便攜式多功能電梯乘運質量測量儀的研發及應用

陳建勛 戚政武 蘇宇航 楊寧祥 劉德陽 羅偉立 吳 溪

（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）

加速度傳感器在電梯檢測領域已經獲得了大量應用，結合不同的數據分析方法，可實現不同電梯參數的測量。例如：根據加速度數據在平均值附近的上下波動特性，可進行電梯振動舒適度分析[1]；對加速度進行數字濾波和數值積分，可測量電梯速度、運行距離等參數[2]；通過加速度信號頻域分析，可分析設備運行時振動頻率構成[3]；對重力加速度在傳感器3 個數據軸上的投影分量進行分析，可解算出傾斜角信息。現有的基于三軸加速度傳感器的電梯檢測儀器存在整機體積大、測量模式較單一、集成度不高、在線數據分析和在線報告導出能力不足等缺點，較難實現電梯現場多參數快速檢測。微機電系統（Microelectromechanical Systems，簡稱MEMS）加速度傳感器具有體積小、成本低、集成度高等優勢，在位移檢測[4]、自然災害監測[5]、人體位姿監測[6]等領域已得到大量應用。目前，通過該類傳感器可對垂直電梯振動舒適性進行檢測[7]，可測量轎廂姿態角、加速度[8]及制動參數[9]，但開發的儀器或裝置僅可實現單一或少數幾種垂直電梯測試功能，也較少應用于自動扶梯或自動人行道振動舒適性和制動安全性檢測。

噪聲聲級值是評估直梯、扶梯乘運質量優劣的重要參數[10-11]，TSG T7001—2023《電梯監督檢驗和定期檢驗規則》也將噪聲（包括機房噪聲、轎廂內噪聲、開關門噪聲和無機房電梯層門處噪聲）A 頻率計權聲級作為曳引驅動乘客電梯與載貨電梯和曳引驅動消防員電梯監督檢驗的必檢項目[12]，電梯噪聲防治得到越來越高的重視。轎廂內噪聲、開關門噪聲、無機房電梯層門處噪聲需進行連續測量，機房噪聲、扶梯運行噪聲或扶梯環境噪聲需進行點測。部分在售電梯乘運質量測量儀不具備噪聲測量功能，或者雖配有噪聲測量模塊，但無法實現噪聲聲級數據連續采集和分析，噪聲測量功能的集成度還不高，較難滿足檢測標準或規程要求。

本文通過合理設計加速度數據采集模塊、噪聲測量模塊、手持式智能終端應用程序（App）和服務器端測量報告模板配置平臺，并充分挖掘MEMS 加速度傳感器應用效能，開發出便攜式多功能電梯乘運質量測量儀，應用于垂直電梯、自動扶梯、自動人行道運動參數測量、振動舒適度評估、制動參數測量、機械部件失效分析、傾斜角測量等多個場合。重點對測量原理、儀器開發方法和儀器應用情況進行了詳細介紹。

1 測量原理

1.1 電梯轎廂振動舒適度測量原理

電梯轎廂振動舒適度測量過程如圖1 所示，加速度測量模塊位于轎廂地板中央，模塊X 軸和Y 軸為水平測量軸，Z 軸為豎直方向測量軸，其中X 軸垂直指向轎門。測量時操作者應距離加速度測量模塊至少30 cm，以避免數據干擾。測量數據應包含轎門關閉、起動加速、勻速運行、停止減速、轎門開啟的全過程。

圖1 轎廂振動舒適度測量過程示意圖

通過坐標變換對三軸加速度數據進行偏角修正[13]，得到絕對水平和鉛錘方向的加速度數據，見式（1）。

式中：

A0——獲取的轎廂原始三軸加速度數據坐標向量，見式（2）。

A1——偏角修正后的三軸加速度數據坐標向量，見式（3）。

C——坐標變換矩陣，見式（4）。

矩陣C 中，α、β 和θ 分別為傳感器X 軸、Y 軸和Z 軸與水平面的夾角。

獲取的加速度數據減去重力加速度直流分量，以獲得實際振動加速度，見式（5）。

式中：

A——X 軸和Y 軸處于水平位置時三軸實際加速度向量，見式（6）。

G——重力加速度修正向量，見式（7）。

g——重力加速度系數。

對三軸振動加速度進行頻率計權，以使振動測試結果更符合人體乘梯舒適度感受，Wd頻率計權適用于立姿水平向全身振動，Wk頻率計權適用于立姿垂直向全身振動。振動頻率計權可分解為高通、低通二階巴特沃斯（Butterworth）濾波、a-ν 變換濾波、高階濾波4 個數字濾波過程，總頻率計權函數為上述4 個濾波器函數的乘積[14]。各濾波過程數字濾波器Z 變換的傳遞函數見式（8）。

