電梯運行平安智能檢測儀器

DT系列電梯加速度測試儀XC系列電梯限速器測試儀中國科學院合肥智能機械研究所伍先達一、概述

一、概述

改革開放以來，我國的電梯業(yè)得到了高速開展，2002年我國的電梯年產(chǎn)量首次突破6萬臺，2003年我國電梯業(yè)生產(chǎn)的電梯、自動扶梯和自動人行道更是到達了8.5萬臺，2004年我國電梯生產(chǎn)總量已超過10萬臺，占全球總產(chǎn)量的1/3，使中國成為世界最大的電梯市場和世界最大的電梯生產(chǎn)國。但我國有13億人口，在用電梯只有50余萬臺，和興旺國家相比還有較大差距，電梯業(yè)仍然有較大的市場潛力。二、研制過程

二、研制過程〔續(xù)〕二、研制過程〔續(xù)〕在國內外市場上，各種通用的高、中、低檔的測振儀器可以說是規(guī)格齊全，品種繁多，但由于電梯加速度測量的長過程記錄以及數(shù)據(jù)分析的獨特性和復雜性，使得通用的儀器難以發(fā)揮應有的作用。以前電梯行業(yè)中加速度的測量都是采用模擬式波形記錄測試系統(tǒng)，經(jīng)手工取值計算、分析而完成的，可以說是一個經(jīng)典的方法。直至我們開發(fā)的DT系列電梯加速度測試儀問世以后，經(jīng)典的示波法，才逐漸被淘汰。DT系列電梯加速度測試儀是根據(jù)國標GB/T10059—1997?電梯試驗方法?中的有關要求而設計的專用電梯測量儀器，自投放市場后，經(jīng)過不斷地完善，根本上取代了國產(chǎn)及進口的大量模擬量的測試儀器，為電梯運行的質量控制提供了實用的有效的檢測手段。2、主要功能

①電腦控制的實時在線檢測，能自動識別電梯運行的不同過程并進行數(shù)據(jù)的計算和處理，完全排除人工干預，精度高，其中核心部件采用高性能的嵌入式計算機系統(tǒng)，以保證儀器功能強，抗干擾能力強，運行穩(wěn)定，低故障發(fā)生率。2、主要功能(續(xù))②可顯示或打印出加速度、速度、加加速度及三方向振動加速度等六條曲線，并給出隸屬于電梯啟制動特性及振動特性測量標準的所有參數(shù)。③采用5.4英寸液晶點陣圖形平板顯示屏，可實時連續(xù)顯示動態(tài)振動曲線，指示當前工作狀態(tài)，顯示測試結果等。顯示屏帶有背光源，以便能在較暗的環(huán)境中使用。2、主要功能〔續(xù)〕④大容量存儲器，自動存儲大量測試數(shù)據(jù)，可隨時調出查看、打印；帶有RS–232通訊口，可將測試數(shù)據(jù)回放計算機內，用以存檔或進一步分析。⑤利用快速傅立葉變換〔FFT〕對振動信號進行頻譜分析，可作通用低頻振動分析儀器使用。⑥可選擇交流電或機內自備電池供電，具有數(shù)據(jù)掉電保護功能。①量程：垂直測量：靜態(tài)校準0-980cm/s2，動態(tài)測量0-500cm/s2；水平測量：靜態(tài)校準0-98cm/s2，動態(tài)測量0-50cm/s2②精度：整機動態(tài)標定精度≤2%③基線噪聲：垂直≤5cm/s2，水平≤1.0cm/s2④頻響：根據(jù)不同測量要求分為0～30Hz，0～100Hz⑤電源：AC220×(1±10%)V，50×(1±2%)Hz機內自備電池供電：使用時間＞2小時；充電時間8～12小時⑥體積：360×335×165mm34、結構及工作原理：本儀器由加速度傳感器、低通濾波器、放大電路、A/D變換器、計算機處理系統(tǒng)、液晶顯示屏、微型打印機等組成，其結構原理如圖〔1〕所示。由傳感器獲取的加速度信號，經(jīng)濾波、放大和A/D變換后，送入計算機系統(tǒng)，由計算機信息處理將運行曲線實時地在液晶屏上顯示出來，同時對數(shù)據(jù)進行實時處理，自動識別電梯運行的各個過程，并得出相應參數(shù)。測試完畢后，根據(jù)用戶的不同要求，可以將曲線及參數(shù)在液晶屏上顯示出來或通過打印機打印出來，也可將曲線數(shù)據(jù)存儲并進行頻譜分析。4、結構及工作原理：圖〔1〕①傳感器：一般來說，電梯轎廂加速度的頻率范圍為0—100Hz，加速度值為200cm/s2〔垂直測量〕或50cm/s2〔水平測量〕以下。由于這是一個低頻低加速度的測量，加之測量時采用90°靜態(tài)翻轉，以重力加速度作現(xiàn)場校準的方法，因此傳感器應選擇具有零頻響應，低頻響應好、分辨率高的壓阻式或差容式加速度計。本系統(tǒng)選擇了美國ICSENSORS公司原裝進口的3140型傳感器，量程為±2g，頻響為0—250Hz，精度為±0.2%量程。經(jīng)實踐證明，該傳感器能很好地滿足電梯加速度的測量要求。②計算機處理系統(tǒng)及液晶顯示屏：計算機處理系統(tǒng)我們選擇的是嵌入式PC/104模塊，它實際上相當于1個486計算機，具有486計算機的全部功能及接口，但同時又具備嵌入式控制的特殊功能要求，即超小尺寸，超低功耗，寬溫度范圍以及工業(yè)級、高品質、長壽命的器件選擇，該計算機系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)相比，具有功能強大、運算速度快，易于編程，以及極高的可靠性。顯示屏我們選擇的是5.4英寸LCD點陣圖形平板顯示屏，為單色320×240，顯示效果非常理想。③其它器件：a.低通濾波器：由于在國標中要求獲得信號的頻率分兩種情況：在測量起制動加速度時為0～30Hz；在測量振動加速度時〔分垂直振動和水平振動〕為0～100Hz，因此我們選擇了美國美信公司的濾波器芯片，該芯片為單路8階低通濾波器，可通過時鐘編程確定截止頻率，使用非常方便，各項指標亦能到達設計要求。b.A/D變換器：

