基于光纖光柵傳感網絡的電梯健康狀態監測系統

巫濤江，余曉毅，張春娟，尹勁松，石勝輝

(1.電梯智能運維重慶市高校工程中心，重慶 402260；2.重慶理工大學 光纖傳感與光電檢測重慶市重點實驗室，重慶400054)

0 引言

電梯已成為人們生活中不可或缺的一部分，同時也是現代社會城鎮化建設中必不可少的重要建筑設備之一。隨著社會的進步，我國的超高層建筑越來越多，高速電梯的需求也越來越大。此外，國內許多重點景區為了吸引和滿足游客的需求，都會安裝各種大型室外獨立鋼架結構的觀光電梯[1-3]。因此，電梯作為高層建筑、大型景區觀光上的主要交通工具，對未來電梯技術進行研究，保障電梯的安全運行，有著重要的意義。同時，隨著自動控制、通訊、計算機、電子等先進技術的發展，現代電梯技術也正在朝著智能化的方向發展[4-6]。

各種大型室外觀光電梯健康狀態的智能遠程安全監測對保證乘客的生命安全非常必要，同時有利于對電梯的運行進行安全預警和按需維保。對于室外觀光電梯大型鋼架結構的健康狀態監測的參數主要包括鋼架應變和導軌位移。對電梯鋼架應變、導軌位移的傳統方法是采用鋼弦式傳感器，具有靈敏度高的優點，但是傳感器存在布線復雜、退化快的問題。光纖光柵式傳感器具有靈敏度高，體積小，質量小，抗電磁干擾，全光纖化，易構成網絡化及遠程傳感等優點。經過幾十年的發展，其傳感器及解調系統成本已降到很低的水平，被廣泛應用于各種實際工程結構的溫度、應變、壓力、位移及振動等物理量的實時監測，如建筑、橋梁、大壩、公路、隧道等大型建筑物應變、溫度、振動等多參量的實時監測[7-10]。

本文利用光纖光柵式傳感器構成準分布式光纖網絡，設計和構建應用于電梯鋼架結構健康狀態的遠程監測系統，主要為室外大型電梯的安全運行提供實時監測數據和安全預警功能，并為按需維保提供大數據支撐。

1 基本原理

1.1 電梯的獨立鋼架結構

根據不同的結構形式，現有電梯可分為電梯井結構電梯、室外鋼架結構豎行電梯及斜行電梯3種。目前豎行電梯除安裝在建筑結構內部的形式外，還存在獨立于建筑物之外的結構形式，這種結構形式的電梯大多采用鋼架結構來搭建和安裝，對電梯運行起到支撐和保護作用。此時，需要對導軌位移、轎廂振動信號進行監測，以及對外圍鋼架結構的應力分布實時監測，保障電梯安全運行。

斜行電梯作為一種新型的電梯形式，主要應用于一些特殊場合，如旅游觀光景點、不規則結構建筑安裝電梯等。這些電梯使用場所環境較復雜，因而實現此類電梯的安全監測非常必要，同時需要監測的參數也會隨之增多。此外，由于斜行電梯不是做垂直運動的，因此，導軌在電梯運行過程中會受到較大的應力，甚至產生形變。對此類電梯的安全監測除包括導軌位移、轎廂振動、鋼架結構的應力檢測外，還需考慮導軌應力分布及形變等因素。

1.2 光纖光柵傳感器原理

光纖布喇格光柵(FBG)是在光敏光纖的纖芯中引入周期性的折射率條紋調制，一般FBG的光柵周期設計為500～550 nm，長度為幾毫米。根據光纖耦合模理論可知，當寬帶光在FBG中傳輸時，纖芯模產生模式耦合，滿足布喇格條件的光被反射回來，反射光的中心波長[7]為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為布喇格中心波長；neff為光纖纖芯有效折射率;Λ為光柵周期。由式(1)可知，FBG的λB由neff和Λ決定，任何外界環境(應變、溫度及壓力等)的變化使這兩個參數發生變化都將導致FBG的λB發生漂移。實際應用中，通過光纖光柵解調儀檢測FBG的λB的變化量就可測量外界參數的變化。

