鋼結構電梯井道安裝中應力應變監測系統設計

摘 要：研究以加裝電梯鋼結構井道的安全為目的，針對優化后的新型鋼結構電梯井道，設計了一種安裝過程的應力應變監測系統。在設計中構建了電梯鋼結構模塊安裝的安全健康監測系統整體組成框架，并介紹了系統的基本工作原理、選取了調制方案、設計了軟硬件系統、通過有限元分析選取了合理的監測點。系統可以實現鋼結構井道安裝過程中應力應變的安全監測，最終通過通信的方式將預警信息發送給監測端。該方案為加裝電梯的健康安全提供了重要的技術保障，最終實現了安裝過程健康監測的智能化。

關鍵詞：加裝電梯；鋼結構；應力應變；系統設計；光纖光柵

中圖分類號：TU714

1 引言

隨著社會的持續進步，國內居民生活質量一步步提高，為了能夠有效解決日益嚴重的老年人健康出行問題，老舊樓加裝電梯作為一項重要民生工程被提出并多次寫進政府工作報告，各省都出臺不同的惠民政策，對老舊小區進行現代化改造，支持小區老舊樓房加裝電梯。目前，市面上的加裝電梯基本都采用整體焊接而成的一體式鋼結構井道，該類電梯井道具有施工快速、對原建筑結構破壞小、對居民生活影響小等優點，但因為是一體式鋼結構，內部均采用焊接工藝制造完成，必定伴隨產品體積大，現場安裝工藝復雜、鋼結構內部應力集中等缺點。隨著技術的成熟，一種采用螺栓等軟連接的鋼結構電梯井道模塊因其安裝工藝簡單、支撐受力均勻等特點成為加裝電梯市場的新方向，但是這種鋼結構模塊的連接方式存在安裝精度要求高、連接點強度弱等問題，因此，研究針對這種鋼結構電梯井道的安裝設計了一種應力應變監測系統，能在很大程度上保證鋼結構安裝的精度。

2 測量原理的分析及選擇

2.1 傳感技術的選擇

所謂應力是指被研究結構在受到來自外部壓力、環境溫度的變化，或者受其加工工藝特點影響，在結構內部產生的一種作用力。應力對研究結構的力學性能、抗震等性能有很大的影響。因此，對結構的應力應變進行安全監測分析是施工過程中需要關注的重要步驟。結構的應力應變測量主要通過相關傳感器直接或間接測量物理量并通過相關理論計算得到相應的應力應變值。目前，市場應用中的測量方法比較雜多，應用較多的有3類，一是電阻測量法，該類測量方法應用最多，技術成熟；二是光纖光柵測量法，該種測量方法應用前景大，特別是物聯網安全健康監測應用比較理想；三是間接（非接觸式）測量法，該類測量方法應用少，但是應用區域廣泛。

2.1.1 電阻測量法

電阻測量法是一種通過將物理應變量轉化為電阻片的電阻變化量，最后通過測量相關電信號并進行運算得到應力應變量的測量方法。電阻測量法的基本工作原理是將成品電阻應變片物理粘貼或焊接在被測鋼結構的應力應變測量點，應力將會通過應變電阻片轉換為模擬電信號，然后通過測量前標定和測量后分析計算，最終將獲得被測結構的應力應變量。

采用電阻測量法的優點：（1）電阻片安裝簡單，測量反饋好；（2）應變的測量范圍寬，可以完成較大數量級的應力應變測量；（3）有比較好的響應特性，適合動態應變場測量；（4）電阻片的尺寸一般較小，成本低廉。

采用電測法的缺點：（1）只能機械粘貼或焊接于被測物體表面進行測量，不能測量被測結構內部的應力應變程度；（2）應變片不能多方位測量，只能測量被測物體某一點與其安裝平行方向的應力應變，要想完成多個方向應力應變的測量，必須同時安裝多個應變片。