式中：

H（z）——Z 變換輸出值；

a——數字濾波器分子向量，見式（9）。

b——數字濾波器分母向量，見式（10）。

Z 向量見式（11）。

用濾波器向量a 和b 對第m 個加速度數據進行數字濾波時的遞推計算，見式（12）。

式中：

x——濾波前數據序列；

y——濾波后數據序列；

m——濾波數據在序列中的編號。

依據GB/T 24474.1—2020《乘運質量測量 第1部分：電梯》計算出3 個測量軸在統計時間段內的所有峰峰值，按大小順序排序，最大值為最大振動峰峰值，在排序后的數據中找出一個峰峰值，當序列中有95%的數據均小于該峰峰值，則該峰峰值為A95 振動峰峰值。

1.2 自動梯/道運載裝置振動舒適度測量原理

自動扶梯梯級振動舒適度測量過程如圖2 所示，扶梯正常運行時操作手持式智能終端采集三軸振動加速度數據，結束測試后由App 自動分析出測量結果。自動人行道踏板振動舒適度測量方法與自動扶梯類似。

圖2 自動扶梯梯級振動舒適度測量過程示意圖

對于自動扶梯，采用與直梯轎廂乘運質量同樣的數據分析方法得出梯級三軸振動加速度向量A，對于自動人行道，向量A 中的ax與踏板平面平行且指向下行方向，ax方向與踏板表面垂直。三軸加速度經Wd或Wk頻率計權后，分別計算出振動均方根值（RMS值），計算窗口時間長度為1 s，以第N 個RMS 值計算為例，其計算方法見式（13）[11]。

通過計算出三軸RMS 值矢量和的平均值可對運載裝置整體振動舒適度水平進行評估，矢量和計算方法見式（14）[11]。

式中：

axyz——三軸振動矢量和；

ax——X 軸振動RMS 值；

ay——Y 軸振動RMS 值；

az——Z 軸振動RMS 值。

1.3 自動梯/道扶手帶振動舒適度測量原理

自動梯/道扶手帶振動舒適度測量方法如圖3 所示，手握加速度測量模塊放置于扶手帶上方，隨梯運行，無論設備上行或下行，加速度測量模塊的Y 軸始終指向下行方向。數據采集結束后僅需對扶手帶下行方向振動加速度進行分析，將Y 軸和Z 軸振動加速度進行矢量分解和求和，得到扶手帶運行方向振動加速度。扶手帶手傳振動采用Wh頻率計權方式，隨后根據式（13）計算出振動加速度RMS 值，計算窗口時間長度為1 s。

圖3 自動梯/道扶手帶振動舒適度測量示意圖

1.4 直梯轎廂運行參數或制動參數測量原理

直梯轎廂運行參數主要包括最大加速度、最大減速度、A95 加速度、A95 減速度、最大速度、V95 速度、提升高度、最大加加速度等，測量時加速度測量模塊放置方式如圖1 所示。

對式（5）得到的Z 軸加速度數據進行二階Butterworth 低通濾波，濾波截止頻率為10 Hz。電梯起動時加速度數據的最大值為最大加速度，電梯制動過程加速度絕對值的最大值為最大減速度。先確定出電梯加速或減速過程中5%最大速度值和95%最大速度值之間的時間區間，在該區間內可分別統計出A95加速度值和A95 減速度值。取0.5 s 持續運行加速度數據區間的中點，對該區間數據進行線性擬合，計算出斜率作為該中點處加加速度值。

采用復化1/3 Simpson 方法對Butterworth 濾波后Z 軸加速度進行數值積分[2]，可計算出運行速度，計算見式（15）。

式中：

ν（t）——t 時刻速度；

h——數據點的時間步長；

a（0）——初始時刻加速度；

a（t）——t 時刻加速度。

最大速度為電梯運行全周期范圍內速度絕對值的最大值。加速階段95%最大速度所在時間點的后1 s到減速階段95%最大速度所在時間點的前1 s 的時間范圍內可統計出V95 速度。

