曳引式电梯轨道平行度在线监测系统研究

晏洪财

（葫芦岛市检验检测中心， 辽宁 葫芦岛 125000）

0 引言

电梯作为一种可高空垂直位移的特殊载具， 在日常生活中使用的电梯种类很多， 其中曳引式电梯具备工作能力优、 安全性能高以及有效提高整部电梯运行功效等优点，故被人们普遍使用，但是曳引式电梯中轿厢和对重装置两部分的导轨从人工安装及后期监测维修都存在一定的难度，电梯长时间运行后无法实时、快速检测轿厢和对重装置的导轨部分是否发生变形、倾斜及断裂等故障，继而无法确保电梯内人员的安全问题， 如何有效在线监测曳引式电梯内轨道的平行度、 平面度将是目前亟待解决的首要技术问题。

在过去，导轨直线度、扭曲度检验都是采用人工检查方法，不仅费时费力，同时也无法保证检测精度，导致可信度不足[1-2]，目前国内有很多专家学者对电梯轨道平行度进行大量的研究与探索， 如张暖志使用激光投线仪调整曳引轮和导向轮的平行度的新方法， 用激光投线仪将轿厢中心线投射到不同位置上， 分别比较从曳引轮和导向轮出绳中心上放下的铅垂线与激光投射线的距离，从而实现对曳引轮和导向轮平行度的调整和检测[3]；李红利采用角速度传感器、 编码器和基于光敏位置传感器PSD的激光准直测量技术实现了对电梯单个导轨的垂直度、平面度以及双导轨平行度的测量[4]；秦煜等人使用激光网格投影到待测量的工件表面， 并使用改进的RANSAC 算法提取特征网格，然后使用SURF 算法进行图像特征点的提取和匹配， 并根据相机标定结果计算特征点的空间坐标， 最后根据特征点的空间坐标， 计算电梯导轨的平面度、平行度[5]。

综上可知，大多数检测方法尚未实现实时、快速的在线监测与分析， 尚未存在对曳引式电梯轿厢及对重装置两部分轨道平行度的整体研究， 故本文提出一种利用激光测距传感器、 方向传感器以及无线接收模块采集数据信息，采集数据到单片机中并进行相关的软件处理后，利用上位机的实时接收数据功能， 可存储电梯轨道当前数据信息， 利用上位机和下位机结合使用的同时实现曳引式电梯轨道在线快速、准确的监测，进一步提高曳引式电梯的安全性能。

1 系统设计思路及方法

1.1 系统整体设计方案

曳引式电梯轨道主要由供轿厢上下运动的主导轨和对重系统所搭配的副导轨构成， 而且导轨之间需要达到工业上要求的平行度和平面度， 即电梯导轨安装时和安装后双轨道的平行间距， 电梯导轨之间是否出现一定的倾斜角度，继而导致导轨不共面，故本文为了能实时在线监测轨道之间的平行度及平面度， 利用安装在各导轨导靴上的的激光测距传感器和倾角传感器， 采集激光测距传感器和倾角传感器检测的距离及倾角信号， 在已知时间和速度的情况下利用单片机计算当前位置信息， 将信息与获取的距离及倾角信号进行匹配， 根据不同工程所要求双导轨平行度的精度， 结合实时距离数值大小计算当前精度，对比实际检测精度和理想设定精度大小，当实际检测精度比理想设定精度偏差较大时， 标记当前检测的双导轨距离数值变化较大的地方；利用无线接收模块，将单片机所处理后的数据信息反馈到上位机显示屏中，可供工人实时在线监测双导轨的平行度及平面度。

上位机则是利用LabVIEW 语言所编写的显示界面，将所获取的距离及倾角信号数据以曲线的形式显示，结合数据信息重构当前电梯双导轨实际使用情况， 还可选取不同时间段来进行电梯双导轨数据的存储和分析，最终实现曳引式电梯轨道平行度及平面度实时在线监测与分析。