2.1.2 光纖光柵測量法

光纖光柵測量法是利用光纖光柵的入射波長漂移與其應變呈線性關系的特性進行結構應變測量。光纖光柵測量法的基本原理是：入射光源的窄帶光入射到經過耦合器耦合的光纖光柵，會在光纖光柵處反射回一個窄帶光，對該窄帶光波長漂移量進行解調，并通過相關信號處理計算，就可以得到光纖光柵受溫度及外界應力而產生的應變量。該方法因其受溫度影響大，一般在安裝中會特意加裝一個溫度光柵傳感器，其目的是平衡溫度變化帶來的應力應變影響。

利用光纖光柵進行應變測量，有以下幾個優點：（1）全光測量，系統受電磁輻射影響小；（2）系統穩定性好；（3）應用范圍大，擴展性能好，能進行點陣系統測量。

利用光纖光柵進行應變測量的缺點：（1）抗剪性能差；（2）被測量受溫度漂移影響大；（3）系統成本高。

2.1.3 間接式測量法

間接式應變測量技術較多，主要有數字圖像相關技術、電子散斑干涉技術、聲波測量技術等。間接式測量法的原理各式各樣，如利用像素成像比對、激光反射光干涉分析、聲波測量等，均采用不接觸式測量，完成應力應變的間接獲取。

該類測量方法的優點：（1）應用區域廣泛、對測量環境要求低；（2）間接式測量，對原結構無破壞；（3）測量范圍廣，速度快。

該類測量方法的缺點：（1）測量受外界干擾大；（2）測量范圍小；（3）成本昂貴。

2.2 光纖光柵傳感技術原理

利用光纖對光敏感的特性制作而成的光纖光柵，當入射光通過纖芯時會在其中形成像窄帶（反射或者透射）濾波器或反射鏡似的空間相位光柵，根據上述特性可以形成很多具有特殊性能的光纖器件。光纖光柵包括FBG（Fiber Bragg Grating）光柵和透射光柵[1]。光纖光柵傳感原理如圖1所示。

根據光纖材料對光敏感的性質，采用紫外激光束在光纖的纖芯上刻畫一段或多段光柵，當光源發出的連續寬帶入射光通過傳輸光纖時，將在被刻畫的光柵處有選擇性地反射回一個窄帶光，剩余的寬帶光將繼續透射過去，并在后面的不同中心波長光柵位置處反射[2]。

根據已有光學知識，光纖光柵反射光的中心波長可表達為：

式中：n為光纖的有效折射率；Λ為調制周期。

目前，在溫度監測和應力應變的測量中，周期Λ＜1 μm的短周期光纖光柵傳感器備受青睞，其反射光波長λ被稱為Bragg波長，也被稱作FBG傳感器。

Bragg波長會根據光纖光柵傳感器感受到的外部溫度和應力變化而產生相應位移量，波長的變化量具體可表示為：

式中：△Λ為調制周期的變化量；△n為光纖的有效折射率變化量。

熱光效應和熱膨脹效應是溫度引起Bragg波長變化的具體原因，熱膨脹效應能引起光纖光柵周期的變化，而熱光效應則會引起光纖纖芯有效折射率的變化，可分別表示為：

式中：α為熱膨脹系數；△T為溫度的變化量，ζ為熱光系數。

因此，光纖光柵的溫度靈敏度可表示為：

式中：△λB為波長變化量；KT為溫度靈敏度（工藝參數）。

應變對光Bragg波長的影響，其實質是光纖光柵纖芯的周期變化以及彈光效應，其對應關系可表示為：

式中：Pe為光纖彈光系數。

為了得到單一的應變和FBG反射波長對應關系，在應變的測量中通常會采取溫度補償的方式來消除溫度對反射波長的影響，從而得到準確的應變測量值[3]。

2.3 數據測量基本原理

2.3.1 溫度測量原理

熱光效應導致的光纖光柵周期變化以及熱膨脹效應引起光纖纖芯有效折射率的變化，均體現出溫度對波長的影響，故溫度的變化和波長變化可以表達如下。

式中：KT是傳感器的材料工藝參數，其和材料特性、加工工藝有關。

測量前，在沒有應變狀況下測定原始溫度T0時對應的光纖光柵傳感器反射中心波長λB0，然后在被測溫度T1狀況下測出光纖光柵傳感器反射中心波長λB1，則由式（7）可得：