采用同樣的方法進一步對速度進行數值積分可計算出位移，見式（16）。

式中：

s（t）——t 時刻位移；

ν（0）——初始時刻速度。

最大位移值即為轎廂提升高度。

直梯制動參數測量時加速度測量模塊放置方式如圖1 所示。首先需要找到低通濾波后Z 軸加速度絕對值的最大值，該值所在時間前后各5 s 可初步確定制動參數分析區間。根據式（15）得到的速度曲線零點和極值點對制動響應階段、制動減速階段和轎廂振蕩階段進行劃分。分析速度數據得出制動響應開始時間、開始制動減速時間、制動結束時間。在此基礎上查詢位移曲線可得出制動響應階段運行距離、制動距離、開始制動時轎廂位置等參數。

1.5 自動梯/道運行參數或制動參數測量原理

自動扶梯運行參數（主要是梯級運行速度）、制動參數測量時加速度測量模塊放置方式如圖2 所示。在扶梯或自動人行道停止時將加速度測量模塊放置在與梳齒板最近的梯級或踏板中央，啟動設備下行，當加速度測量模塊位于傾斜段且運行速度穩定后執行制動操作，由App 自動計算出制動距離、制動時間、制動開始時梯級速度。

對于自動扶梯，由于X 軸和Z 軸并非指向梯級實際運行方向，需根據式（15）和式（16）分別計算出水平運行方向速度、位移及與梯級踏面垂直方向速度和位移，通過矢量和求解計算出梯級速度和位移。根據直梯轎廂制動參數同樣的測量方法可計算出扶梯制動參數。計算自動人行道運行參數和制動參數與自動扶梯相比的不同之處在于，參與積分計算的加速度即為X 方向濾波后加速度。

1.6 傾斜角測量原理

根據加速度模塊靜止時重力加速度在3 個數據軸上的投影分量可分別計算出X 軸與水平面的夾角α、Y 軸與水平面的夾角β、Z 軸與重力方向的夾角γ，即為三軸傾斜角，其含義如圖4 所示。加速度與傾角的關系見式（1）～式（4）。γ 反映了Z 軸的鉛錘程度，值為0 表示Z 軸為鉛錘方向且X 軸和Y 軸位于水平方向。γ 與θ 間的關系見式（17）。

圖4 三軸傾斜角示意圖

1.7 異常機械振動分析原理

通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，簡稱FFT）可計算出不同頻率下的振動加速度幅值，分析頻率譜曲線可得到振動的主要頻率構成及各頻率下的振動信號強弱，通過將故障設備的振動頻率譜曲線與正常運行狀態下頻率譜曲線做對比可定位出設備異常機械振動源。

1.8 噪聲測量及數據分析原理

電梯環境下噪聲信號具有間歇、起伏或隨時間不可預期變化的特征，需采用等效連續A 計權聲級按時間平均方法來評價噪聲對人體的影響，其實質上是用一個相同時間內聲能與之相等的連續穩定A 聲級來表示該段時間內的噪聲大小。等效聲壓級計算方法見式（18）。

式中：

Leq——等效聲壓級，dB；

LAi——第i 次測得的瞬時A 計權聲級，dB；

n——噪聲值數據個數。

2 儀器研發

2.1 儀器組成

電梯乘運質量測量儀由加速度測量模塊、噪聲測量模塊、手持式智能終端、報告模板配置服務器4 部分組成，硬件模塊之間可進行Wi-Fi 無線通信。App安裝于手持式智能終端，通過人機界面操作完成測量控制、數據顯示、算法分析、結果展示、報告導出、數據分享等功能。加速度測量模塊對振動測量準確性在±2%以內，分辨率為0.001 m/s2；噪聲測量模塊滿足A 計權二級聲級計要求，測量精度為1 dB。乘運質量測量儀外觀見圖5。

圖5 乘運質量測量儀外觀

2.2 硬件電路設計

加速度測量模塊硬件架構如圖6 所示，包括計算、控制、存儲、通訊單元和供電單元2 部分。MEMS加速度傳感器通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，簡稱SPI）通信方式將三軸加速度數據發送給單片機。測試數據臨時存儲于FLASH 芯片，經幀封裝后通過高速Wi-Fi 模塊發送到手持式智能終端。模塊內置配重塊，以確保測試時對放置面的壓強不低于50 kPa，避免模塊自身意外振動影響數據準確性。

