電梯運行安全智能檢測儀器研制與技術(shù)報告

1、電梯運行安全智能檢測儀器,,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(xué)院合肥智能機械研究所,伍 先 達,一、概述,自1889年由美國奧的斯升降機公司推出的世界第一部以直流電動機為動力帶有安全保護裝置的升降機，誕生了名副其實的電梯以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代電梯技術(shù)已步入一個更新更高的層次。從其梯速而言，已由當(dāng)初乘電梯不如步行樓梯快，發(fā)展到今天的梯速超過10m/s的超高速階段。而從其安全性能

2、看，由于限速器—安全鉗—緩沖器的連鎖控制措施，使得電梯成為較之其它交通工具更為安全的垂直運輸工具。隨著社會的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化程度的提高，高樓大廈越來越多，電梯已成為現(xiàn)代社會生產(chǎn)、生活中所不可缺少的一種公共交通運輸工具,成為現(xiàn)代物質(zhì)文明的一個標(biāo)志。,一、概述,改革開放以來，我國的電梯業(yè)得到了高速發(fā)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達到了8.5萬臺，2004年我國電梯生產(chǎn)總

3、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，和發(fā)達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,電梯技術(shù)發(fā)展如此迅速，當(dāng)然主要依賴于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其中也包括電梯檢測技術(shù)的不斷發(fā)展這一重要環(huán)節(jié)。而在我國，雖然目前產(chǎn)量上去了，但由于檢測手段的相對滯后，在保障電梯產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能方面還不盡如意。面對國情，中國科學(xué)院合肥智能

4、所率先從事電梯檢測技術(shù)研究與儀器研發(fā)，先后有多項成果填補了國內(nèi)空白。,二、研制過程（續(xù)）,2001年以后我們在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，根據(jù)最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運用更先進的技術(shù)手段，經(jīng)過幾年的努力，并在國家電梯質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心及電梯業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的大力支持下，我們成功研制出了電梯運行安全智能檢測儀器，該儀器適用于質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)、商檢局、電梯整機及配件生產(chǎn)廠家、電梯安裝部門及大專院校相關(guān)專業(yè)等單位對電梯整機及配件的檢測和校驗。,二、研制過程（續(xù)）

5、,該項成果填補了國內(nèi)空白，自儀器成功研制以來，即得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍歡迎和認可，目前該儀器已在國家電梯質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、上海交通大學(xué)電梯檢測中心、上海三菱電梯公司、天津奧的斯電梯公司以及蘇州、南京、深圳、武漢、濟南等地質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)試用，并得到這些用戶的高度評價。,三、儀器的設(shè)計原理與關(guān)鍵技術(shù),（一）、DT系列電梯加速度測試儀 1、電梯加速度測試技術(shù)概述 電梯是一種機電一體化的復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)，電梯運行時所產(chǎn)生的加速度及

6、振動加速度信號，無不飽含著從電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性（包括機械和電氣），制造工藝的優(yōu)劣以及安裝調(diào)校效果的好壞等豐富的信息。因此，電梯整體性能試驗已成為電梯性能研究，新產(chǎn)品的設(shè)計、制造以及評判安裝質(zhì)量的不可缺少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。而電梯加速度測量，則是為電梯整體性能試驗提供重要信息和數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。,1、電梯加速度測試技術(shù)概述（續(xù)）,在國內(nèi)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)

7、據(jù)分析的獨特性和復(fù)雜性，使得通用的儀器難以發(fā)揮應(yīng)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。,1、電梯加速度測試技術(shù)概述（續(xù)）,DT系列電梯加速度測試儀是根據(jù)國標(biāo)GB/T10059—1997《電梯試驗方法》中的有關(guān)要求而設(shè)計的專用電梯測量儀器，自投放市場后，經(jīng)過不斷地完善，基本上取代了

8、國產(chǎn)及進口的大量模擬量的測試儀器，為電梯運行的質(zhì)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(yù)，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規(guī)范的所有

9、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(dāng)前工作狀態(tài)，顯示測試結(jié)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(diào)出查看、打??；帶有RS–232通訊口，可將測試數(shù)據(jù)回放計算機內(nèi)，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。

