陳建勛 邰勝林 楊寧祥 梁敏健 彭曉軍

1廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院 珠海 519002

2珠海市安粵科技有限公司 珠海 519000 3華南理工大學(xué) 廣州 510641

0 引言

電梯乘運(yùn)質(zhì)量檢測(cè)是評(píng)估電梯運(yùn)行控制參數(shù)合理性以及乘客乘梯體驗(yàn)感的重要手段。根據(jù)GB/T 24474.1—2020《乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量 第1部分：電梯》，電梯乘運(yùn)質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告應(yīng)包括一般信息、乘運(yùn)質(zhì)量結(jié)果和運(yùn)行特性結(jié)果3部分內(nèi)容，其中運(yùn)行特性參數(shù)是電梯乘運(yùn)質(zhì)量評(píng)估時(shí)的重要參考數(shù)據(jù)[1]。GB/T 24474.1—2020《乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量 第1部分：電梯》中規(guī)定，乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量?jī)x器應(yīng)滿足GB/T 23716—2009《人體對(duì)振動(dòng)的響應(yīng) 測(cè)量?jī)x器》的要求[2]，即需采用振動(dòng)或沖擊傳感器進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)主要使用三軸加速度傳感器對(duì)電梯運(yùn)行過程中加速度進(jìn)行記錄并依據(jù)加速度參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)特性參數(shù)和運(yùn)行特性參數(shù)計(jì)算。通過在線采集電梯上下運(yùn)行方向加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、積分、線性擬合等手段可對(duì)速度、加加速度、位移等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析[3]。EVA-625乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EVA-625）是國(guó)外某公司設(shè)計(jì)制造的一款電梯運(yùn)行品質(zhì)綜合檢測(cè)儀器，該儀器可精確記錄電梯運(yùn)行過程中的速度、加減速度、加加速度、位移、噪聲等信息，已成為國(guó)內(nèi)外知名電梯制造企業(yè)、電梯檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)乘運(yùn)質(zhì)量檢測(cè)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)[4，5]。

微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems）傳感器，簡(jiǎn)稱MEMS傳感器，是近年來高速發(fā)展的一類新型傳感器，采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造，直接封裝成芯片形式應(yīng)用，該類傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、易于直接集成等優(yōu)勢(shì)。其中，MEMS加速度傳感器已廣泛應(yīng)用于道路交通[6,7]、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)[8,9]、工業(yè)自動(dòng)化[10]等加速度或振動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)場(chǎng)合，應(yīng)用該傳感器也可實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行特性參數(shù)的快速、便捷、低成本檢測(cè)。本文基于MEMS加速度傳感器和單片機(jī)研發(fā)了電梯運(yùn)行特性檢測(cè)裝置，采用EVA-625和該檢測(cè)裝置同時(shí)進(jìn)行電梯運(yùn)行特性參數(shù)測(cè)試，并對(duì)兩者測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 運(yùn)行特性參數(shù)

GB/T 24474.1—2020《乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量 第1部分：電梯》中規(guī)定的運(yùn)行特性參數(shù)包括速度參數(shù)、加減速度參數(shù)、加加速度參數(shù)，速度參數(shù)包括最大速度、V95速度，加減速度參數(shù)包括最大加速度、最大減速度、A95加速度、A95減速度，加加速度參數(shù)主要檢測(cè)電梯運(yùn)行過程中最大加加速度[1]。GB/T 10058—2009 《電梯技術(shù)條件》3.3節(jié)中關(guān)于整機(jī)性能有這樣的要求：乘客電梯起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度最大值均不應(yīng)大于1.5 m/s2；當(dāng)乘客電梯額定速度為1.0 m/s＜v≤2.0 m/s時(shí)，按GB/T 24474—2009《梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》測(cè)量，A95加、減速度不應(yīng)小于0.50 m/s2；當(dāng)乘客電梯額定速度為2.0 m/s＜v≤6.0 m/s時(shí)，A95加、減速度不應(yīng)小于0.70 m/s2[11]。電梯運(yùn)行特性參數(shù)及定義如表1所示。

表1 電梯運(yùn)行特性參數(shù)定義

2 測(cè)試裝置開發(fā)

2.1 硬件

電梯運(yùn)行特性加速度采集硬件裝置如圖1所示，包括電子模塊和配重板。電子模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊，兩者緊密固定連接。