圖6 加速度測量模塊硬件架構圖

噪聲測量模塊硬件架構與加速度測量模塊類似，其傳感器執行部件為聲壓傳感器，聲壓模擬信號經專用噪聲AD 轉換芯片處理后供單片機讀取，噪聲測量模塊可通過LCD 顯示屏顯示實時噪聲A 計權聲級數據。

2.3 模塊結構設計

模塊整體長120 mm、寬80 mm、高40 mm，通過改變底部3 個磁吸支腳設置形式可使加速度模塊用于不同的電梯測試場景。3 個支腳呈三角形分布可用于直梯轎廂振動舒適度測試，見圖7（a）；調節2 個支腳的間距，使其與梯級面齒槽尺寸匹配，可對扶梯梯級振動參數或運動參數進行測試，見圖7（b）；移除底部3 個支腳，手握模塊放置于扶手帶表面，可對扶手帶手傳振動舒適度或扶手帶速度進行測試，見圖7（c）；移除3 個支腳并將4 個磁吸座通過螺釘固定于模塊底部4 個安裝孔處，可使模塊快速吸附于曳引主機外殼等鐵磁性部件表面，對振動幅值或頻率進行測量，見圖7（d）。

圖7 不同測量場景下加速度測量模塊支腳設置形式及放置方式

噪聲測量模塊可手持測試或固定于三角支架上測試，通過顯示屏讀取當前A 頻率計權聲級值，亦可通過Wi-Fi 連接App 進行噪聲點測或連續測量。

2.4 App 設計

App 功能架構如圖8 所示，包括直梯測試、扶梯測試、數據采集、數據導出、儀器校準、報告導出6 部分子功能模塊。直梯測試模塊包括直梯乘運質量（轎廂振動舒適度和噪聲）測量、直梯運動參數（加速度、速度、位移、加加速度等）測量、直梯制動性能（制動距離、制動時間、平均制動減速度）測量3 部分。扶梯測試模塊包括扶梯乘運質量（運載裝置振動舒適度、扶手帶振動舒適度、噪聲）測量、扶梯制動性能（制動距離、制動時間、平均制動減速度、最大制動減速度）測量、傾斜角測量、扶梯速度（運載裝置速度、扶手帶速度）測量4 部分。數據采集模塊可根據設置的采樣速率、采樣通道、采樣時長進行三軸加速度和噪聲數據采集，并進行濾波、頻譜分析。數據導出功能以表格方式導出原始測量數據及算法處理后的結果數據，便于進一步拓展研究。儀器校準功能用于儀器出廠時快速配置加速度傳感器和噪聲模塊標定系數。報告導出功能可實現測量結束后根據所選模板導出和分享直梯乘運質量、扶梯乘運質量、直梯制動性能、扶梯制動性能電子測試報告。

圖8 App 功能架構圖

2.5 服務器端設計

服務器端用于自定義配置測量報告和測量記錄的“.doc”格式模板，可配置的常用測試模板主要包括：垂直電梯乘運質量上下行測量記錄和報告、自動扶梯乘運質量上下行測量記錄和報告、垂直電梯制動性能測量記錄和報告、自動扶梯制動性能測量記錄和報告。

3 應用實例

3.1 直梯乘運質量測量

加速度測量模塊和噪聲測量模塊同時用于電梯乘運質量測量過程（見圖9），手持噪聲測量模塊，使其位于轎廂地板上方1.5±0.1 m 處并指向轎門。操作App 完成測試開始和結束操作，測量過程中App 界面動態顯示三軸加速度數據及當前A 計權聲級數據。

圖9 電梯乘運質量測量過程

對應的乘運質量測量結果曲線分析界面如圖10 所示，可對三軸原始振動加速度、低通濾波后振動加速度、頻率計權后振動加速度、運行噪聲、速度、位移、加加速度進行時域分析，并對原始振動加速度進行FFT分析。可對各軸最大振動峰峰值所在時間、位移、樓層位置進行定位。

圖10 電梯乘運質量測量結果曲線界面

3.2 扶梯乘運質量測量

某扶梯上行乘運質量測量后App 歷史記錄中綜合數據結果界面如圖11 所示。該扶梯梯級振動舒適度和扶手帶振動舒適度均符合要求，但最大運行噪聲聲壓級達到81 dB，參考相關環境噪聲不高于60 dB 的標準，該扶梯運行噪聲不符合要求。