10、 ⑥可選擇交流電或機內(nèi)自備電池供電，具有數(shù)據(jù)掉電保護功能。,3、主要技術(shù)指標(biāo)：,① 量程： 垂直測量：靜態(tài)校準(zhǔn)0-980cm/s2，動態(tài)測量0-500cm/s2； 水平測量：靜態(tài)校準(zhǔn)0-98cm/s2，動態(tài)測量0-50cm/s2② 精度： 整機動態(tài)標(biāo)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： AC 220

11、5;(1±10%)V，50×(1±2%)Hz 機內(nèi)自備電池供電：使用時間＞2小時；充電時間8～12小時⑥ 體積：360×335×165 mm3,4、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)

12、，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(yīng)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(jié)構(gòu)及工作原理：,圖（1）,5、硬件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)的解決：,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

13、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(zhuǎn)，以重力加速度作現(xiàn)場校準(zhǔn)的方法，因此傳感器應(yīng)選擇具有零頻響應(yīng)，低頻響應(yīng)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IC SENSORS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

14、是嵌入式PC/104模塊，它實際上相當(dāng)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(zhì)、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：

15、由于在國標(biāo)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(biāo)亦能達到設(shè)計要求。,b.A/D變換器：,根據(jù)設(shè)計要求A/D變換器必須要有較高的分辨率和較快的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換時間為9.4μ

16、s，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。,6、軟件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)的解決：,圖（2）,①本系統(tǒng)軟件采用高級語言編程，程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化相結(jié)合的方式，具體軟件框圖見圖（2）。,②小波分析功能的應(yīng)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分離。本儀器基于小波分解與重構(gòu)理論，對電梯加速度信號進行

17、濾波處理。結(jié)果表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(qū)動系統(tǒng)性能及安裝質(zhì)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(yīng)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

18、波處理，以獲得我們所關(guān)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(yīng)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(dāng)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

19、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(gòu)算法得到的重構(gòu)信號用第三層的離散逼近系數(shù)重構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(nèi)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

20、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部分剔除掉，突出主要部分并將其放大，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(jié)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，在此基礎(chǔ)上我們運用模糊信息處理方法進行判斷，

21、找出相關(guān)的隸屬度函數(shù)，確定模糊規(guī)則和模糊推理方法。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(zhǔn)確度標(biāo)定：,該儀器送至國家法定計量部門進行動態(tài)標(biāo)定和測試，主要性能指標(biāo)如下： a） 線性度實驗： 在10.5Hz頻率下,測試 2m/s2,1.5 m/s2,1 m/s2,0.5 m/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2 m/s2

22、下，檢測21Hz,10.5Hz,5.2 Hz, 2.6 Hz四個頻試點，頻帶內(nèi)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(xué)研究院進行標(biāo)定測試，主要計量器具 設(shè)備為低頻振動臺（國家計量副基準(zhǔn)，不確定度1%）， 證書編號：LXv12003-0123，測試結(jié)果如下：,線性 頻率：10.50Hz,頻率響應(yīng)加速度：2.00 m/s2,該臺儀器的線性度實驗和頻響實驗均為合格

23、。,（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安全部件，當(dāng)轎廂超速運行達到規(guī)定的速度范圍后，由限速器先動作，后啟動安全鉗，把轎廂夾緊在導(dǎo)軌上，從而實現(xiàn)可靠的安全保護。因此，限速器的現(xiàn)場檢測，尤其對于使用多年的老電梯則是一個事關(guān)人身安全的必檢項目。,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(zhuǎn)速表測量，不精確，也不方便。往往事倍功半，許多人為因素

24、無法排除。個別單位有自制的方式檢測設(shè)備，但因設(shè)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。,XC系列限速器測試儀正是根據(jù)技術(shù)監(jiān)督檢測的普遍要求而研制的一種便攜式的現(xiàn)場測試儀器，該儀器為國內(nèi)首創(chuàng)，目前已廣泛應(yīng)用于各級技術(shù)監(jiān)督檢測部門對限速器的校驗，上海東方明珠電視塔的6m/s的限速器即是用該儀器測試的，并獲得一致好評。,1、概述（續(xù)）,2、性能指標(biāo)：,（1） 主要功能：

25、 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(guān)的限速器在其開關(guān)動作時的輪盤線速度。 ③  可跟蹤顯示限速器輪盤旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)打印。,（2）技術(shù)指標(biāo)：,①  

