曳引电梯振动信号检测系统的设计

2021-07-15周茗皓

机械工程师 2021年7期

周茗皓

（安徽省特种设备检测院电梯检测二中心，合肥 230051）

0 引言

随着现代高层建筑的不断发展，曳引电梯已经成为大众日常生活中不可或缺的垂直交通工具。有数据表明，2000年以来我国电梯保有量持续增长，截至2018年底，电梯设备总量已达到627.83万台[1-2]。为了保障乘客使用电梯时的安全，国家制定了许多与电梯相关的管理条例，确保设备稳定工作。曳引电梯的振动主要体现在两个方面：一是曳引机运行的不稳定引起的电梯振动，同时曳引机运行不稳定的因素也有很多；二是电梯轿厢在移动时的不稳定，这也直接影响了用户在使用时的体验。通过对轿厢和曳引机振动信号的分析，可以及时掌握电梯的运行状态信息，为后续的故障诊断和排除提供极大的帮助[3]。

基于此，设计一套曳引电梯振动信号检测系统。将压电式加速度传感器安装到轿厢及曳引机减速器上，可以实时采集曳引电梯各部分的振动信息。压电式传感器一般以弹簧质量系统为理论依据，将测得的加速度信号转变为电荷信号，便于后续信息的采集。同时采用STM32作为核心控制器，保障了数据的快速运算和传输，并且可以将采集到的振动信息实时显示在屏幕上，另外还可以把数据保存到SD卡中便于后续使用。该系统可以快速准确地检测出曳引电梯的振动信号，为电梯设备检测人员提供极大的帮助。

1 整体方案设计

曳引电梯振动信号检测系统以STM32F429芯片为核心，通过压电式加速度传感器监测电梯轿厢和曳引机的振动信号，经芯片控制，实现对振动信号的采集[4]。系统的总体框架为：传感器模块选用压电式加速度传感器，将加速度信号以模拟量的方式输送给信号调理模块。采集的信号经过调理后送入A/D转换芯片，并将模拟信号转换成数字信号，STM32控制芯片通过SPI进行接收，并将数据缓存在SRAM中。系统原理框图如图1所示。

图1 振动信号检测系统原理图

2 硬件电路设计

2.1 信号采集模块

振动信号采集模块选用压电式加速度传感器，具体型号为朗斯测试技术公司生产的LC0151T。该系列传感器内部集成了一个微型放大器，将传统的传感器和电荷放大器置于其内，有效地提高了传感器采集信号的准确性，原理简图如图2所示。LC0151T传感器的灵敏度为150 mV/g，量程为33g,频率范围为0.7～13 000 Hz（±10%），谐振频率为40 kHz，分辨率为0.0002g，具有抗干扰、噪声小、稳定可靠等特点，安装方便，尤其适用于多点测量[5]。在电梯振动信号监测点的选择上，将传感器布置在轿厢和曳引机两个位置。对于轿厢的检测可将传感器放置在轿厢的3个方向面壁的中心位置，对于曳引机的检测则将传感器安装在减速器上，从而有效地检测曳引电梯系统的振动情况。

图2 LC01系列传感器与外接调理器原理简图

2.2 信号调理模块

LC01系列内装IC压电加速度传感器由压电加速度传感器和微型IC放大器组成，需要另外提供电源才能工作，且需要时恒流源，其典型值为4 mA、24 V。另外，该传感器的输出原理是在采集到振动加速度信号后将信号和内部的直流电压混合进行输出，因此需要对输出的信号进行一定的处理才能使用。通过综合考虑，选用LC0207恒流源模块，该模块可以和LC0151T传感器相匹配对其输出信号进行信号调理，可以为其提供18～30 V、4 mA的恒流源[6]。并且通过RC高通滤波隔直输出，去除叠加在振动信号上的直流偏压，保留交流加速度信号，其原理图如图3所示。

图3 LC0207恒流源模块原理图

2.3 A/D转换模块

由于传感器产生的信号为模拟量，STM32控制器不能直接读取，需要通过外部电路将模拟信号转换成数字信号。同时考虑到STM32的内部供电电压输出不稳定，驱动能力不足，选用数据精度和采集速度较高的A/D转换模块AD7606[7]。相比于STM32片内A/D，AD7606转换模块最高可支持8通道16位精度的同步采样，所有通道采样速率均可达200 kSPS。并且AD7606内置模拟输入箝位保护和二阶抗混叠模拟滤波器等，可进行灵活的并行/串行接口，其模拟输入电路如图4所示。

图4 AD7606模拟输入电路图

2.4 数据显示及存储模块

数据显示模块使用USART HMI智能串口屏，型号为TJC8048K070_011R，电阻式触摸接口电平支持3.3 V/5 V，工作电压为4.75～7 V。屏幕界面显示可以通过配套软件在PC端进行设计，并下载到屏幕里[8]。该串口屏不仅可以满足对文本及数据内容的显示，还可以实现对图形和曲线的显示需求。

在采集到曳引电梯的振动信号后需要将信息保存到SD卡中，为后续的分析处理提供方便。STM32F429控制器支持SDIO通信模式，可以方便地对SD卡进行读写通信操作[9]。STM32控制器的SDIO引脚被设计后是固定不变的，采用4根数据线模式，且对于命令线和数据线需加上上拉电阻，硬件连接图如图5所示。

图5 STM32与SD卡连接图

3 系统软件设计

软件系统主要包括初始化子程序、AD模块读写子程序、数据存储及显示子程序等。程序流程图如图6所示。程序启动后，加速度传感器采集电梯振动信号，然后信号调理模块对信号进行滤波，使得最终信号可以被A/D模块读取。STM32控制器输出PWM波来控制A/D转换模块的CONVST A/CONVST B引脚，并通过改变PWM波的频率来控制A/D转换模块的采样频率。采集到的数据经STM32控制器处理后在屏幕上显示并存储在SD卡中。