基于MEMS加速度傳感器的電梯運行特性檢測*

陳建勛 邰勝林 楊寧祥 梁敏健 彭曉軍

1廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院 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 廣州 510641

0 引言

電梯乘運質量檢測是評估電梯運行控制參數(shù)合理性以及乘客乘梯體驗感的重要手段。根據(jù)GB/T 24474.1—2020《乘運質量測量 第1部分：電梯》，電梯乘運質量檢測報告應包括一般信息、乘運質量結果和運行特性結果3部分內(nèi)容，其中運行特性參數(shù)是電梯乘運質量評估時的重要參考數(shù)據(jù)[1]。GB/T 24474.1—2020《乘運質量測量 第1部分：電梯》中規(guī)定，乘運質量測量儀器應滿足GB/T 23716—2009《人體對振動的響應 測量儀器》的要求[2]，即需采用振動或沖擊傳感器進行檢測，實際應用時主要使用三軸加速度傳感器對電梯運行過程中加速度進行記錄并依據(jù)加速度參數(shù)進行振動特性參數(shù)和運行特性參數(shù)計算。通過在線采集電梯上下運行方向加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、積分、線性擬合等手段可對速度、加加速度、位移等參數(shù)進行進一步分析[3]。EVA-625乘運質量測試系統(tǒng)（以下簡稱EVA-625）是國外某公司設計制造的一款電梯運行品質綜合檢測儀器，該儀器可精確記錄電梯運行過程中的速度、加減速度、加加速度、位移、噪聲等信息，已成為國內(nèi)外知名電梯制造企業(yè)、電梯檢驗檢測機構乘運質量檢測和驗收的標準[4，5]。

微機電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems）傳感器，簡稱MEMS傳感器，是近年來高速發(fā)展的一類新型傳感器，采用微電子和微機械加工技術制造，直接封裝成芯片形式應用，該類傳感器相對于傳統(tǒng)傳感器，具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、易于直接集成等優(yōu)勢。其中，MEMS加速度傳感器已廣泛應用于道路交通[6,7]、醫(yī)療健康監(jiān)測[8,9]、工業(yè)自動化[10]等加速度或振動檢測、監(jiān)測場合，應用該傳感器也可實現(xiàn)電梯運行特性參數(shù)的快速、便捷、低成本檢測。本文基于MEMS加速度傳感器和單片機研發(fā)了電梯運行特性檢測裝置，采用EVA-625和該檢測裝置同時進行電梯運行特性參數(shù)測試，并對兩者測試數(shù)據(jù)進行了對比分析。

1 運行特性參數(shù)

GB/T 24474.1—2020《乘運質量測量 第1部分：電梯》中規(guī)定的運行特性參數(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)主要檢測電梯運行過程中最大加加速度[1]。GB/T 10058—2009 《電梯技術條件》3.3節(jié)中關于整機性能有這樣的要求：乘客電梯起動加速度和制動減速度最大值均不應大于1.5 m/s2；當乘客電梯額定速度為1.0 m/s＜v≤2.0 m/s時，按GB/T 24474—2009《梯乘運質量測量》測量，A95加、減速度不應小于0.50 m/s2；當乘客電梯額定速度為2.0 m/s＜v≤6.0 m/s時，A95加、減速度不應小于0.70 m/s2[11]。電梯運行特性參數(shù)及定義如表1所示。

表1 電梯運行特性參數(shù)定義

2 測試裝置開發(fā)

2.1 硬件

電梯運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MEMS加速度傳感器芯片數(shù)據(jù)進行在線采集，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，運行功耗低，成本較低，且可根據(jù)需求設置加速度測試量程范圍。使用時將MEMS傳感器量程設置為±2 g可滿足大部分電梯運行特性檢測要求。測試裝置主芯片采用ST意法半導體公司Cortex-M系列高性能處理器STM32F750，該單片機時鐘頻率為216 MHz，具有64 kB Flash存儲空間，尤其適用于大量數(shù)據(jù)高速運算與存儲。測試過程中連續(xù)獲取的加速度數(shù)據(jù)暫存于主芯片內(nèi)部存儲空間。數(shù)據(jù)采集結束后，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端口與個人計算機相連，將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機。