1.2 传感器的选型

1.2.1 激光测距传感器

电梯轨道平行度需要利用测距模块实时检测， 根据双导轨各点距离数值大小表征导轨之前是否平行， 并检测是否能达到工业级精度要求， 考虑电梯运行过程速度快、 工作情况较为复杂， 故需要激光测距的检测精度较高， 根据以上要求选取TFmini-S12m 高性价比激光测距模组， 主要利用激光雷达技术领域。 TFmini-S 拥有低成本、体积小、低功耗三大优点，并拥有多种接口，测量范围广可高大12m， 由于TFmini-S 体积小， 其盲区缩小至10cm、无惧环境光、最高支持1000Hz 输出，同时可UART、IIC、I0 通信接口随时切换。

激光测距的基本公式为：S=1/2×c×t，其中c 为大气中光速，t 为光波往返时间， 而测量时间t 可根据脉冲测距和相位测距获取。

1.2.2 倾角传感器

电梯轨道平面度需要利用倾角模块实时检测， 根据双导轨各点倾斜角度数值大小反应其是否在一个平面中，还可检测曳引式电梯单条导轨的倾斜程度，及时对故障区域进行预警。

倾角传感器用于各种测量角度的应用中[6]。 例如，高精度激光仪器水平、 工程机械设备调平、 远距离测距仪器、 高空平台安全保护、 定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、 火炮炮管初射角度测量、 雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测等等。 本次选用STM1x1x-A02P系列，使用芬兰VTI 公司的3D MEMS 传感器技术，抗震达20000g。 该产品都经过严格的零点，灵敏度，以及温度校正，适合精度要求比较高的应用，主要功能是倾角测量、零点对准、倾斜报警以及垂直监控。

1.2.3 无线接收模块

无线接收模块是一款具有自主知识产权、 采用专利技术的低电压微功耗ASK 超外差接收模块。 模块采用高性能RF 集成芯片以及高Q 介质谐振稳频技术， 内置温度补偿器电路及纹波抑制电路， 具有超小体积 （12×20×2mm）、低功耗（0.3mA）、低电压、宽电源电压范围、高灵敏度、高稳定性、高抗干扰、高性价比等特点，可以通过无铅认证、FCC、CE 各项指标认证， 是各种遥控系统及无线数据传输系统的理想选择。

1.3 软件设计

结合本次设计要求需进行软件设计， 即初始化激光测距传感器、倾角测量传感器及无线模块各个参数，采集距离和倾角数据信息， 利用串口通信将数据上传到单片机，进行距离、位置及角度之间的配合与转换，进行精度比较，验证平行度是否达到工业级精度要求，并将数据利用无线接收模块上传到上位机中， 即可实时、快速在线监测电梯轨道平行度及平面度。 程序流程图如图1 所示。

图1 程序流程图Fig.1 Program flow chart

2 实验验证

利用本次设计的在线监控系统对电梯轨道平行度及平面度进行监测， 在四层楼房的电梯装置上进行实验验证， 将监控系统中激光传感器和倾角传感器安装在导靴上，随着轿厢和对重装置的运行进行实时的检测，将无线接收装置分别安放在单片机和上位机两端， 可实现远距离发送与接收信号。打开上位机显示系统，进入当前主界面后，首先完成单片机与上位机的串口校验，利用无线接收模块完成单片机与上位机的通信， 再结合单片机处理激光测距传感器和倾角传感器的距离及角度信号数据，将其传递至上位机中， 其中实时测得的轿厢及对重装置两部分的距离与角度信号数据与实际工业要求的理想数据信号之间的偏差曲线图，见图2、图3。 曳引式电梯导轨间距的要求：两列导轨顶面间的距离偏差即精度要求：轿厢导轨为（0～2）mm；对重导轨为（0～3）mm。

图2 导轨距离偏差Fig.2 Distance deviation of guide rail

图3 各导轨角度偏差Fig.3 Angle deviation of each guide rail

重复几次试验后， 利用所获取的轿厢及对重装置两部分各导轨的距离及角度偏差值进行加权求平均值，得到最终的重复精度，见表1。

表1 重复精度数据Tab.1 Repeatability data of accuracy

3 结束语

根据所设计的曳引式导轨平行度在线监测系统，利用多种传感器相互配合使用，结合单片机编程使距离、角度及位置信息匹配， 同时将获取的数据信息反馈到上位机，进行实时标记和数据同步，经过多次重复实验发现其检测的精度为0.52mm 和0.068°，检测精度高，操作简单，最终实现曳引式电梯平行度及平面度的实时、 快速在线监测与分析。