FBG的中心波長漂移(ΔλB)與它所受的縱向應變(Δε)的關系[11]為

ΔλB=λ(1-pe)Δε=KεΔε

(2)

式中:pe為光纖的彈光系數；Kε為FBG的縱向應變靈敏度。由式(2)可知，FBG對縱向應變的響應具有良好的線性度。

FBG的溫度靈敏度(KT)[11]為一常數，其大小僅取決于光纖材料的熱光系數、熱膨脹系數及布喇格波長，因此，FBG是一種線性特性良好的溫度傳感器。KT為

KT=(ξ+α)λB

(3)

式中ξ和α分別為FBG的熱光系數和熱膨脹系數。實際應用中，FBG會同時受到多個參數的影響，如應變和溫度的同時變化，將導致其響應為多個參數的總體效應，因此，需要對這些被檢測參數進行解耦合。一般是將兩個諧振波長不同的FBG串聯并進行外部封裝，構成一個傳感器，該封裝后的“雙FBG”傳感器則可同時對應變和溫度進行檢測。

2 電梯鋼架結構的光纖光柵遠程傳感監測系統設計

2.1 監測系統總體方案

本監測系統主要包括電梯鋼架結構監測現場的光纖光柵傳感網絡，位于機房的光纖光柵動態解調儀，設置于遠端的電梯運維監測中心的結構健康分析軟件，如圖1所示。光纖光柵傳感網絡由準分布式光纖光柵應變傳感陣列和準分布式光纖光柵位移傳感陣列構成，采用“空分復用+波分復用”的方案，并需要根據電梯鋼架結構和導軌的監測關鍵點進行傳感網絡設置。

圖1 基于準分布式光纖光柵傳感網絡的電梯鋼架結構監測系統結構示意圖

其中，光纖光柵應變傳感器主要對電梯的外部獨立鋼架的應變變化進行動態監測，光纖光柵位移傳感器主要對電梯導軌與鋼架的間距變化進行動態監測，如圖2所示。FBG的傳感信號被反向傳播后通過通信光纜傳輸到多通道動態光纖光柵解調系統，實時解調各個FBG傳感單元的波長漂移量并計算相應的外部參數值。多通道動態光纖光柵解調系統解調出來的各FBG傳感單元的外部參數值，通過計算機以太網實時傳輸至遠端的電梯運維監測中心的結構健康分析軟件，完成數據的存儲、分析及可視化顯示。

圖2 準分布式光纖光柵傳感網絡在豎型和斜型電梯鋼架結構中的設置

2.2 FBG應變和位移傳感器陣列設計

準分布式光纖光柵傳感網絡采用“空分復用+波分復用”設計方案，以豎型電梯鋼架結構的監測為例(與斜型電梯設計方案一致)(見圖3)，多通道光纖光柵解調儀通過24芯通信光纜空分復用連接多條光纖線路,每條光纖線路對應一路壓力傳感通道或位移傳感通道(一條通道對應一條單芯光纜)，每一條通道按照波分復用的方式級聯多個光纖光柵應變計或位移計通過光纖合束器與多芯光纜跳線連接。光纖光柵應變計和光纖光柵位移計分別對電梯外部獨立鋼架的應變和導軌與鋼架的間距變化進行傳感,如圖3所示。光纖光柵應變計和光纖光柵位移計都采用“雙FBG”封裝的方法，其中的一個FBG傳感單元用于溫度補償，因此,應變計及位移計同時也能夠獲得監測點的溫度值。

