电梯运行安全智能检测仪器

1. 电梯运行安全智能检测仪器 DT系列电梯加速度测试仪 XC系列电梯限速器测试仪 伍 先 达 中国科学院合肥智能机械研究所

2. 一、概述 自1889年由美国奥的斯升降机公司推出的世界第一部以直流电动机为动力带有安全保护装置的升降机，诞生了名副其实的电梯以来，随着现代科学技术的发展，特别是计算机技术的应用，现代电梯技术已步入一个更新更高的层次。从其梯速而言，已由当初乘电梯不如步行楼梯快，发展到今天的梯速超过10m/s的超高速阶段。而从其安全性能看，由于限速器—安全钳—缓冲器的连锁控制措施，使得电梯成为较之其它交通工具更为安全的垂直运输工具。随着社会的不断发展和现代化程度的提高，高楼大厦越来越多，电梯已成为现代社会生产、生活中所不可缺少的一种公共交通运输工具,成为现代物质文明的一个标志。

3. 一、概述 改革开放以来，我国的电梯业得到了高速发展，2002年我国的电梯年产量首次突破6万台，2003年我国电梯业生产的电梯、自动扶梯和自动人行道更是达到了8.5万台，2004年我国电梯生产总量已超过10万台，占全球总产量的1/3，使中国成为世界最大的电梯市场和世界最大的电梯生产国。但我国有13亿人口，在用电梯只有50余万台，和发达国家相比还有较大差距，电梯业仍然有较大的市场潜力。

4. 二、研制过程 电梯技术发展如此迅速，当然主要依赖于现代科学技术的发展，其中也包括电梯检测技术的不断发展这一重要环节。而在我国，虽然目前产量上去了，但由于检测手段的相对滞后，在保障电梯产品的质量和安全性能方面还不尽如意。面对国情，中国科学院合肥智能所率先从事电梯检测技术研究与仪器研发，先后有多项成果填补了国内空白。

5. 二、研制过程（续） 2001年以后我们在多年技术积累的基础上，根据最新的行业标准，运用更先进的技术手段，经过几年的努力，并在国家电梯质量监督检验中心及电梯业内专业人士的大力支持下，我们成功研制出了电梯运行安全智能检测仪器，该仪器适用于质量技术监督系统、商检局、电梯整机及配件生产厂家、电梯安装部门及大专院校相关专业等单位对电梯整机及配件的检测和校验。

6. 二、研制过程（续） 该项成果填补了国内空白，自仪器成功研制以来，即得到了业内人士的普遍欢迎和认可，目前该仪器已在国家电梯质量监督检验中心、上海交通大学电梯检测中心、上海三菱电梯公司、天津奥的斯电梯公司以及苏州、南京、深圳、武汉、济南等地质量技术监督系统试用，并得到这些用户的高度评价。

7. 三、仪器的设计原理与关键技术 （一）、DT系列电梯加速度测试仪 1、电梯加速度测试技术概述 电梯是一种机电一体化的复杂技术系统，电梯运行时所产生的加速度及振动加速度信号，无不饱含着从电梯结构设计的合理性（包括机械和电气），制造工艺的优劣以及安装调校效果的好坏等丰富的信息。因此，电梯整体性能试验已成为电梯性能研究，新产品的设计、制造以及评判安装质量的不可缺少的重要技术环节。而电梯加速度测量，则是为电梯整体性能试验提供重要信息和数据的技术手段。

8. 1、电梯加速度测试技术概述（续） 在国内外市场上，各种通用的高、中、低档的测振仪器可以说是规格齐全，品种繁多，但由于电梯加速度测量的长过程记录以及数据分析的独特性和复杂性，使得通用的仪器难以发挥应有的作用。以前电梯行业中加速度的测量都是采用模拟式波形记录测试系统，经手工取值计算、分析而完成的，可以说是一个经典的方法。直至我们开发的DT系列电梯加速度测试仪问世以后，经典的示波法，才逐渐被淘汰。