圖1 加速度采集硬件裝置

數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)MEMS加速度傳感器芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行在線采集，采樣率為每秒500 Hz，MEMS芯片采用Anolog Devices公司的ADXL序列三軸加速度數(shù)字傳感器芯片，該傳感器具有13位采樣分辨率，體積小巧，運(yùn)行功耗低，成本較低，且可根據(jù)需求設(shè)置加速度測(cè)試量程范圍。使用時(shí)將MEMS傳感器量程設(shè)置為±2 g可滿足大部分電梯運(yùn)行特性檢測(cè)要求。測(cè)試裝置主芯片采用ST意法半導(dǎo)體公司Cortex-M系列高性能處理器STM32F750，該單片機(jī)時(shí)鐘頻率為216 MHz，具有64 kB Flash存儲(chǔ)空間，尤其適用于大量數(shù)據(jù)高速運(yùn)算與存儲(chǔ)。測(cè)試過程中連續(xù)獲取的加速度數(shù)據(jù)暫存于主芯片內(nèi)部存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，主處理器將獲取的加速度數(shù)據(jù)整理打包后發(fā)送到通訊模塊，通訊模塊通過USB端口與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連，將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

電子模塊固定于配重板上表面，配重板選用質(zhì)量為1 kg的 304不銹鋼鋼板，其邊緣固定安裝3個(gè)呈三角形分布的螺栓支腿，測(cè)試時(shí)螺栓支腿直接與轎廂地板接觸。如此，可使測(cè)試裝置對(duì)轎廂地板產(chǎn)生足夠大的壓強(qiáng)（測(cè)試裝置對(duì)轎廂地板的壓強(qiáng)不低于60 kPa，以模擬人體乘梯時(shí)所受轎廂地板的壓強(qiáng)），并確保加速度數(shù)據(jù)不因檢測(cè)裝置和地板表面產(chǎn)生阻尼或額外振動(dòng)而失真。

2.2 分析軟件

通過Matlab GUI工具開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)測(cè)得的轎廂加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出運(yùn)行特性參數(shù)。軟件分析主界面，包括數(shù)據(jù)文件選擇區(qū)和分析結(jié)果顯示區(qū)，選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)文件后一鍵式操作可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果可通過文本和曲線形式顯示。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

采用研發(fā)的測(cè)試裝置對(duì)某8層8站的乘客電梯進(jìn)行運(yùn)行特性檢測(cè)，測(cè)試前將裝置和EVA-62放置于轎廂地板中心部位，并使板載MEMS加速度傳感器的X軸和EVA-625的X軸指向轎門，Z軸垂直電梯地板。操作人員控制電梯運(yùn)行至底層端站，打開轎門，內(nèi)呼頂層端站，隨后觸發(fā)測(cè)試裝置和EVA-625數(shù)據(jù)采集，關(guān)閉轎門，電梯自動(dòng)上行至頂層端站，待轎廂停止、轎門打開后，關(guān)閉測(cè)試裝置和EVA625數(shù)據(jù)采集，完成加速度數(shù)據(jù)獲取。測(cè)試結(jié)束后數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)上傳并以txt文本格式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤，待后續(xù)分析軟件計(jì)算。利用EVA625隨機(jī)提供的乘運(yùn)質(zhì)量分析軟件對(duì)其數(shù)據(jù)U盤中數(shù)據(jù)文檔進(jìn)行分析，得出運(yùn)行特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)濾波

根據(jù)GB/T 24474.1—2020《乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量 第1部分：電梯》，進(jìn)行電梯運(yùn)動(dòng)特性分析前，應(yīng)先對(duì)傳感器Z軸原始加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二階巴特沃斯低通濾波，濾波截止頻率為10 Hz。巴特沃斯低通濾波器可確保通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，有效濾除高頻干擾。根據(jù)數(shù)據(jù)采集頻率、濾波截止頻率和濾波器階數(shù)，采用Matlab Filter Design & Analysis應(yīng)用程序設(shè)計(jì)出該數(shù)字濾波器的Z變換傳遞函數(shù)為

原始Z軸加速度數(shù)據(jù)濾波前后數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，電梯起動(dòng)時(shí)加速度逐漸變大，經(jīng)過一定時(shí)間勻加速階段后逐漸變小到零，電梯進(jìn)入勻速運(yùn)行階段，電梯停止時(shí)減速度逐漸變大，經(jīng)過一定時(shí)間勻減速階段后逐漸減小到零，電梯停止運(yùn)行。由對(duì)比圖2a和圖2b可知，數(shù)字濾波后在保留數(shù)據(jù)趨勢(shì)不變時(shí)加速度曲線明顯平滑，后續(xù)運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)計(jì)算均以濾波后的加速度數(shù)據(jù)為依據(jù)。

圖2 二階巴特沃斯濾波器濾波前后加速度曲線

4.2 最大加減速度

加減速度反映人體受轎廂地板壓力的大小，量化最大加速度和最大減速度可用于評(píng)判電梯與乘運(yùn)質(zhì)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的運(yùn)行控制設(shè)置是否合理。最大加速度是電梯起動(dòng)時(shí)加速度信號(hào)的最大值，對(duì)應(yīng)圖2b中數(shù)據(jù)最大值，最大減速度是電梯制停過程減速度信號(hào)的最大絕對(duì)值，對(duì)應(yīng)圖2b中數(shù)據(jù)最小值的絕對(duì)值。