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

2.2 分析軟件

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

3 現(xiàn)場測試

采用研發(fā)的測試裝置對某8層8站的乘客電梯進行運行特性檢測，測試前將裝置和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行至底層端站，打開轎門，內(nèi)呼頂層端站，隨后觸發(fā)測試裝置和EVA-625數(shù)據(jù)采集，關閉轎門，電梯自動上行至頂層端站，待轎廂停止、轎門打開后，關閉測試裝置和EVA625數(shù)據(jù)采集，完成加速度數(shù)據(jù)獲取。測試結束后數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)上傳并以txt文本格式存儲于計算機硬盤，待后續(xù)分析軟件計算。利用EVA625隨機提供的乘運質量分析軟件對其數(shù)據(jù)U盤中數(shù)據(jù)文檔進行分析，得出運行特性參數(shù)進行對比。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)濾波

根據(jù)GB/T 24474.1—2020《乘運質量測量 第1部分：電梯》，進行電梯運動特性分析前，應先對傳感器Z軸原始加速度數(shù)據(jù)進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應用程序設計出該數(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，電梯起動時加速度逐漸變大，經(jīng)過一定時間勻加速階段后逐漸變小到零，電梯進入勻速運行階段，電梯停止時減速度逐漸變大，經(jīng)過一定時間勻減速階段后逐漸減小到零，電梯停止運行。由對比圖2a和圖2b可知，數(shù)字濾波后在保留數(shù)據(jù)趨勢不變時加速度曲線明顯平滑，后續(xù)運動特性參數(shù)計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判電梯與乘運質量結果對應的運行控制設置是否合理。最大加速度是電梯起動時加速度信號的最大值，對應圖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的最大絕對值，對應圖2b中數(shù)據(jù)最小值的絕對值。

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)進行統(tǒng)計計算，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)進行統(tǒng)計計算，該范圍內(nèi)95%的減速度數(shù)據(jù)絕對值均小于該值。

圖3 A95加減速度計算區(qū)間示意圖

4.4 最大速度和V95速度

采用復化1/3Simpson方法對巴特沃斯濾波后Z軸加速度進行數(shù)值積分，計算出速度序列，t時刻數(shù)值積分速度計算公式為

式中：v(t)為t時刻速度，h為加速度數(shù)據(jù)序列的時間步長（500 Hz數(shù)據(jù)讀取頻率對應時間步長為0.02 s），a(0)為初始時刻加速度，a(t)為t時刻加速度，n為積分區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)。

最大速度為電梯運行全周期范圍內(nèi)，速度絕對值的最大值。如圖4所示，統(tǒng)計計算V95速度的界限范圍為從加速階段最大速度Vmax1的95%對應數(shù)據(jù)所在時間點的后1 s到減速階段最大速度Vmax2的95%對應數(shù)據(jù)所在時間點的前1 s。在該計算界限范圍內(nèi)95%的速度值均小于V95速度。

圖4 V95速度計算界線范圍示意圖

4.5 運行距離

用復化1/3 Simpson方法對速度數(shù)據(jù)進行數(shù)值積分，計算出運行位移序列，t時刻數(shù)值積分位移計算公式為

式中：s(t)為t時刻位移，v(0)為初始時刻速度，v(t)為t時刻速度。

以轎廂上行為例，計算出的時位移-時間曲線如圖5所示，運行距離為從開始起動到完全制停過程中總位移值。

圖5 電梯上行時位移-時間曲線

4.6 最大加加速度

加加速度可用于表征電梯運行時乘客所受力的沖擊大小，量化加加速度也可用于評估與乘運質量結果對應的運動控制設置合理性。在濾波后加速度數(shù)據(jù)中，取一段持續(xù)運行加速度數(shù)據(jù)區(qū)間的中點（區(qū)間長度一般為0.5 s），運用最小二乘法對該區(qū)間數(shù)據(jù)進行線性擬合，計算出斜率作為中點處加加速度值。計算出運行時間范圍內(nèi)所有采樣時間點的加加速度，曲線如圖6所示。最大加加速度為加加速度絕對值的最大值，一般發(fā)生在電梯起動和制停階段。

圖6 加加速度曲線

5 結果分析

測試裝置和EVA-625同時測得的電梯上行和下行結果如表2所示。可知，2套裝置測得的電梯運行特性參數(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，計算出的運行距離最大偏差為0.11 m。采用MEMS加速度傳感器開發(fā)的測試裝置可實現(xiàn)電梯運行特性參數(shù)的準確測試。

表2 運行特性參數(shù)測試結果

該電梯最大起動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《電梯技術條件》中整機性能要求。

6 結論

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

2）采用Matlab GUI工具開發(fā)出電梯運行特性參數(shù)分析軟件，實現(xiàn)對原始加速度數(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、運行距離的計算方法；

4）利用開發(fā)的測試裝置對電梯上行和下行過程運行特性參數(shù)進行測試，測試結果接近于EVA-625所測數(shù)據(jù)。