9. 1、电梯加速度测试技术概述（续） DT系列电梯加速度测试仪是根据国标GB/T10059—1997《电梯试验方法》中的有关要求而设计的专用电梯测量仪器，自投放市场后，经过不断地完善，基本上取代了国产及进口的大量模拟量的测试仪器，为电梯运行的质量控制提供了实用的有效的检测手段。

10. 2、主要功能 ①电脑控制的实时在线检测，能自动识别电梯运行的不同过程并进行数据的计算和处理，完全排除人工干预，精度高，其中核心部件采用高性能的嵌入式计算机系统，以保证仪器功能强，抗干扰能力强，运行稳定，低故障发生率。

11. 2、主要功能(续) ②可显示或打印出加速度、速度、加加速度及三方向振动加速度等六条曲线，并给出隶属于电梯启制动特性及振动特性测量规范的所有参数。 ③采用5.4英寸液晶点阵图形平板显示屏，可实时连续显示动态振动曲线，指示当前工作状态，显示测试结果等。显示屏带有背光源，以便能在较暗的环境中使用。

12. 2、主要功能（续） ④大容量存储器，自动存储大量测试数据，可随时调出查看、打印；带有RS–232通讯口，可将测试数据回放计算机内，用以存档或进一步分析。 ⑤利用快速傅立叶变换（FFT）对振动信号进行频谱分析，可作通用低频振动分析仪器使用。 ⑥可选择交流电或机内自备电池供电，具有数据掉电保护功能。

13. 3、主要技术指标： ① 量程： 垂直测量：静态校准0-980cm/s2，动态测量0-500cm/s2； 水平测量：静态校准0-98cm/s2，动态测量0-50cm/s2 ② 精度： 整机动态标定精度 ≤2% ③ 基线噪声：垂直≤5cm/s2，水平≤1.0cm/s2 ④ 频响 ：根据不同测量要求分为0～30Hz，0～100Hz ⑤ 电源： AC 220×(1±10%)V，50×(1±2%)Hz 机内自备电池供电：使用时间＞2小时；充电时间8～12小时 ⑥ 体积：360×335×165 mm3

14. 4、结构及工作原理： 本仪器由加速度传感器、低通滤波器、放大电路、A/D变换器、计算机处理系统、液晶显示屏、微型打印机等组成，其结构原理如图（1）所示。由传感器获取的加速度信号，经滤波、放大和A/D变换后，送入计算机系统，由计算机信息处理将运行曲线实时地在液晶屏上显示出来，同时对数据进行实时处理，自动识别电梯运行的各个过程，并得出相应参数。测试完毕后，根据用户的不同要求，可以将曲线及参数在液晶屏上显示出来或通过打印机打印出来，也可将曲线数据存储并进行频谱分析。

15. 4、结构及工作原理： 图（1）

16. 5、硬件设计及关键技术的解决： ①传感器：一般来说，电梯轿厢加速度的频率范围为0—100Hz，加速度值为200cm/s2（垂直测量）或50cm/s2（水平测量）以下。由于这是一个低频低加速度的测量，加之测量时采用90°静态翻转，以重力加速度作现场校准的方法，因此传感器应选择具有零频响应，低频响应好、分辨率高的压阻式或差容式加速度计。本系统选择了美国IC SENSORS公司原装进口的3140型传感器，量程为±2g，频响为0—250Hz，精度为±0.2%量程。经实践证明，该传感器能很好地满足电梯加速度的测量要求。

17. ②计算机处理系统及液晶显示屏： 计算机处理系统我们选择的是嵌入式PC/104模块，它实际上相当于1个486计算机，具有486计算机的全部功能及接口，但同时又具备嵌入式控制的特殊功能要求，即超小尺寸，超低功耗，宽温度范围以及工业级、高品质、长寿命的器件选择，该计算机系统与传统的单片机系统相比，具有功能强大、运算速度快，易于编程，以及极高的可靠性。 显示屏我们选择的是5.4英寸LCD点阵图形平板显示屏，为单色320×240，显示效果非常理想。