圖11 扶梯乘運質量測量結果綜合數據界面

3.3 電梯制動參數測量

對一垂直電梯125%額定載荷制動試驗進行定量測量。模塊放置后，操作電梯上行至頂層，隨后起動下行，到行程中下部時按下急停開關實施制動，App自動分析出制動距離、平均制動減速度、制動時間等結果。制動參數測量結果分析界面如圖12 所示，可知該梯在20 s 附近開始實施制動，手動分析模式用于人為通過曲線特征分析出制動起始時間和制動結束時間，實現制動參數的半自動分析。

圖12 電梯制動參數測量結果分析界面

3.4 扶梯制動參數測量

儀器對自動扶梯滿載制動參數測量過程見圖13，加速度測量模塊按照圖7（b）方式放置于梯級中間。將總制動載荷均勻分布在上部2/3 的可見梯級上進行試驗，操作App 開始采集加速度數據，隨后操作扶梯以正常速度下行，當三軸加速度模塊隨梯級運行至扶梯傾斜段且扶梯達到穩定運行速度時按下急停開關，停穩后結束測試，App 自動提取出制動減速過程，分別求解X 軸方向和Z 軸方向速度、位移，計算矢量和得到扶梯運行方向速度、位移曲線，得到制動距離、平均制動減速度、制動時間[15]。

圖13 扶梯滿載制動距離測量現場

3.5 扶梯傾斜角測量

按照圖7（c）所示方式，將模塊放置于扶手帶上，使Y 軸指向扶手帶運動方向，讀取出Y 軸與水平面的夾角，即為扶梯或自動人行道傾斜角。對一扶梯傾斜角測量時App 界面如圖14 所示，該扶梯傾斜角近似29.7°。

圖14 扶梯傾斜角測量界面

3.6 振動頻率測量

圖15 為一臺自動扶梯梯級振動分析結果，快速傅里葉變換的分析時間常數為16 s。所測梯級X 軸方向振動主頻率為24.78 Hz，為電機旋轉頻率，50 Hz 附近振動峰值為電氣系統工頻振動頻率。通過對設備同一位置振動頻率組成進行定期測量和比較，可快速識別出異常振動頻率峰值，與設備各部件固有頻率進行比較可進行異常振動源定位。

圖15 曳引機振動頻譜分析結果

3.7 機房或層門處噪聲測量

TSG T7001—2023 中附件A1.3.14 要求：額定速度不超過2.5 m/s 的無機房電梯層門處噪聲A 頻率計權聲級不得超過65 dB；額定速度大于2.5 m/s 的電梯噪聲聲級不應超過制造單位的允許值，如未規定則不應超過65 dB。對某無機房電梯層門處噪聲測量過程見圖16，噪聲測量模塊置于與驅動主機最近層門處且指向層門中部。測量時，噪聲測量模塊在水平方向距門扇 0.5 m 且垂直方向距層站地面 1.5 m 處測試，取出發端站門關閉后至到達端站門開啟前，電梯全程上、下運行過程中以額定速度運行時的最大值。

圖16 無機房電梯層門處噪聲測量過程

4 儀器引用的標準和規范

乘運質量測量儀對直梯乘運質量和扶梯乘運質量的測量方法及數據處理過程應符合標準GB/T 24474.1—2020 和GB/T 24474.2—2020《乘 運質量測量 第2 部分：自動扶梯和自動人行道》的相關要求。振動加速度頻率計權算法、儀器技術參數應符合GB/T 23716—2009《人體對振動的響應 測量儀器》的相關要求。儀器各功能模塊測得的參數符合性判斷依據見表1。

表1 測量結果符合性判斷依據和引用標準、檢規

5 總結

開發出便攜式多功能電梯乘運質量測量儀，包括三軸加速度測量模塊、噪聲測量模塊、手持式智能終端、報告模板配置服務器4 部分。儀器可對直梯運動參數、轎廂振動舒適度、扶梯梯級振動舒適度、扶手帶手傳振動舒適度、直梯/扶梯制動參數、機械部件振動頻率、三維傾斜角等多個參數進行現場快速測量，測量過程操作簡便、結構便攜，可在現場快速完成電梯/扶梯乘運質量報告打印、蓋章之前的數據采集、數據分析、結果符合性判斷，極大地提高了測量效率。儀器已廣泛應用于電梯/扶梯安裝、維保、安全評估等多個場合，取得良好的社會效益和經濟效益。