根據(jù)設計要求A/D變換器必須要有較高的分辨率和較快的轉換速度，為此我們選擇了美國美信公司的A/D芯片，該芯片為14位轉換精度，轉換時間為9.4μs，封裝為16腳雙列直插，串行數(shù)據(jù)輸出，體積小巧，使用方便。圖〔2〕①本系統(tǒng)軟件采用高級語言編程，程序設計采用結構化和模塊化相結合的方式，具體軟件框圖見圖〔2〕。②小波分析功能的應用：小波分析做為一種有效的信號處理方法，在信息獲取中受到越來越廣泛的重視。它能將由各種不同頻率成分組成的混合信號分解到不同的頻率段上，有效地用于濾波和信噪別離。本儀器基于小波分解與重構理論，對電梯加速度信號進行濾波處理。結果說明小波去噪法能很好地完成濾波功能，并且濾波的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。通過對轎廂運行加速度曲線的分析，可得到電梯起動、制動及振動特性，進而分析電梯的驅動系統(tǒng)性能及安裝質量，從而可以判斷電梯故障以及尋找故障源。②小波分析功能的應用〔續(xù)〕使用本公司的電梯加速度測試儀對試驗電梯進行輕載荷起制動試驗，采樣取頻率fs=250Hz，所得到的加速度信號曲線如圖〔3〕所示。從圖中可見所測得的原始信號中含有大量高頻噪聲，我們必須對其進行濾波處理，以獲得我們所關心的低頻信號。圖〔3〕由加速度測試儀所測得的原始加速度信號②小波分析功能的應用〔續(xù)〕根據(jù)離散小波的濾波特性，對原始信號進行多級分解，分解出的平滑逼近信號就能很好的描述轎廂運行的加速度。按照離散小波變換對信號頻帶的劃分特點，對采樣頻率為250Hz的原始信號進行分解，當分解到第三層時，其平滑逼近信號占有的頻帶為0～31.25Hz，這正是我們感興趣的低頻信號。選取db10小波，對原始加速度信號進行三層離散小波變換，然后把反映干擾和噪聲頻率的那些尺度低的小波變換系數(shù)去掉，根據(jù)Mallat的重構算法得到的重構信號用第三層的離散逼近系數(shù)重構信號，可以得到清晰的加速度曲線，如圖〔4〕所示。②小波分析功能的應用〔續(xù)〕圖〔4〕經(jīng)由小波方法濾波后所獲得的信號在本儀器中模糊信息處理方法主要應用于加速度圖譜處理中的“編輯〞功能，該功能是目前所有國內外同類產(chǎn)品中所沒有的。所謂“編輯〞功能，即只繪制加、減速和抱閘三個過程的波形圖，而勻速階段將僅記錄最初的0.4s行程，作為各行程間隔的過渡段，該功能的最大特點是將圖譜中不參與運算的局部剔除掉，突出主要局部并將其放大，以利于測試人員進行分析處理。③模糊處理：實現(xiàn)該功能的最大難點在于儀器要自動判斷電梯的起動時刻，進入勻速段的時刻，開始制動時刻和運行結束時刻。由于電梯的種類繁多，速度各不相同，因而上述功能的實現(xiàn)顯得尤為困難。在本儀器的開發(fā)過程中，我們做了大量的現(xiàn)場實驗，獲得了大量的第一手資料，在此根底上我們運用模糊信息處理方法進行判斷，找出相關的隸屬度函數(shù)，確定模糊規(guī)那么和模糊推理方法。實踐證明，采用模糊處理方法可以很好的實現(xiàn)上述功能。③模糊處理〔續(xù)〕7、準確度標定：該儀器送至國家法定計量部門進行動態(tài)標定和測試，主要性能指標如下：a〕線性度實驗：在10.5Hz頻率下,測試2m/s2,1.5m/s2,1m/s2,0.5m/s2四點，其最大相對誤差不大于2%，為合格；b〕頻響實驗：在測試振幅為2m/s2下，檢測21Hz,10.5Hz,5.2Hz,2.6Hz四個頻試點，頻帶內不平度：＜0.5db。一臺編號為01030701-18的DT-3電梯加速度測試儀，送中國計量科學研究院進行標定測試，主要計量器具設備為低頻振動臺〔國家計量副基準，不確定度1%〕，證書編號：LXv12003-0123，測試結果如下：標準（m/s2）2．001．501．000．50示值（m/s2）2．011．501．000．50線性

