基于三轴加速度传感器的电梯缓冲器测试方法

应应征，方会松，徐开东，叶立忠（浙江省特种设备检验研究院，杭州 310022）

基于三轴加速度传感器的电梯缓冲器测试方法

应应征，方会松，徐开东，叶立忠
（浙江省特种设备检验研究院，杭州 310022）

为高效、准确地检测电梯缓冲器，提出一种基于三轴加速度传感器的测试方法。使用三轴传感器采集模拟轿厢悬挂静止状态和与电梯缓冲器冲击过程中加速度的数据，采用悬挂静止状态数据分析计算竖直向上方向，计算整个试验过程中该方向的加速度值，将三个方向的加速度数据投影至竖直向上方向，并根据投影后的数据计算冲击过程的平均加速度与峰值时间。实验表明，该方法使用方便，且降低了潜在的人为测量误差。

电梯；缓冲器；非线性最小二乘；Levenberg-Marquardt

DOI：10.13669/j.cnki.33-1276/z.2015.057

0　引 言

电梯缓冲器是一种位于轿厢或对重行程端部，用来吸收轿厢或对重动能的一种缓冲安全装置。缓冲器是电梯设备中对轿厢或对重超越安全行程的最后一道安全保护装置［1］。鉴于缓冲器对电梯安全的重要性，国内电梯相关技术标准对缓冲器做了比较严格的规定［2］。只有依照标准进行试验，并且通过测试的缓冲器产品才允许生产、销售。缓冲器测试最重要的一个环节为撞击试验，模拟电梯轿厢自由落体，撞击缓冲器，采集缓冲器作用过程中轿厢的竖直方向减速度，以此为依据判断缓冲器是否合格。

针对缓冲器测试，国内外普遍采用单轴加速度传感器或单轴力传感器。卓耀彬为研究液压缓冲器特性构建了测试系统，针对冲击测试采用单轴力传感器［3］。傅武军等将单轴加速度传感器安装在轿厢底部，测试冲击过程的减速度数据［4］。宋桂玉使用单轴拉压传感器测试液压缓冲器的减震阻力［5］。Watanabe等使用位移传感器间接测试轿厢与缓冲器冲击过程的加速度数据［6］。采用单轴力/加速度传感器对于传感器的安装提出了较高的要求，传感器方向要与重力方向一致，一旦传感器安装位置发生移动或模拟轿厢发生偏转，便需要重新调整、标定，对测试效率与精度都有较大影响。为有效解决问题，本文提出一种基于三轴加速度传感器的测试方法。该方法采集试验过程中三个方向的加速度，根据自由悬挂阶段的加速度数据拟合计算竖直向上方向，进而结合撞击过程三个方向的加速度计算轿厢的竖直向上方向加速度值，最后以该加速度值计算相关特征数据。采用该方法便于传感器的安装，在测试时只需与被测物体固定即可，无需考虑方向问题，免去了调整与方向标定的过程，极大地提高了测试效率。

1　电梯缓冲器撞击测试装置

图1　电梯缓冲器撞击测试装置结构

电梯缓冲器撞击测试装置需要模拟电梯轿厢自由落体的过程，主要分为模拟轿厢、测距装置、加速度测试仪、提升装置、导向设备和释放机构六个部分，其结构如图1所示。模拟轿厢用于模拟真实电梯轿厢，它可以根据不同的电梯缓冲器参数增减质量；测距装置用于测试模拟轿厢的距离，便于设定模拟轿厢的自由落体高度；加速度测试仪用于采集测试过程中三个方向的加速度数据；提升装置用于在竖直方向移动模拟轿厢的位置；导向设备用于保证模拟轿厢提升、下降与自由落体过程运动方向保持一致；释放机构用于释放模拟轿厢，触发模拟轿厢的自由落体运动。被测试的电梯缓冲器固定连接在地面上。在撞击测试之前，根据电梯缓冲器的参数设定模拟轿厢重量与提升高度；开启传感设备，利用释放机构释放模拟轿厢，模拟轿厢经过自由落体过程之后撞击电梯缓冲器，电梯缓冲器提供制动力，降低模拟轿厢的速度直至静止。

2　测试数据分析

2.1竖直向上方向的计算

在分析计算特征数值之前，需要确定竖直向上方向。将三个方向的加速度数据换算为竖直向上方向的数据，只要处理竖直向上方向的数据，因而只要计算竖直向上方向与传感器测量坐标系的关系即可。竖直向上方向与传感器测量坐标系的关系如图2所示。

图2　竖直向上方向与传感器测量坐标系的关系

图2中坐标系XYZ为传感器测量坐标系，OG为竖直向上方向，分别表示模拟轿厢在悬挂静止过程中传感器采集到的数据，i表示采集到的数据序列号。在悬挂静止状态下，加速度传感器所测得的数据即为重力加速度数据，方向为竖直向上方向，因而OG在坐标系XYZ下的坐标为，将该值记为ui，单位化以后得到竖直向上方向在坐标系XYZ下的表达式为：

