电梯轿厢舒适度与异常震动监测系统的设计探讨

姚长鸿 夏钟兴

摘要：近年来电梯事故频发，电梯的安全性日益受到社会的关注。本文基于电梯轿厢舒适度与异常震动监测系统的设计，以电梯的安全性为切入点，从电梯轿厢舒适度与异常震动在电梯安全系统中的应用，及优点、系统设计、信号采集模块设计予以了考虑，特点之处是采集异常震动为技术，将震动的突变嵌入安全管理，给电梯的安全管理注入的新的观点。

Abstract： In recent years， the elevator accident prone， the safety of the elevator is increasingly concerned by the community. Based on the design of elevator car comfort and abnormal vibration monitoring system， this paper takes the safety of elevator as the starting point， and takes into account the advantages， system design， signal acquisition module design， and the advantages， system design， signal acquisition module design.

关键词：电梯安全设计；电梯轿厢舒适度与异常震动；安全系统设计探讨

Key words： elevator safety design；elevator car comfort and abnormal vibration；safety system design

中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0087-02

0 引言

电梯轿厢异常震动是电梯安全性能的关键，也是电梯乘坐舒适度的关键指标之一，对司乘人员的危害极大，如果能提前观察到异常震动的发生，监视日常震动情况，可以防止危险灾情进一步扩大。掌握异常震动和日常运行的规律，对于研究电梯轿厢异常的预报，进行日常安全维保、年度检验都有重要的意义。

本文正是基于这种考虑，采用模块化的设计思路设计了轿厢舒适度与异常震动监测系统的监测和报警装置，也使得本设计具有一定的移植性和可扩展性。

1 系统原理设计

系统原理设计图 如图1所示。

前端信号处理部分对信号放大后使用高阶低通滤波器进行滤波，再经频谱均衡滤波器对地层衰减进行补偿，从而还原正确的轿厢震动波信号。单片机MSP430F2002完成两方面的功能：控制ADS7818采样时钟进行模数转换；处理输入数据，控制LED显示及蜂鸣器报警。

2 硬件电路设计

系统的硬件主要由信号监测模块、放大模塊、峰值滤波模块、精密峰值检波模块、A/D模块及报警显示模块、数据采集分析模块、电梯安全回路信号反馈、模块构成。首先对信号放大后使用高阶低通滤波器进行滤波，再经频谱均衡滤波器对地层衰减进行补偿，还原正确的轿厢运动波信号。单片机首先控制信号采样时钟进行模数转换并对输入数据进行处理，控制显示系统及监控报警。

2.1 信号监测模块、放大模块、峰值滤波模块

轿厢舒适度与异常震动监测系统采用具有高共模抑制比、高输入阻抗、低功耗等优点的AD620仪表放大器进行前端信号的放大处理。在一般信号的放大应用中，通常只要通过差动电路即可满足要求，然而基本差动放大电路精密度较差，且差动放大电路中变更放大增益时，必须调节两个电阻，使整个信号放大精度变的复杂，而仪表放大电路则无此缺点。

其增益计算方法为：Au=G=1+■=1+■，式中Au表示放大器的增益，R1为反馈电阻，在本电路中取固定值，RG为平衡电阻，选用可调电阻，这样放大倍数Au只需调节电阻RG就可设定。

电梯轿厢震动信号是低频信号，它的有效频率范围大约在10～200 Hz之间。本系统采用了6阶低通滤波。该滤波电路带内增益为12 dB，根据电路设计要求，调整电路中的电阻电容参数，将截止频率设置为500 Hz。

均衡滤波器设计原理图如图2。

根据电梯轿厢的震动参数（Vo、β），建立等厚吸收介质模型（单层厚度为0.5秒，共6层），其地层吸收衰减特性为：

Dn（f）=exp（-0.1122f∑■■Vi-22）

式中：Dn（f）是第1～n层的累积吸收衰减量，Vi是第i层的层速度。

要对地层的吸收衰减进行补偿必须在前置放大电路中设置与地层吸收衰减特性相反的滤波器——均衡滤波器。它的传递函数应为：

H（f）=1/Dn（f）

对其进行麦克劳林展开，为了使设计的频谱均衡滤波器的振幅函数更加接近其展开式，相位谱尽量是一简单函数或零相位谱，取麦克劳林展开式的偶数项得：

H（f）=1+■+■+■

其中：

c=0.1122f■V■■

依据上述公式，该设备采用6阶微分电路的频谱均衡滤波器，其输出函数为：

Y（t）=X（t）+D■■+D■■+D■■

为积分系数，式中

c=0.1122f■V■■

Vi为输入电压的有效值，根据轿厢震波的幅值大小，计算得出积分系数D12、D34、D56的值分别为0.035 8、0.049 6、0.054 4。设计电路原理图所示，图中前6个运放采用RC微分电路实现频谱均衡滤波功能，通过电阻R和电容C来得到积分系数D12、D34、D56，最后一级运放实现放大功能。参考实测数据，根据公式c=0.1122f■V■■算出值分别为0.0358、0.0496、0.0544。

根据上述幅频响应曲线（图3所示），对不同频率波按它们衰减的函数进行补偿，约提升0.07 dB/Hz，对主频200 Hz的补偿为12 dB。

2.2 峰值检波电路

轿厢舒适度与异常震动监测系统是记录轿厢的最大震动范围，这要求必须迅速跟踪，这一功能采用峰值检波電路来完成。要求电路能时刻跟随轿厢震动波的最大振幅。在电路中，当输入大于输出时，峰值检波电路处于跟踪状态，当输入小于输出时处于保持状态能够达到要求的功能。

2.3 模数转换电路

由于轿厢异常震动的信号动态范围很高，为了达到一定的分辨率，要求数据采集系统模数转换位数不能过少。通常的数据采集系统将连续的轿厢震动信号采样后量化。系统应用ADS7818采样速率CONV=1.54 kHz，SCLK=25 kHz，模拟量的动态范围为0～5 V。高精度十二位串行输出转换器。

2.4 微型cpu单片机处理电路

单片机系统其软件控制流程如图4所示。

3 测试与数据分析

该设计分别对各模块进行了调试，对峰值检波输出的数据进行测试，得到系统实际的幅频响应曲线如图5所示，与理论得到的曲线对比可以看出理论与实际数据对应图，理论值比较接近，在误差允许的范围内，可以达到预期的功能需求。

4 结论

文中通过模拟电路结合单片机MSP430进行采样控制的设计思路，完成了一种简易电梯轿厢异常震动报警仪的原理设计。通过对设计电路的性能仿真分析和200Hz轿厢异常震动波数据的实际测试，对震动强度为10mv以上的轿厢震动波信号，该装置可以准确地报警并发出控制信号。

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