頻率：10.50Hz頻率響應加速度：2.00

m/s2

頻率（Hz）21．0010．505．202．60示值（m/s2）2．012．012．012．01

該臺儀器的線性度實驗和頻響實驗均為合格。

〔二〕

XC系列電梯限速器測試儀1、前言：限速器是電梯的一個重要平安部件，當轎廂超速運行到達規(guī)定的速度范圍后，由限速器先動作，后啟動平安鉗，把轎廂夾緊在導軌上，從而實現(xiàn)可靠的平安保護。因此，限速器的現(xiàn)場檢測，尤其對于使用多年的老電梯那么是一個事關人身平安的必檢工程。1、概述〔續(xù)〕根據(jù)我們對電梯行業(yè)的了解，這種便攜式的現(xiàn)場測試儀器以前是沒有的，只能用轉速表測量，不精確，也不方便。往往事倍功半，許多人為因素無法排除。個別單位有自制的方式檢測設備，但因設計笨重而無法在現(xiàn)場使用。國外有極少數(shù)國家有類似儀器，但一般屬大馬拉小車，非專用儀器，且價格昂貴，因而使用者甚少。1、概述〔續(xù)〕2、性能指標：〔1〕主要功能：①

可測量動作速度為0.5m/s～10m/s的各種限速器。②

可測含有電觸點開關的限速器在其開關動作時的輪盤線速度。③

可跟蹤顯示限速器輪盤旋轉線速度。④

能自動捕捉限速器的動作速度，并立即停止電機的轉動。⑤可自動打印出限速器的動作速度及觸點動作時的輪盤線速度，并可重復打印。①

調速范圍：0.5～10m/s(分段設定)②

測試時伺服加速度：≤0.02m/s2③

速度測量誤差：≤1%④

電機的額定驅動力距〔三種可選〕：1800克·厘米，3000克·厘米，6500克·厘米⑤

電源：AC220×(1±10%)V，50×(1±2%)Hz⑥

體積：330×270×155重量：8.5Kg3、設計原理：3、設計原理〔續(xù)〕圖5原理框圖硬件設計：本儀器選用的是MCS-51單片機系統(tǒng)，CPU選用的是8751芯片，內帶4K程序存儲器。系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz，每條指令的的執(zhí)行時間均在4μs之內，故能滿足實時控制的需要。鍵盤顯示芯片為MAX7219，該芯片可以驅動16個8段數(shù)碼管。D/A選用的是MAX515，為10位轉換精度，用于控制直流電機驅動電路中可控硅的觸發(fā)角度，繼而控制驅動電路的直流輸出電壓。

