基于MEMS加速度传感器的电梯运行特性检测*

2021-11-25陈建勋邰胜林杨宁祥梁敏健彭晓军

起重运输机械 2021年20期

陈建勋邰胜林杨宁祥梁敏健彭晓军

1广东省特种设备检测研究院珠海检测院珠海 519002

2珠海市安粤科技有限公司珠海 519000 3华南理工大学广州 510641

0 引言

电梯乘运质量检测是评估电梯运行控制参数合理性以及乘客乘梯体验感的重要手段。根据GB/T 24474.1—2020《乘运质量测量第1部分：电梯》，电梯乘运质量检测报告应包括一般信息、乘运质量结果和运行特性结果3部分内容，其中运行特性参数是电梯乘运质量评估时的重要参考数据[1]。GB/T 24474.1—2020《乘运质量测量第1部分：电梯》中规定，乘运质量测量仪器应满足GB/T 23716—2009《人体对振动的响应测量仪器》的要求[2]，即需采用振动或冲击传感器进行检测，实际应用时主要使用三轴加速度传感器对电梯运行过程中加速度进行记录并依据加速度参数进行振动特性参数和运行特性参数计算。通过在线采集电梯上下运行方向加速度数据，经滤波、积分、线性拟合等手段可对速度、加加速度、位移等参数进行进一步分析[3]。EVA-625乘运质量测试系统（以下简称EVA-625）是国外某公司设计制造的一款电梯运行品质综合检测仪器，该仪器可精确记录电梯运行过程中的速度、加减速度、加加速度、位移、噪声等信息，已成为国内外知名电梯制造企业、电梯检验检测机构乘运质量检测和验收的标准[4，5]。

微机电系统（Microelectro Mechanical Systems）传感器，简称MEMS传感器，是近年来高速发展的一类新型传感器，采用微电子和微机械加工技术制造，直接封装成芯片形式应用，该类传感器相对于传统传感器，具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、易于直接集成等优势。其中，MEMS加速度传感器已广泛应用于道路交通[6,7]、医疗健康监测[8,9]、工业自动化[10]等加速度或振动检测、监测场合，应用该传感器也可实现电梯运行特性参数的快速、便捷、低成本检测。本文基于MEMS加速度传感器和单片机研发了电梯运行特性检测装置，采用EVA-625和该检测装置同时进行电梯运行特性参数测试，并对两者测试数据进行了对比分析。

1 运行特性参数

GB/T 24474.1—2020《乘运质量测量第1部分：电梯》中规定的运行特性参数包括速度参数、加减速度参数、加加速度参数，速度参数包括最大速度、V95速度，加减速度参数包括最大加速度、最大减速度、A95加速度、A95减速度，加加速度参数主要检测电梯运行过程中最大加加速度[1]。GB/T 10058—2009 《电梯技术条件》3.3节中关于整机性能有这样的要求：乘客电梯起动加速度和制动减速度最大值均不应大于1.5 m/s2；当乘客电梯额定速度为1.0 m/s＜v≤2.0 m/s时，按GB/T 24474—2009《梯乘运质量测量》测量，A95加、减速度不应小于0.50 m/s2；当乘客电梯额定速度为2.0 m/s＜v≤6.0 m/s时，A95加、减速度不应小于0.70 m/s2[11]。电梯运行特性参数及定义如表1所示。

表1 电梯运行特性参数定义

2 测试装置开发

2.1 硬件

电梯运行特性加速度采集硬件装置如图1所示，包括电子模块和配重板。电子模块包括数据采集模块和数据通讯模块，两者紧密固定连接。

图1 加速度采集硬件装置

数据采集模块用于对MEMS加速度传感器芯片数据进行在线采集，采样率为每秒500 Hz，MEMS芯片采用Anolog Devices公司的ADXL序列三轴加速度数字传感器芯片，该传感器具有13位采样分辨率，体积小巧，运行功耗低，成本较低，且可根据需求设置加速度测试量程范围。使用时将MEMS传感器量程设置为±2 g可满足大部分电梯运行特性检测要求。测试装置主芯片采用ST意法半导体公司Cortex-M系列高性能处理器STM32F750，该单片机时钟频率为216 MHz，具有64 kB Flash存储空间，尤其适用于大量数据高速运算与存储。测试过程中连续获取的加速度数据暂存于主芯片内部存储空间。数据采集结束后，主处理器将获取的加速度数据整理打包后发送到通讯模块，通讯模块通过USB端口与个人计算机相连，将数据发送到计算机。

电子模块固定于配重板上表面，配重板选用质量为1 kg的 304不锈钢钢板，其边缘固定安装3个呈三角形分布的螺栓支腿，测试时螺栓支腿直接与轿厢地板接触。如此，可使测试装置对轿厢地板产生足够大的压强（测试装置对轿厢地板的压强不低于60 kPa，以模拟人体乘梯时所受轿厢地板的压强），并确保加速度数据不因检测装置和地板表面产生阻尼或额外振动而失真。

