曳引電梯振動信號檢測系統的設計

周茗皓

（安徽省特種設備檢測院 電梯檢測二中心，合肥 230051）

0 引言

隨著現代高層建筑的不斷發展，曳引電梯已經成為大眾日常生活中不可或缺的垂直交通工具。有數據表明，2000年以來我國電梯保有量持續增長，截至2018年底，電梯設備總量已達到627.83萬臺[1-2]。為了保障乘客使用電梯時的安全，國家制定了許多與電梯相關的管理條例，確保設備穩定工作。曳引電梯的振動主要體現在兩個方面：一是曳引機運行的不穩定引起的電梯振動，同時曳引機運行不穩定的因素也有很多；二是電梯轎廂在移動時的不穩定，這也直接影響了用戶在使用時的體驗。通過對轎廂和曳引機振動信號的分析，可以及時掌握電梯的運行狀態信息，為后續的故障診斷和排除提供極大的幫助[3]。

基于此，設計一套曳引電梯振動信號檢測系統。將壓電式加速度傳感器安裝到轎廂及曳引機減速器上，可以實時采集曳引電梯各部分的振動信息。壓電式傳感器一般以彈簧質量系統為理論依據，將測得的加速度信號轉變為電荷信號，便于后續信息的采集。同時采用STM32作為核心控制器，保障了數據的快速運算和傳輸，并且可以將采集到的振動信息實時顯示在屏幕上，另外還可以把數據保存到SD卡中便于后續使用。該系統可以快速準確地檢測出曳引電梯的振動信號，為電梯設備檢測人員提供極大的幫助。

1 整體方案設計

曳引電梯振動信號檢測系統以STM32F429芯片為核心，通過壓電式加速度傳感器監測電梯轎廂和曳引機的振動信號，經芯片控制，實現對振動信號的采集[4]。系統的總體框架為：傳感器模塊選用壓電式加速度傳感器，將加速度信號以模擬量的方式輸送給信號調理模塊。采集的信號經過調理后送入A/D轉換芯片，并將模擬信號轉換成數字信號，STM32控制芯片通過SPI進行接收，并將數據緩存在SRAM中。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 振動信號檢測系統原理圖

2 硬件電路設計

2.1 信號采集模塊

振動信號采集模塊選用壓電式加速度傳感器，具體型號為朗斯測試技術公司生產的LC0151T。該系列傳感器內部集成了一個微型放大器，將傳統的傳感器和電荷放大器置于其內，有效地提高了傳感器采集信號的準確性，原理簡圖如圖2所示。LC0151T傳感器的靈敏度為150 mV/g，量程為33g,頻率范圍為0.7～13 000 Hz（±10%），諧振頻率為40 kHz，分辨率為0.0002g，具有抗干擾、噪聲小、穩定可靠等特點，安裝方便，尤其適用于多點測量[5]。在電梯振動信號監測點的選擇上，將傳感器布置在轎廂和曳引機兩個位置。對于轎廂的檢測可將傳感器放置在轎廂的3個方向面壁的中心位置，對于曳引機的檢測則將傳感器安裝在減速器上，從而有效地檢測曳引電梯系統的振動情況。

圖2 LC01系列傳感器與外接調理器原理簡圖

2.2 信號調理模塊

LC01系列內裝IC壓電加速度傳感器由壓電加速度傳感器和微型IC放大器組成，需要另外提供電源才能工作，且需要時恒流源，其典型值為4 mA、24 V。另外，該傳感器的輸出原理是在采集到振動加速度信號后將信號和內部的直流電壓混合進行輸出，因此需要對輸出的信號進行一定的處理才能使用。通過綜合考慮，選用LC0207恒流源模塊，該模塊可以和LC0151T傳感器相匹配對其輸出信號進行信號調理，可以為其提供18～30 V、4 mA的恒流源[6]。并且通過RC高通濾波隔直輸出，去除疊加在振動信號上的直流偏壓，保留交流加速度信號，其原理圖如圖3所示。

圖3 LC0207恒流源模塊原理圖

2.3 A/D轉換模塊

由于傳感器產生的信號為模擬量，STM32控制器不能直接讀取，需要通過外部電路將模擬信號轉換成數字信號。同時考慮到STM32的內部供電電壓輸出不穩定，驅動能力不足，選用數據精度和采集速度較高的A/D轉換模塊AD7606[7]。相比于STM32片內A/D，AD7606轉換模塊最高可支持8通道16位精度的同步采樣，所有通道采樣速率均可達200 kSPS。并且AD7606內置模擬輸入箝位保護和二階抗混疊模擬濾波器等，可進行靈活的并行/串行接口，其模擬輸入電路如圖4所示。

圖4 AD7606模擬輸入電路圖

2.4 數據顯示及存儲模塊

數據顯示模塊使用USART HMI智能串口屏，型號為TJC8048K070_011R，電阻式觸摸接口電平支持3.3 V/5 V，工作電壓為4.75～7 V。屏幕界面顯示可以通過配套軟件在PC端進行設計，并下載到屏幕里[8]。該串口屏不僅可以滿足對文本及數據內容的顯示，還可以實現對圖形和曲線的顯示需求。

在采集到曳引電梯的振動信號后需要將信息保存到SD卡中，為后續的分析處理提供方便。STM32F429控制器支持SDIO通信模式，可以方便地對SD卡進行讀寫通信操作[9]。STM32控制器的SDIO引腳被設計后是固定不變的，采用4根數據線模式，且對于命令線和數據線需加上上拉電阻，硬件連接圖如圖5所示。

圖5 STM32與SD卡連接圖

3 系統軟件設計

軟件系統主要包括初始化子程序、AD模塊讀寫子程序、數據存儲及顯示子程序等。程序流程圖如圖6所示。程序啟動后，加速度傳感器采集電梯振動信號，然后信號調理模塊對信號進行濾波，使得最終信號可以被A/D模塊讀取。STM32控制器輸出PWM波來控制A/D轉換模塊的CONVST A/CONVST B引腳，并通過改變PWM波的頻率來控制A/D轉換模塊的采樣頻率。采集到的數據經STM32控制器處理后在屏幕上顯示并存儲在SD卡中。

圖6 系統主程序流程圖

4 結論

本文設計了壓電式加速度傳感器的曳引電梯振動信號檢測系統，并結合STM32控制器實現振動信號的儲存與顯示，為后續電梯振動故障診斷的分析提供了詳細的數據支持，給電梯設備檢測人員帶來了極大的便利。同時設備成本低、易實施，方便推廣，適用性和可移植性較強，具有很高的實際意義。