其中，cos-1（）为反余弦函数，θi的范围为［0，π/2］，夹角总和Sθ为：

其中，n为表示悬挂静止过程中的序列总数。寻找一个，使得Sθ最小，是一个典型的非线性优化问题。采用Levenberg-Marquardt算法可以对该问题进行优化求解。Levenberg-Marquardt是一种改进的高斯-牛顿法［7］，与高斯-牛顿法一样属于迭代算法。其算法如下：

其中，x为目标函数自变量，将其单位化以后为。（4）式为优化目标函数，f（x）与Sθ相对应。F（x）为x的非线性函数，根据（3）式可以得到：

（5）式为迭代公式。其中，Jk为第k次迭代的F（x）雅克比矩阵，I为单位矩阵，μk为一个非负的参数。当μk趋近0时，Levenberg-Marquardt算法趋近于Guass-Newton算法；当μk趋近无穷大时，Levenberg-Marquardt算法趋近最速下降法。

2.2特征数据的计算

电梯缓冲器冲击试验最关键的数据为冲击过程中的平均减速度与减速度处于峰值时超过某定值at的时间tt。需要将冲击过程中三个方向的加速度数据转换为竖直向上方向的加速度数据，即：

其中，ai为冲击过程中传感器得到的三个方向的加速度数据，g为重力加速度数据，ai为竖直向上方向模拟轿厢的加速度数据（该数据为一个标量）。在冲击过程中平均加速度为：

其中m为冲击过程中传感器采集的数据总数。最大减速度则为ai中的最小值ami n与之对应的序列值imin。向序列的两边遍历ai，统计小于at的数据占用的时间tt。

3　实验验证

测试实验采用小型多功能塔架作为测试装置，如图3所示。基于三轴加速度传感器的测试仪物理样机如图4所示。

小型多功能塔架上同时安装基于单轴力传感器的测试仪（以下简称单轴测试仪）与基于三轴加速度传感器的测试仪（以下简称三轴测试仪），单轴测试仪经过计量与标定精度已经达到测试要求，该测试仪的测试结果将作为标准数据与三轴测试仪的测试结果进行比较。三轴测试仪启动后加速度数据将保存在SD卡中，测试完毕后统一读取至电脑中。三轴测试仪获取的数据如图5所示。

图3　小型多功能塔架

图4　基于三轴加速度传感器的测试仪物理样机

图5　三轴测试仪获取的数据

图6　　三轴测试仪与单轴测试仪测试结果对比

4　结 论

本文提出一种基于三轴加速度传感器的电梯缓冲器测试方法，与传统的基于单轴力传感器的测试方法相比，该方法省去了安装时的标定校准过程，方便操作人员使用，降低了潜在的人为测量误差。实验表明，基于三轴加速度传感器的测试仪物理样机与基于单轴力传感器的测试仪精度一致。目前，测试数据处理仍需要人为干预，人工找出冲击过程关键时间点，如冲击起始与结束时间点。下一步的研究重点将根据冲击测试的特点研究自动判断关键时间点的算法。

［1］郑炯，孙立新，卜四清，等.电梯常识一本通［M］.北京：中国质监出版社，2013：66-67.

［2］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB7588—003电梯制造与安装安全规范［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［3］卓耀彬.液压缓冲器特性及其检测方法研究［D］.杭州：浙江大学机械工程学院，2006.

［4］傅武军，朱昌明，张长友.电梯用油压缓冲器的动态仿真和试验分析［J］.振动与冲击，2003，22（4）：80-81，87，113.

［5］宋桂玉.液压减振器性能的试验研究［J］.机械科学与技术，1998，17（1）：113-114，117.

［6］ Seiji Watanabe，Takeya Okawa，Daisuke Nakazawa，et al.Vertical vibration analysis for elevator compensating sheave［J］. Journal of Physics：Conference Series，2013，448（1）：12007-12015.

［7］ Torge N，Stephen J W.Least-Squares Problems［M］.New York：Springer，2006：262-264.

［责任编辑：谢树林］

Test Method of Elevator Buffer Based on Three-axis Acceleration Sensor

YING Zheng， FANG Huisong， XU Kaidong， YE Lizhong
（Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute， Hangzhou，310022， China）

To test elevator buffer efficiently and accurately， a method based on three-axis acceleration sensor was proposed. Three axis sensors were used to collect the data of a stimulated car at the suspended static state and the data of acceleration at the shocking process. The vertical upward direction was acquired by analyzing the suspended static state data. The acceleration data of this direction was obtained. The acceleration data of these three directions was projected to the vertical direction， and the average acceleration and peak time of the impact process were calculated according to the data of the projection. Results show that the method is convenient and reduces the potential of human error.

Elevator； Buffer； Nonlinear least square； Levenberg-Marquard

TP274

A

1671-4326（2015）03-0045-04

2015-06-23

浙江省质量技术监督系统科研计划项目（20150221）

应应征（1983—），男，浙江金华人，浙江省特种设备检验研究院工程师，博士；方会松（1967—），男，浙江杭州人，浙江省特种设备检验研究院高级工程师；徐开东（1977—），男，浙江衢州人，浙江省特种设备检验研究院工程师；叶立忠（1974—），男，浙江绍兴人，浙江省特种设备检验研究院高级工程师.