圖3 準分布式光纖光柵傳感網絡設計與安裝

準分布式光纖光柵傳感網絡“空分復用+波分復用”的原則是：不同通道的FBG傳感單元諧振波長可重疊，且均處于C波段(1 525～1 565 nm)，相同通道的FBG傳感單元的諧振波長不同，且相互間的波長間隔需大于2 nm。此外，相同通道的多個應變計或位移計的諧振波長在C波段中分為下波段(1 528～1 548 nm)和上波段(1 548～1 568 nm)，則單個應變計或位移計中，用于應變或位移測量的FBG的諧振波長設計在C波段的下波段區域，而用于溫度補償測量的FBG的諧振波長設計在C波段的上波段區域，這樣將有利于提高對應變(位移)或與溫度的解耦精度。

2.3 光纖光柵應變計和位移計解調算法

根據傳感器采用雙FBG的結構，光纖光柵應變計檢測應變大小的解算公式[12]為

(4)

對于光纖光柵位移計，也是基于應變的原理，即外部位移量通過給位移計中的應變光柵加載應變，將位移量的大小轉化為應變量的大小進行測量，因此,光纖光柵位移計具有與應變計類似的計算公式，其位移量[12]為

(5)

3 系統實現與測試結果分析

3.1 系統實現

本系統采用的動態光纖光柵解調儀(GC-97001C)具有高重復性，高精度，高速測量，大容量，全半導體部件，穩定可靠，所有通道同步測量，獨立自動/手動增益控制，大動態范圍及內置絕對參考的特點，其主要性能參數如表1所示，供電電源5 V DC/4 A，功耗約15 W。根據本應用的復用設計方案，該光纖光柵解調儀空分復用8個通道，每個通道可通過波分復用20個(40 nm/2 nm)FBG傳感單元，即10個雙FBG的應變計(或位移計)，則該系統能夠最多同時解調80個應變計(或位移計)的光譜參數。

表1 動態光纖光柵解調儀(GC-97001C)性能參數

本工程中使用的光纖光柵應變計安裝于鋼結構表面，用于監測電梯鋼架結構的關鍵點的應變，拉桿式光纖光柵位移計用于電梯導軌與其鋼架結構的位移變化的監測，它們防護等級均為IP68，雙端出纖FC/APC接口，出纖光纜可承受100 N的拉力，適應環境溫度-40～+120 ℃，濕度小于95%，無凝露。

3.2 測試分析

為驗證本方案設計的可行性，測試采用4層電梯鋼架結構模型，并使用本案的動態光纖光柵解調儀(GC-97001C)其中兩個通道，通過波分復用方式分別串接3個鋼結構表面安裝光纖光柵應變計和3個拉桿式光纖光柵位移計，并采用貼裝的方式分別安裝于電梯鋼架結構上及電梯導軌和鋼架之間的空間，電梯實物模型及傳感器安裝的局部圖片效果如圖4(a)所示。

圖4 電梯實物模型及傳感器安裝的局部圖片效果及電梯鋼接結構運行健康狀態監測軟件系統界面

根據動態光纖光柵解調儀的通訊接口協議和傳輸的數據格式，用LabVIEW開發了“電梯鋼接結構運行健康狀態監測軟件系統”，界面效果如圖4(b)所示。器件參數和監測點設置好后，可根據實際情況設置電梯鋼架結構各監測點應變、位移及溫度的報警閾值，測試中分別設置為300 με、4 mm和30 ℃。在測試過程中，通過人為在監測點施加應變、位移及溫度的變化，表明當監測點應變、位移及溫度超過設定閾值后，系統現實報警響應時間小于1 s，連續測試1個月，系統穩定性良好。

4 結束語

本文利用在鋼結構表面安裝光纖光柵應變計和單個拉桿式光纖光柵位移計光纖光柵式傳感器構成準分布式光纖網絡，采用“空分復用+波分復用”的方式設計和構建應用于電梯鋼架結構健康狀態的遠程監測系統，開發了相應的數據采集和軟件分析系統，通過試驗測試，系統能夠實時響應，穩定性良好。該系統為室外大型豎型和斜型電梯的安全運行提供實時監測數據和安全預警功能，可為其“按需維保”提供大數據支撐。