式中：T0為初始溫度；λB0、λB1分別為初始溫度和測量溫度下的中心波長。

溫度的測量一般單獨作為要素進行測量，這里介紹溫度測量原理是因為光纖光柵傳感器在應變的測量中受環境溫度的變幻影響較大，一般在測量中會間接測量溫度引起的應變量，并在計算中去除溫度帶來的影響，實現測量中的溫度補償。

2.3.2 應變測量原理

由式（6）可得，應變ε為：

式中：Pe是傳感器的材料工藝參數，其和材料特性、加工工藝有關。

實際應變測量中，為了消除溫度因素對應變測量值的影響，應當進行溫度補償。具體的實施方法是在安裝應力應變傳感器的同時在其附近安裝一個同樣的溫度傳感器，在測量開始前先記錄沒有應力時的溫度值T0以及安裝的應變傳感器的反射光中心波長λB0，在待測應變場中測得溫度值T1以及應變傳感器反射光的中心波長λB1，則由式（7），（8）即可計算出應變ε為：

2.3.3 應力測量原理

根據式（10）可計算得到應力值為：

式中：E為被測體的彈性模量。

3 鋼結構監測點選擇

電梯是一種垂直不停運行，并且伴隨停電或試驗進行制動和緊急剎車的特種設備，其運行載荷沖擊相對較大且頻繁，系統應力應變監測點的選擇顯得尤為關鍵，合理的選擇既可以滿足安全監測要求，又可以降低監測成本和監測難度。以下將通過試驗和模擬選取合適的監測關鍵點。

由于鋼結構模塊是電梯運行時主要載荷的承受部件，特別是模塊的橫梁在電梯運行時受到急停、試驗等沖擊載荷較多，經過對現場的急停和125%下行制動力試驗探究，得到導軌安裝支架固定的橫梁位置受力較大。

通過新型井道模塊相關設計人員進行鋼結構有限元模擬分析，并在施加約束和載荷的情況下得到應力云圖，如圖2所示，結合上述試驗，最終確定將監測的關鍵點選擇在鋼結構模塊的兩個橫梁部位，且均選擇在橫梁與豎梁的連接位置，該位置處于橫豎梁安裝點，且為試驗應力集中點，關鍵點位置選擇如圖3所示。

4 監測系統整體設計

監測系統由軟硬件組成，系統包括由光纖光柵傳感器、傳輸光纜、光電探測器、傳感解調裝置等組成的傳感網絡及利用單片機開發平臺開發的數據綜合處理及預警響應功能模塊。

4.1 光纖光柵解調方案選取

對光纖光柵反射光波長的偏移量測量，也就是對波長的編碼信號解調，同時也關乎測量的精準度。最初是用光譜儀對其波長編碼信號實現解調，但光譜儀的成本高且投入預算大；體積大且不便于攜帶，掃描慢且很大程度上縮小了應用場景，測量精度偏低導致難以滿足高精度波長的測量要求，且測量數據還需要經過人為計算，才能得到被測物理量的大小。隨著科技水平的不斷提高，新的檢測技術和裝置不斷出現，波長編碼的解調方法也層出不窮。目前被廣泛使用的波長解調方式有：可調諧 F-P 腔濾波法、非平衡 M-Z 干涉法、匹配光柵解調法、色散法等。