4.3 A95加減速度

如圖3所示，A95加速度值在加速過程中最大速度的5%～95%范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該范圍內(nèi)95%的加速度數(shù)據(jù)均小于該值。A95減速度值在減速過程中最大速度的95%～5%的范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該范圍內(nèi)95%的減速度數(shù)據(jù)絕對(duì)值均小于該值。

圖3 A95加減速度計(jì)算區(qū)間示意圖

4.4 最大速度和V95速度

采用復(fù)化1/3Simpson方法對(duì)巴特沃斯濾波后Z軸加速度進(jìn)行數(shù)值積分，計(jì)算出速度序列，t時(shí)刻數(shù)值積分速度計(jì)算公式為

式中：v(t)為t時(shí)刻速度，h為加速度數(shù)據(jù)序列的時(shí)間步長(zhǎng)（500 Hz數(shù)據(jù)讀取頻率對(duì)應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s），a(0)為初始時(shí)刻加速度，a(t)為t時(shí)刻加速度，n為積分區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

最大速度為電梯運(yùn)行全周期范圍內(nèi)，速度絕對(duì)值的最大值。如圖4所示，統(tǒng)計(jì)計(jì)算V95速度的界限范圍為從加速階段最大速度Vmax1的95%對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)所在時(shí)間點(diǎn)的后1 s到減速階段最大速度Vmax2的95%對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)所在時(shí)間點(diǎn)的前1 s。在該計(jì)算界限范圍內(nèi)95%的速度值均小于V95速度。

圖4 V95速度計(jì)算界線范圍示意圖

4.5 運(yùn)行距離

用復(fù)化1/3 Simpson方法對(duì)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值積分，計(jì)算出運(yùn)行位移序列，t時(shí)刻數(shù)值積分位移計(jì)算公式為

式中：s(t)為t時(shí)刻位移，v(0)為初始時(shí)刻速度，v(t)為t時(shí)刻速度。

以轎廂上行為例，計(jì)算出的時(shí)位移-時(shí)間曲線如圖5所示，運(yùn)行距離為從開始起動(dòng)到完全制停過程中總位移值。

圖5 電梯上行時(shí)位移-時(shí)間曲線

4.6 最大加加速度

加加速度可用于表征電梯運(yùn)行時(shí)乘客所受力的沖擊大小，量化加加速度也可用于評(píng)估與乘運(yùn)質(zhì)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)置合理性。在濾波后加速度數(shù)據(jù)中，取一段持續(xù)運(yùn)行加速度數(shù)據(jù)區(qū)間的中點(diǎn)（區(qū)間長(zhǎng)度一般為0.5 s），運(yùn)用最小二乘法對(duì)該區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算出斜率作為中點(diǎn)處加加速度值。計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)所有采樣時(shí)間點(diǎn)的加加速度，曲線如圖6所示。最大加加速度為加加速度絕對(duì)值的最大值，一般發(fā)生在電梯起動(dòng)和制停階段。

圖6 加加速度曲線

5 結(jié)果分析

測(cè)試裝置和EVA-625同時(shí)測(cè)得的電梯上行和下行結(jié)果如表2所示?？芍?套裝置測(cè)得的電梯運(yùn)行特性參數(shù)基本一致，速度參數(shù)最大偏差為0.005 m/s，加速度參數(shù)偏差在±0.01 m/s2范圍內(nèi)，最大加加速度最大偏差為0.08 m/s3，計(jì)算出的運(yùn)行距離最大偏差為0.11 m。采用MEMS加速度傳感器開發(fā)的測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行特性參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試。

表2 運(yùn)行特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

該電梯最大起動(dòng)加速度和制停減速度的最大值均小于1.5 m/s，A95加速度和A95減速度均大于0.50 m/s2，符合GB/T 10058—2009《電梯技術(shù)條件》中整機(jī)性能要求。

6 結(jié)論

1）基于MEMS三軸加速度傳感器和STM32單片機(jī)開發(fā)出電梯運(yùn)行特性檢測(cè)用加速度數(shù)據(jù)采集裝置；

2）采用Matlab GUI工具開發(fā)出電梯運(yùn)行特性參數(shù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始加速度數(shù)據(jù)的快速分析；

3）研究了最大加減速度、A95加減速度、最大速度、V95速度、最大加加速度、運(yùn)行距離的計(jì)算方法；

4）利用開發(fā)的測(cè)試裝置對(duì)電梯上行和下行過程運(yùn)行特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果接近于EVA-625所測(cè)數(shù)據(jù)。