18. ③其它器件： a.低通滤波器：由于在国标中要求获得信号的频率分两种情况：在测量起制动加速度时为0～30Hz；在测量振动加速度时（分垂直振动和水平振动）为0～100Hz，因此我们选择了美国美信公司的滤波器芯片，该芯片为单路8阶低通滤波器，可通过时钟编程确定截止频率，使用非常方便，各项指标亦能达到设计要求。

19. b.A/D变换器： 根据设计要求A/D变换器必须要有较高的分辨率和较快的转换速度，为此我们选择了美国美信公司的A/D芯片，该芯片为14位转换精度，转换时间为9.4μs，封装为16脚双列直插，串行数据输出，体积小巧，使用方便。

20. 6、软件设计及关键技术的解决： ①本系统软件采用 高级语言编程，程 序设计采用结构化 和模块化相结合的 方式，具体软件框 图见图（2）。 图（2）

21. 　②小波分析功能的应用： 小波分析做为一种有效的信号处理方法，在信息获取中受到越来越广泛的重视。它能将由各种不同频率成分组成的混合信号分解到不同的频率段上，有效地用于滤波和信噪分离。本仪器基于小波分解与重构理论，对电梯加速度信号进行滤波处理。结果表明小波去噪法能很好地完成滤波功能，并且滤波的效果优于传统的方法。通过对轿厢运行加速度曲线的分析，可得到电梯起动、制动及振动特性，进而分析电梯的驱动系统性能及安装质量，从而可以判断电梯故障以及寻找故障源 。

22. 　②小波分析功能的应用（续） 使用本公司的电梯加速度测试仪对试验电梯进行轻载荷起制动试验，采样取频率fs=250Hz，所得到的加速度信号曲线如图（3）所示。从图中可见所测得的原始信号中含有大量高频噪声，我们必须对其进行滤波处理，以获得我们所关心的低频信号。 图（3） 由加速度测试仪所测得的原始加速度信号

23. 　②小波分析功能的应用（续） 根据离散小波的滤波特性，对原始信号进行多级分解，分解出的平滑逼近信号就能很好的描述轿厢运行的加速度。按照离散小波变换对信号频带的划分特点，对采样频率为250Hz的原始信号进行分解，当分解到第三层时，其平滑逼近信号占有的频带为0～31.25Hz，这正是我们感兴趣的低频信号。选取db10小波，对原始加速度信号进行三层离散小波变换，然后把反映干扰和噪声频率的那些尺度低的小波变换系数去掉，根据Mallat的重构算法得到的重构信号用第三层的离散逼近系数重构信号，可以得到清晰的加速度曲线，如图（4）所示。

24. ②小波分析功能的应用（续） 图（4）经由小波方法滤波后所获得的信号

25. ③模糊处理： 在本仪器中模糊信息处理方法主要应用于加速度图谱处理中的“编辑”功能，该功能是目前所有国内外同类产品中所没有的。所谓“编辑”功能，即只绘制加、减速和抱闸三个过程的波形图，而匀速阶段将仅记录最初的0.4s行程，作为各行程间隔的过渡段，该功能的最大特点是将图谱中不参与运算的部分剔除掉，突出主要部分并将其放大，以利于测试人员进行分析处理。

26. ③模糊处理（续） 实现该功能的最大难点在于仪器要自动判断电梯的起动时刻，进入匀速段的时刻，开始制动时刻和运行结束时刻。由于电梯的种类繁多，速度各不相同，因而上述功能的实现显得尤为困难。在本仪器的开发过程中，我们做了大量的现场实验，获得了大量的第一手资料，在此基础上我们运用模糊信息处理方法进行判断，找出相关的隶属度函数，确定模糊规则和模糊推理方法。实践证明，采用模糊处理方法可以很好的实现上述功能。

28. 7、准确度标定： 该仪器送至国家法定计量部门进行动态标定和测试，主要性能指标如下： a） 线性度实验： 在10.5Hz频率下,测试 2m/s2,1.5 m/s2,1 m/s2,0.5 m/s2四点，其最大相对误差不大于2%，为合格； b） 频响实验： 在测试振幅为2 m/s2下，检测21Hz,10.5Hz,5.2 Hz, 2.6 Hz四个频试点，频带内不平度：＜0.5db。

