電梯轎廂舒適度與異常震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

姚長鴻 夏鐘興

摘要：近年來電梯事故頻發(fā)，電梯的安全性日益受到社會(huì)的關(guān)注。本文基于電梯轎廂舒適度與異常震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以電梯的安全性為切入點(diǎn)，從電梯轎廂舒適度與異常震動(dòng)在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用，及優(yōu)點(diǎn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號采集模塊設(shè)計(jì)予以了考慮，特點(diǎn)之處是采集異常震動(dòng)為技術(shù)，將震動(dòng)的突變嵌入安全管理，給電梯的安全管理注入的新的觀點(diǎn)。

Abstract： In recent years， the elevator accident prone， the safety of the elevator is increasingly concerned by the community. Based on the design of elevator car comfort and abnormal vibration monitoring system， this paper takes the safety of elevator as the starting point， and takes into account the advantages， system design， signal acquisition module design， and the advantages， system design， signal acquisition module design.

關(guān)鍵詞：電梯安全設(shè)計(jì)；電梯轎廂舒適度與異常震動(dòng)；安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

Key words： elevator safety design；elevator car comfort and abnormal vibration；safety system design

中圖分類號：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0087-02

0 引言

電梯轎廂異常震動(dòng)是電梯安全性能的關(guān)鍵，也是電梯乘坐舒適度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，對司乘人員的危害極大，如果能提前觀察到異常震動(dòng)的發(fā)生，監(jiān)視日常震動(dòng)情況，可以防止危險(xiǎn)災(zāi)情進(jìn)一步擴(kuò)大。掌握異常震動(dòng)和日常運(yùn)行的規(guī)律，對于研究電梯轎廂異常的預(yù)報(bào)，進(jìn)行日常安全維保、年度檢驗(yàn)都有重要的意義。

本文正是基于這種考慮，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了轎廂舒適度與異常震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測和報(bào)警裝置，也使得本設(shè)計(jì)具有一定的移植性和可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)圖 如圖1所示。

前端信號處理部分對信號放大后使用高階低通濾波器進(jìn)行濾波，再經(jīng)頻譜均衡濾波器對地層衰減進(jìn)行補(bǔ)償，從而還原正確的轎廂震動(dòng)波信號。單片機(jī)MSP430F2002完成兩方面的功能：控制ADS7818采樣時(shí)鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；處理輸入數(shù)據(jù)，控制LED顯示及蜂鳴器報(bào)警。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由信號監(jiān)測模塊、放大模塊、峰值濾波模塊、精密峰值檢波模塊、A/D模塊及報(bào)警顯示模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、電梯安全回路信號反饋、模塊構(gòu)成。首先對信號放大后使用高階低通濾波器進(jìn)行濾波，再經(jīng)頻譜均衡濾波器對地層衰減進(jìn)行補(bǔ)償，還原正確的轎廂運(yùn)動(dòng)波信號。單片機(jī)首先控制信號采樣時(shí)鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制顯示系統(tǒng)及監(jiān)控報(bào)警。

2.1 信號監(jiān)測模塊、放大模塊、峰值濾波模塊

轎廂舒適度與異常震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)采用具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的AD620儀表放大器進(jìn)行前端信號的放大處理。在一般信號的放大應(yīng)用中，通常只要通過差動(dòng)電路即可滿足要求，然而基本差動(dòng)放大電路精密度較差，且差動(dòng)放大電路中變更放大增益時(shí)，必須調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻，使整個(gè)信號放大精度變的復(fù)雜，而儀表放大電路則無此缺點(diǎn)。

其增益計(jì)算方法為：Au=G=1+■=1+■，式中Au表示放大器的增益，R1為反饋電阻，在本電路中取固定值，RG為平衡電阻，選用可調(diào)電阻，這樣放大倍數(shù)Au只需調(diào)節(jié)電阻RG就可設(shè)定。

電梯轎廂震動(dòng)信號是低頻信號，它的有效頻率范圍大約在10～200 Hz之間。本系統(tǒng)采用了6階低通濾波。該濾波電路帶內(nèi)增益為12 dB，根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，調(diào)整電路中的電阻電容參數(shù)，將截止頻率設(shè)置為500 Hz。