在本系統中采用匹配光柵解調法進行波長編碼解調，其工作原理是先測量和解調反射波中心波長及其變化量，然后根據標定關系推算出被測物理量。匹配光柵解調法是在系統中引入一個與光纖光柵特性完全一致的參考光柵，只有當滿足特定波長范圍內的反射光才能通過參考光柵并進行反射[4]。匹配光柵解調法可以分為2種，即透射式和反射式，在本系統中選擇采用反射式匹配光柵解調法進行波長編碼解調，其解調原理如圖4所示。

4.2 硬件系統搭建

硬件系統主要包括光纖光柵傳感裝置、信號解調裝置、由光電探測器和放大器組成的信號接收和轉換的信號處理系統、特定波產生模塊、預警處理模塊等，系統工作原理如圖5所示。系統首先把光電探測裝置傳輸過來的電信號進行放大、采集并進行運算處理，得到被測物理量的數據，并且與理論預設值進行對比，如果超出設定值，系統啟動預警模塊將相關警報信息發送給監測端。信息采集模塊由單片機所控制的數據采集和鋸齒波產生模塊組成，報警信息由信息發送模塊進行發送、監測現場會伴有聲光報警。硬件系統在調試后將進行整體封裝，留有相應的端口進行連接。

4.3 軟件系統設計

在硬件搭建基礎上進行邏輯編程，控制 A/D 模塊采集由光電探測器傳輸并經過放大的電信號，當處理中心收到信號后，讓信號發生器產生相應頻率和幅值的掃描電壓信號，控制參考光柵相關部件達到匹配的效果，并經過最終的內部運算來實現測量數據的目的。

系統的軟件設計主要包含以下幾個模塊：信息初始化子程序、中斷響應子程序、鋸齒波產生子程序、A/D 單元采樣子程序、數據計算與處理子程序和預警信息發送子程序。

系統軟件的開發具有以下功能：

（1）參數設置功能。系統運行前，在交互界面可根據采集環境、采集對象的特性、需求對裝置的掃描頻率、通道數量及傳感器校準、波發生方式等參數進行預先設置。

（2）數據采集與計算功能。系統具有數據采集和存儲功能，將采集的數據進行合理分析計算，得到需要的應力應變數據，并對其合理性及危險性程度進行預測。

（3）數據通信處理功能。該裝置在鋼結構安裝全過程進行安全監測，所以軟件設計中留有通信接口，目的在于當系統監測到應力應變超出允許范圍時，可以進行現場預警或遠程數據監測與警報。

（4）中斷功能。系統設置有緊急中斷功能，用于系統處理緊急信息的手動中斷操作。

5 結語

研究從測量原理說明、傳感技術的對比選擇、解調方案的選取、軟硬件的設計4個方面對應力應變監測系統的整體理論框架進行了闡述，并通過資料查找和鋼結構有限元模擬分析，對安全監測點進行了擇優選取。

鋼結構電梯井道安裝中應力應變監測系統針對施工過程中的關鍵點進行安全監測，實時應力應變監測功能能很好地反映整個電梯井道在安裝過程中的受力均勻情況，有效地提高安裝精度，保障了施工工程的質量；遠程報警功能能夠及時預警安裝中的不安全因素，保證了施工過程的安全可靠。系統的設計為加裝電梯的高質量施工和安全提供了一種有效的監測手段，對復雜的作業過程進行監測、評估和預警，實現了加裝電梯行業結構應力的智能化監測與信息化管理。

參考文獻：

[1] 周元，曹海軍. FBG溫度低敏傳感器在大型鋼結構施工監測中的運用[J]. 巖土工程技術，2015，29（1）：51-54.

[2]" 烏建中，張學俊. 基于光纖光柵技術的大型鋼結構安裝監測系統[J]. 中國工程機械學報，2006（3）：322-327.

[3]" 吳衛東，杜蔚然，謝加榮. 基于電力系統監測的光纖光柵傳感器采集裝置研究[J]. 能源與環保，2021，43（12）：240-246+251.

[4]" 黃培. 鋼結構關鍵位置應力應變監測系統設計[J]. 電子制作，2016（17）：11-12.