29. 一台编号为01030701-18的DT-3电梯加速度测试仪，送中国计量科学研究院进行标定测试，主要计量器具 设备为低频振动台（国家计量副基准，不确定度1%）， 证书编号：LXv12003-0123，测试结果如下：

30. 标准（m/s2） 频率（Hz） 21．00 2．00 10．50 1．50 5．20 1．00 2．60 0．50 示值（m/s2） 示值（m/s2） 2．01 2．01 2．01 1．50 2．01 1．00 2．01 0．50 频率响应 加速度：2.00m/s2 线性 频率：10.50Hz 该台仪器的线性度实验和频响实验均为合格。

31. （二）XC系列电梯限速器测试仪 1、前言： 限速器是电梯的一个重要安全部件，当轿厢超速运行达到规定的速度范围后，由限速器先动作，后启动安全钳，把轿厢夹紧在导轨上，从而实现可靠的安全保护。因此，限速器的现场检测，尤其对于使用多年的老电梯则是一个事关人身安全的必检项目。

32. 1、概述（续） 根据我们对电梯行业的了解，这种便携式的现场测试仪器以前是没有的，只能用转速表测量，不精确，也不方便。往往事倍功半，许多人为因素无法排除。个别单位有自制的方式检测设备，但因设计笨重而无法在现场使用。国外有极少数国家有类似仪器，但一般属大马拉小车，非专用仪器，且价格昂贵，因而使用者甚少。

33. 1、概述（续） XC系列限速器测试仪正是根据技术监督检测的普遍要求而研制的一种便携式的现场测试仪器，该仪器为国内首创，目前已广泛应用于各级技术监督检测部门对限速器的校验，上海东方明珠电视塔的6m/s的限速器即是用该仪器测试的，并获得一致好评。

34. 2、性能指标： （1） 主要功能： ①可测量动作速度为0.5m/s～10m/s 的各种限速器。 ②可测含有电触点开关的限速器在其开关动作时的轮盘线速度。 ③可跟踪显示限速器轮盘旋转线速度。 ④能自动捕捉限速器的动作速度，并立即停止电机的转动。 ⑤ 可自动打印出限速器的动作速度及触点动作时的轮盘线速度， 并可重复打印。

35. （2）技术指标： ①调速范围：0.5～10m/s(分段设定) ②测试时伺服加速度：≤0.02m/s2 ③速度测量误差：≤1% ④电机的额定驱动力距（三种可选）： 1800克·厘米， 3000克·厘米，6500克·厘米 ⑤电源：AC220×(1±10%) V，50×(1±2%)Hz ⑥体积：330×270×155 重量：8.5Kg

36. 3、设计原理： 本仪器设计主要依据上面列出的功能指标和技术指标，考虑到限速器均安装在楼顶及其不可移动性，该仪器整机设计为小型便携式结构，系统以MCS—51单片机系统为核心，配有数码管显示和小型打印机，以小型直流电机作为限速器轮盘的驱动，用霍尔传感器对限速器轮盘线速度进行直接检测，以光电码盘传感器对电机速度进行反馈，实现对电机速度的闭环PID控制。其原理框图如图（5）所示。

37. 3、设计原理（续） 图5 原理框图

38. 4、技术实施及关键技术的解决： 硬件设计： 本仪器选用的是MCS-51单片机系统，CPU选用的是8751芯片，内带4K程序存储器。系统时钟频率为12MHz，每条指令的的执行时间均在4μs之内，故能满足实时控制的需要。键盘显示芯片为MAX7219，该芯片可以驱动16个8段数码管。D/A选用的是MAX515，为10位转换精度，用于控制直流电机驱动电路中可控硅的触发角度，继而控制驱动电路的直流输出电压。