采用小功率伺服直流電機進行調壓調速，調壓線路為單相橋式整流線路。伺服直流電機調速性能好運轉穩(wěn)定可靠。其根本線路如圖〔6〕所示。圖〔6〕直流電機驅動

軟件設計：本系統(tǒng)軟件主要完成以下3個主要任務：a、對鍵盤進行監(jiān)控，接受預置參數(shù)和鍵盤命令。接受霍爾傳感器和光電碼盤傳感器傳來的2路速度信號，經(jīng)換算后送MAX7219芯片，在數(shù)碼管顯示器上雙通道顯示。b、以光電碼盤傳感器做為速度反響，完成速度閉環(huán)的PID運算，然后通過D/A芯片向直流電機驅動電路輸出控制信號。c、監(jiān)測限速器的運行情況，自動捕捉限速器的動作速度，并自動打印出限速器的動作速度及觸點動作時的輪盤線速度。另外，通過單片機的控制，可以實現(xiàn)電機精確的勻加速度轉動，其勻加速度值可以任意確定，在本儀器中該值內定為0.01m/s2，因為根據(jù)國家標準GB7588—2003?電梯制造與安裝平安標準?中有關限速器特性檢查的F4.2中所述：“應以盡可能低的加速度來到達限速器的動作速度，以便消除慣性的影響〞。目前，許多國內外大電梯公司對該加速度值的要求為≤0.02m/s2，因此，本儀器的0.01m/s2的加速度值可以確保對限速器的精確測量。〔2〕限速器輪盤旋轉線速度的非接觸測量，這也是本儀器的突出特點之一。本儀器采用的方法是用小磁鋼貼在限速器的輪盤上，通過霍爾傳感器，將相關信息輸入單片計算機，由單片機對相關信息進行數(shù)據(jù)處理，即可得到該限速器的最終動作速度。用該方法測試，與通常的用數(shù)字轉速表測量進行比對，我們發(fā)現(xiàn)其具有測試結果準確，穩(wěn)定可靠，一致性好，直接給出最終的線速度值而無需換算；特別是在現(xiàn)場測量時，操作更加簡便。5、準確度檢定：

該儀器每臺均送至國家法定計量部門進行檢定，須檢定的主要性能指標如下：

a)

速度測量誤差：±1%；b)

伺服加速度：≤0.02m/s2。例如，一臺編號為03030702-54的XC系列電梯限速器測試儀，送安徽省計量測試研究所進行測試，主要計量器具為CN3165B頻率計、飛亞達電子秒表、GPC3030D直流穩(wěn)壓電源，證書編號：DC2004-3-020370，測試結果如下：◆速度檢測：在L=0.628m，V0=1m/s下檢測

檢測序號i周期實際值Bi(s)被檢速度顯示值Vi(m/s)速度實際值Vi’(m/s)ΔVi(m/s)ΔVi/Vi’實際值（%）ΔVi/Vi’允許值（%）單次檢測結果11.2141.031.0350.0050.5

≤1%合格21.2131.031.0350.0050.5合格31.2131.031.0350.0050.5合格41.2131.031.0350.0050.5合格51.2131.031.0350.0050.5合格61.2121.031.0360.0060.6合格71.2131.031.0350.0050.5合格81.2111.031.0370.0070.7合格上表中速度實際值當V0=1m/s時,≤1%為合格

◆伺服加速度檢測：檢測序號i周期Bi實際值(s)速度實際值Vi(m/s)實際值(m/s2)a=(V2-V1)/t(%)允許值a=(V2-V1)/t(%)結論11.2101.0381.033≤2m/s2合格21.0531.193速度實際值