均衡濾波器設(shè)計(jì)原理圖如圖2。

根據(jù)電梯轎廂的震動(dòng)參數(shù)（Vo、β），建立等厚吸收介質(zhì)模型（單層厚度為0.5秒，共6層），其地層吸收衰減特性為：

Dn（f）=exp（-0.1122f∑■■Vi-22）

式中：Dn（f）是第1～n層的累積吸收衰減量，Vi是第i層的層速度。

要對地層的吸收衰減進(jìn)行補(bǔ)償必須在前置放大電路中設(shè)置與地層吸收衰減特性相反的濾波器——均衡濾波器。它的傳遞函數(shù)應(yīng)為：

H（f）=1/Dn（f）

對其進(jìn)行麥克勞林展開，為了使設(shè)計(jì)的頻譜均衡濾波器的振幅函數(shù)更加接近其展開式，相位譜盡量是一簡單函數(shù)或零相位譜，取麥克勞林展開式的偶數(shù)項(xiàng)得：

H（f）=1+■+■+■

其中：

c=0.1122f■V■■

依據(jù)上述公式，該設(shè)備采用6階微分電路的頻譜均衡濾波器，其輸出函數(shù)為：

Y（t）=X（t）+D■■+D■■+D■■

為積分系數(shù)，式中

c=0.1122f■V■■

Vi為輸入電壓的有效值，根據(jù)轎廂震波的幅值大小，計(jì)算得出積分系數(shù)D12、D34、D56的值分別為0.035 8、0.049 6、0.054 4。設(shè)計(jì)電路原理圖所示，圖中前6個(gè)運(yùn)放采用RC微分電路實(shí)現(xiàn)頻譜均衡濾波功能，通過電阻R和電容C來得到積分系數(shù)D12、D34、D56，最后一級運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大功能。參考實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)公式c=0.1122f■V■■算出值分別為0.0358、0.0496、0.0544。

根據(jù)上述幅頻響應(yīng)曲線（圖3所示），對不同頻率波按它們衰減的函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，約提升0.07 dB/Hz，對主頻200 Hz的補(bǔ)償為12 dB。

2.2 峰值檢波電路

轎廂舒適度與異常震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是記錄轎廂的最大震動(dòng)范圍，這要求必須迅速跟蹤，這一功能采用峰值檢波電路來完成。要求電路能時(shí)刻跟隨轎廂震動(dòng)波的最大振幅。在電路中，當(dāng)輸入大于輸出時(shí)，峰值檢波電路處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng)輸入小于輸出時(shí)處于保持狀態(tài)能夠達(dá)到要求的功能。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

由于轎廂異常震動(dòng)的信號動(dòng)態(tài)范圍很高，為了達(dá)到一定的分辨率，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)不能過少。通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將連續(xù)的轎廂震動(dòng)信號采樣后量化。系統(tǒng)應(yīng)用ADS7818采樣速率CONV=1.54 kHz，SCLK=25 kHz，模擬量的動(dòng)態(tài)范圍為0～5 V。高精度十二位串行輸出轉(zhuǎn)換器。

2.4 微型cpu單片機(jī)處理電路

單片機(jī)系統(tǒng)其軟件控制流程如圖4所示。

3 測試與數(shù)據(jù)分析

該設(shè)計(jì)分別對各模塊進(jìn)行了調(diào)試，對峰值檢波輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，得到系統(tǒng)實(shí)際的幅頻響應(yīng)曲線如圖5所示，與理論得到的曲線對比可以看出理論與實(shí)際數(shù)據(jù)對應(yīng)圖，理論值比較接近，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以達(dá)到預(yù)期的功能需求。

4 結(jié)論

文中通過模擬電路結(jié)合單片機(jī)MSP430進(jìn)行采樣控制的設(shè)計(jì)思路，完成了一種簡易電梯轎廂異常震動(dòng)報(bào)警儀的原理設(shè)計(jì)。通過對設(shè)計(jì)電路的性能仿真分析和200Hz轎廂異常震動(dòng)波數(shù)據(jù)的實(shí)際測試，對震動(dòng)強(qiáng)度為10mv以上的轎廂震動(dòng)波信號，該裝置可以準(zhǔn)確地報(bào)警并發(fā)出控制信號。

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