代采矿技术的发展，潜孔钻机以其高效、低污染、可靠性高等特点广泛应用在矿山、铁路、公路、水电、煤炭等工程施工中［1］。潜孔钻机具有冲击频率随岩石特征、推进压力等参数不断变化的特性［2］，利用传统人工操作方法无法实时判别冲击频率并据此调节凿岩参数，凿岩参数调节具有较大的盲目性和不确定性。本研究针对潜孔钻机特点设计了基于LabVIEW的潜孔钻机冲击频率采集系统，为进一步通过实时监测冲击频率并据此调节潜孔钻机凿岩参数提供了依据。

1 采集系统构成

信号采集系统由加速度传感器、数据采集卡、工控机3部分组成。图1为采集系统框图。由于本采集系统主要用于潜孔钻机凿岩现场，因此充分利用了内置IC加速度传感器的信号放大功能以及NI－9234数据采集卡的信号调理功能，在不影响数据真实性的基础上大大简化了数据采集系统的组成，使本信号采集系统能更方便地应用于环境恶劣的各种凿岩现场。

图1 潜孔钻机信号采集系统结构

1.1 传感器

为简化信号采集系统，提高信号采集系统可靠性，本系统选用朗斯内装IC压电加速度传感器，省去了传统信号采集系统需外置信号放大调理电路的环节。内装IC压电加速度传感器是内装微型IC放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录、显示和采集仪器连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性，广泛用于核爆炸、航空航天、铁路、桥梁、建筑、车船、机械、水利、电力、石油、地质、环保、地震等领域。其突出特点如下：低阻抗输出，抗干扰，噪声小，可进行长电缆传输；性能价格比高，安装方便，尤其适用于多点测量；稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。

根据本系统测试对象潜孔钻机特点，选用LC0123型内置IC压电加速度传感器，灵敏度25 mV／g，量程200 g，谐振频率33 kHz，分辨率0.000 8g，工作温度－40～120℃。由于测量对象潜孔钻机自重较重，传感器自重仅为15g，将传感器安装到潜孔钻机回转头不会影响信号提取，因此安装位置仅需考虑能否直接提取潜孔钻机冲击频率，较好地保护传感器即可［3］。加速度传感器安装于潜孔钻机回转头轴向尾部，此处可直接提取冲击频率信号，且环境较好可通过磁力座直接安装。

1.2 调理电路

调理电路主要用于将传感器信号与计算机隔开，对信号进行适当的放大和必要的滤波处理后送入数据采集卡［4-5］，本系统测试对象中存在机载空压机、液压泵、液压马达等干扰，但由于本系统所有传感器内置IC放大电路，干扰信号多可在上位机系统软件设计中予以剔除，因此本系统未设计外置调理电路。

1.3 数据采集卡

数据采集卡将传感器信号通过A／D转换、放大和预滤波传入上位机。本系统数据采集卡选用NI 9234配NIUSB－9162外盒，四通道模拟输入，24位分辨率，内部主时基采样频率范围1.652～51.2 kHz。图2为NI 9234数据采集卡模拟输入电路。

图2 NI 9234数据采集卡模拟输入电路

NI公司提供基于NI数据采集设备的接口驱动，本系统利用NI公司提供的数据采集设备驱动程序在LabVIEW环境下完成信号采集程序编制。

1.4 上位机

信号采集系统上位机为1台工控机，它将获得的数据采集卡信号利用基于LabVIEW软件开发人机界面实时显示采集到的信号波形和处理结果，并可根据需要利用其强大的图形化编程功能修改信号处理程序。

2 系统软件设计

2.1 采集参数设置

由于本系统仅需采集潜孔钻机冲击频率，因此只启用了NI 9234数据采集卡4路模拟输入通道中的1路。数据采集参数设置主要根据LC0123传感器特征进行相应设置。这些参数的合理设置，关系到传感器信号的采集乃至整套系统能否正常工作，为完整地展现潜孔钻机冲击过程中的特征，本系统设置采样频率为25.6 kHz，采样点数为12 800。

2.2 信号分析模块

信号分析部分由时域分析、频域分析模块组成，调用Sound and Vibration Analysis Software模块中的SVXMPL＿Baseband FFT VI并加载低通滤波器，以去除信号中的高频干扰信号。利用LabVIEW软件所具有的信号存储功能将采集到的信号实时更新到EXCEL数据库中，以便后续对采集到的冲击频率做智能控制用。图3为信号采集与处理程序。

图3 信号采集与处理程序

3 测试效果分析

3.1 测试结果

本测试系统对某型潜孔钻机进行了冲击频率测试，采集到的潜孔钻机轻冲击、轻推进状态下的频率信号，经过LabVIEW处理后提取出了该型潜孔钻机的开孔冲击频率，并将此冲击频率信号实时输出。图4～图6为采集到的冲击频率信号及处理后的信号。

图4 由加速度传感器采集到的原始冲击频率信号

3.2 冲击频谱信号分析

由图4可以看出由于潜孔钻机冲击过程中存在各个频段信号干扰，原始信号难以分辨，由于潜孔钻机冲击频率有明显的带宽范围，经过低通滤波和程序处理后得到的信号呈现出明显的周期性，完整地展现了该型潜孔钻机冲击过程中由凿岩机本身结构特征所形成的特征波形，在此基础上经过FFT变化可快速取得潜孔钻机冲击频率。此次试验由于测试的频率为潜孔钻机开孔冲击频率，为18 Hz。

图5 经滤波处理后的冲击频率信号

图6 经FFT变化后的功率谱信号

4 结 论

采用LabVIEW虚拟仪器技术实现了对潜孔钻机冲击频率的实时提取，成功地提取到了某型潜孔钻机开孔冲击频率。整个系统结构简单、性能稳定、信号保真度高，经过实践应用取得了良好的效果。为进一步根据冲击频率实现对潜孔钻机的智能控制、冲击性能分析、在线监测、故障诊断等工作提供了参考。相对传统测试方法，显著增加了系统的灵活性和信号处理实时性，大大降低了测试费用和测试难度。

［1］王 青，任凤玉.采矿学［M］.北京：冶金工业出版社，2011.

［2］程乾生.数字信号处理的数学原理［M］.北京：石油工业出版社，1993.

［3］孔岩峰.基于LabVIEW的发动机振动测试系统设计［J］.仪器仪表用户，2009，16（4）：26-27.

［4］周德照.基于LabVIEW的旋转机械振动信号的采集与处理［J］.仪器仪表与检测技术，2005，24（3）：62-64.

［5］陈 勇，洪传文.基于LabVIEW的水轮机振动信号采集与处理［J］.水电与新能源，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）

*国家高技术研究发展计划（863计划）项目（编号：2011AA060402）。

张永玺（1985—），男，工程师，硕士，410012湖南省长沙市岳麓区东方红中路568号。