26、 調(diào)速范圍：0.5～10m/s(分段設(shè)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(qū)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×(

27、1±2%)Hz⑥   體積：330×270×155 重量：8.5Kg,3、設(shè)計原理：,本儀器設(shè)計主要依據(jù)上面列出的功能指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，考慮到限速器均安裝在樓頂及其不可移動性，該儀器整機設(shè)計為小型便攜式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)以MCS—51單片機系統(tǒng)為核心，配有數(shù)碼管顯示和小型打印機，以小型直流電機作為限速器輪盤的驅(qū)動，用霍爾傳感器對限速器輪盤線速度進行直接檢測，以光電碼盤傳感器對電機速度進

28、行反饋，實現(xiàn)對電機速度的閉環(huán)PID控制。其原理框圖如圖（5）所示。,3、設(shè)計原理（續(xù)）,圖5 原理框圖,4、技術(shù)實施及關(guān)鍵技術(shù)的解決：,硬件設(shè)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(nèi)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(nèi)，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(qū)動16個8段數(shù)碼管。D/A選用的是MAX515，為10位轉(zhuǎn)換精度，

29、用于控制直流電機驅(qū)動電路中可控硅的觸發(fā)角度，繼而控制驅(qū)動電路的直流輸出電壓。,采用小功率伺服直流電機進行調(diào)壓調(diào)速，調(diào)壓線路為單相橋式整流線路。伺服直流電機調(diào)速性能好運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。其基本線路如圖（6）所示。,圖（6）,直流電機驅(qū)動,軟件設(shè)計：,本系統(tǒng)軟件主要完成以下3個主要任務(wù)：a、 對鍵盤進行監(jiān)控，接受預(yù)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、

30、 以光電碼盤傳感器做為速度反饋，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(qū)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。,主要技術(shù)特點 （1）儀器設(shè)計的最突出的特點就是由MCS—51單片計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)PID控制，從而確保了電機調(diào)速的精度以及全數(shù)字化輸入界面。用戶可以通過儀器的按鍵送入精確的限速器轉(zhuǎn)動線速度，其數(shù)

31、值可以精確到0.001m/s，然后按動“啟動”鍵，即可由單片機系統(tǒng)啟動電機的轉(zhuǎn)動，并自動保持在預(yù)置的線速度；,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(zhuǎn)動，其勻加速度值可以任意確定，在本儀器中該值內(nèi)定為0.01m/s2，因為根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中有關(guān)限速器特性檢查的F4.2中所述：“應(yīng)以盡可能低的加速度來達到限速器的動作速度，以便消除慣性的影響”。目前，許多國內(nèi)外大電梯公司對該加速度值的

32、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(zhuǎn)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(guān)信息輸入單片計算機，由單片機對相關(guān)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(zhuǎn)速表測量進行比對，我們發(fā)現(xiàn)其具有測試結(jié)果準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠，一致性好，直接給出最終的線速度值而無需

33、換算；特別是在現(xiàn)場測量時，操作更加簡便。,5、 準(zhǔn)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(biāo)如下： a)   速度測量誤差：±1%； b)   伺服加速度：≤0.02 m/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C

34、N3165B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(jié)果如下：,◆ 速度檢測：在L=0.628m，V0=1m/s下檢測,上表中速度實際值 當(dāng)V0=1m/s時, ≤1% 為合格,◆伺服加速度檢測：,速度實際值 伺服加速度

35、當(dāng)a≤0.02m/s2 為合格,在L=0.628m，V0=1m/s, t=15s 下檢測,四、國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較,,電梯加速度測試儀,★專用便攜式電梯限速器測試儀目前市場上未見到同類產(chǎn)品。,型號,,電梯加速度測試儀,電梯運行安全智能檢測儀器運用了人工智能模糊檢測技術(shù)、多傳感器信號獲取技術(shù)、高性能嵌入式計算機等技術(shù)，實現(xiàn)了對電梯加速度、安全鉗等電梯安全運行的動態(tài)參數(shù)及限速器動作速度等多項關(guān)鍵指標(biāo)進行準(zhǔn)確的綜合在線檢測，為保障電梯設(shè)施安