2.2 分析软件

通过Matlab GUI工具开发数据分析软件，对测得的轿厢加速度数据进行分析，得出运行特性参数。软件分析主界面，包括数据文件选择区和分析结果显示区，选择目标数据文件后一键式操作可进行后台数据分析，分析结果可通过文本和曲线形式显示。

3 现场测试

采用研发的测试装置对某8层8站的乘客电梯进行运行特性检测，测试前将装置和EVA-62放置于轿厢地板中心部位，并使板载MEMS加速度传感器的X轴和EVA-625的X轴指向轿门，Z轴垂直电梯地板。操作人员控制电梯运行至底层端站，打开轿门，内呼顶层端站，随后触发测试装置和EVA-625数据采集，关闭轿门，电梯自动上行至顶层端站，待轿厢停止、轿门打开后，关闭测试装置和EVA625数据采集，完成加速度数据获取。测试结束后数据采集模块将数据上传并以txt文本格式存储于计算机硬盘，待后续分析软件计算。利用EVA625随机提供的乘运质量分析软件对其数据U盘中数据文档进行分析，得出运行特性参数进行对比。

4 数据分析

4.1 数据滤波

根据GB/T 24474.1—2020《乘运质量测量第1部分：电梯》，进行电梯运动特性分析前，应先对传感器Z轴原始加速度数据进行二阶巴特沃斯低通滤波，滤波截止频率为10 Hz。巴特沃斯低通滤波器可确保通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，有效滤除高频干扰。根据数据采集频率、滤波截止频率和滤波器阶数，采用Matlab Filter Design & Analysis应用程序设计出该数字滤波器的Z变换传递函数为

原始Z轴加速度数据滤波前后数据曲线如图2所示，电梯起动时加速度逐渐变大，经过一定时间匀加速阶段后逐渐变小到零，电梯进入匀速运行阶段，电梯停止时减速度逐渐变大，经过一定时间匀减速阶段后逐渐减小到零，电梯停止运行。由对比图2a和图2b可知，数字滤波后在保留数据趋势不变时加速度曲线明显平滑，后续运动特性参数计算均以滤波后的加速度数据为依据。

图2 二阶巴特沃斯滤波器滤波前后加速度曲线

4.2 最大加减速度

加减速度反映人体受轿厢地板压力的大小，量化最大加速度和最大减速度可用于评判电梯与乘运质量结果对应的运行控制设置是否合理。最大加速度是电梯起动时加速度信号的最大值，对应图2b中数据最大值，最大减速度是电梯制停过程减速度信号的最大绝对值，对应图2b中数据最小值的绝对值。

4.3 A95加减速度

如图3所示，A95加速度值在加速过程中最大速度的5%～95%范围内进行统计计算，该范围内95%的加速度数据均小于该值。A95减速度值在减速过程中最大速度的95%～5%的范围内进行统计计算，该范围内95%的减速度数据绝对值均小于该值。

图3 A95加减速度计算区间示意图

4.4 最大速度和V95速度

采用复化1/3Simpson方法对巴特沃斯滤波后Z轴加速度进行数值积分，计算出速度序列，t时刻数值积分速度计算公式为

式中：v(t)为t时刻速度，h为加速度数据序列的时间步长（500 Hz数据读取频率对应时间步长为0.02 s），a(0)为初始时刻加速度，a(t)为t时刻加速度，n为积分区间内数据个数。

最大速度为电梯运行全周期范围内，速度绝对值的最大值。如图4所示，统计计算V95速度的界限范围为从加速阶段最大速度Vmax1的95%对应数据所在时间点的后1 s到减速阶段最大速度Vmax2的95%对应数据所在时间点的前1 s。在该计算界限范围内95%的速度值均小于V95速度。

图4 V95速度计算界线范围示意图

4.5 运行距离

用复化1/3 Simpson方法对速度数据进行数值积分，计算出运行位移序列，t时刻数值积分位移计算公式为

式中：s(t)为t时刻位移，v(0)为初始时刻速度，v(t)为t时刻速度。

以轿厢上行为例，计算出的时位移-时间曲线如图5所示，运行距离为从开始起动到完全制停过程中总位移值。

图5 电梯上行时位移-时间曲线

4.6 最大加加速度

加加速度可用于表征电梯运行时乘客所受力的冲击大小，量化加加速度也可用于评估与乘运质量结果对应的运动控制设置合理性。在滤波后加速度数据中，取一段持续运行加速度数据区间的中点（区间长度一般为0.5 s），运用最小二乘法对该区间数据进行线性拟合，计算出斜率作为中点处加加速度值。计算出运行时间范围内所有采样时间点的加加速度，曲线如图6所示。最大加加速度为加加速度绝对值的最大值，一般发生在电梯起动和制停阶段。

图6 加加速度曲线

5 结果分析

测试装置和EVA-625同时测得的电梯上行和下行结果如表2所示。可知，2套装置测得的电梯运行特性参数基本一致，速度参数最大偏差为0.005 m/s，加速度参数偏差在±0.01 m/s2范围内，最大加加速度最大偏差为0.08 m/s3，计算出的运行距离最大偏差为0.11 m。采用MEMS加速度传感器开发的测试装置可实现电梯运行特性参数的准确测试。