39. 直流电机驱动 采用小功率伺服直流电机进行调压调速，调压线路为单相桥式整流线路。伺服直流电机调速性能好运转稳定可靠。其基本线路如图（6）所示。 图（6）

40. 软件设计： 本系统软件主要完成以下3个主要任务： a、对键盘进行监控，接受预置参数和键盘命令。接受霍尔传感器和光电码盘传感器传来的2路速度信号，经换算后送MAX7219芯片，在数码管显示器上双通道显示。 b、以光电码盘传感器做为速度反馈，完成速度闭环的PID运算，然后通过D/A芯片向直流电机驱动电路输出控制信号。 c、 监测限速器的运行情况，自动捕捉限速器的动作速度，并自动打印出限速器的动作速度及触点动作时的轮盘线速度。

41. 主要技术特点 （1）仪器设计的最突出的特点就是由MCS—51单片计算机系统来实现对电机转速的闭环PID控制，从而确保了电机调速的精度以及全数字化输入界面。用户可以通过仪器的按键送入精确的限速器转动线速度，其数值可以精确到0.001m/s，然后按动“启动”键，即可由单片机系统启动电机的转动，并自动保持在预置的线速度；

42. 另外，通过单片机的控制，可以实现电机精确的匀加速度转动，其匀加速度值可以任意确定，在本仪器中该值内定为0.01m/s2，因为根据国家标准GB7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中有关限速器特性检查的F4.2中所述：“应以尽可能低的加速度来达到限速器的动作速度，以便消除惯性的影响”。目前，许多国内外大电梯公司对该加速度值的要求为≤0.02m/s2，因此，本仪器的0.01m/s2的加速度值可以确保对限速器的精确测量。另外，通过单片机的控制，可以实现电机精确的匀加速度转动，其匀加速度值可以任意确定，在本仪器中该值内定为0.01m/s2，因为根据国家标准GB7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中有关限速器特性检查的F4.2中所述：“应以尽可能低的加速度来达到限速器的动作速度，以便消除惯性的影响”。目前，许多国内外大电梯公司对该加速度值的要求为≤0.02m/s2，因此，本仪器的0.01m/s2的加速度值可以确保对限速器的精确测量。

43. （2）限速器轮盘旋转线速度的非接触测量，这也是本仪器的突出特点之一。本仪器采用的方法是用小磁钢贴在限速器的轮盘上，通过霍尔传感器，将相关信息输入单片计算机，由单片机对相关信息进行数据处理，即可得到该限速器的最终动作速度。用该方法测试，与通常的用数字转速表测量进行比对，我们发现其具有测试结果准确，稳定可靠，一致性好，直接给出最终的线速度值而无需换算；特别是在现场测量时，操作更加简便。

45. 5、 准确度检定： 该仪器每台均送至国家法定计量部门进行检定，须检定的主要性能指标如下： a)速度测量误差：±1%； b)伺服加速度：≤0.02 m/s2。

46. 例如，一台编号为03030702-54的 XC系列电梯限速器测试仪，送安徽省计量测试研究所进行测试，主要计量器具为CN3165B频率计、飞亚达电子秒表、GPC3030D直流稳压电源，证书编号：DC2004-3-020370，测试结果如下：

47. 检测序号i 周期实际值Bi(s) 被检速度显示值Vi(m/s) 速度实际值Vi’(m/s) ΔVi (m/s) ΔVi/Vi’ 实际值（%） ΔVi/Vi’ 允许值（%） 单次检测结果 1 1.214 1.03 1.035 0.005 0.5 ≤1% 合格 2 1.213 1.03 1.035 0.005 0.5 合格 3 1.213 1.03 1.035 0.005 0.5 合格 4 1.213 1.03 1.035 0.005 0.5 合格 5 1.213 1.03 1.035 0.005 0.5 合格 6 1.212 1.03 1.036 0.006 0.6 合格 7 1.213 1.03 1.035 0.005 0.5 合格 8 1.211 1.03 1.037 0.007 0.7 合格 ◆ 速度检测：在L=0.628m，V0=1m/s下检测 上表中速度实际值 当V0=1m/s时, ≤1% 为合格

48. 检测序号i 周期Bi实际值(s) 速度实际值Vi(m/s) 实际值(m/s2) a=(V2-V1)/t(%) 允许值 a=(V2-V1)/t(%) 结论 1 1.210 1.038 1.033 ≤2m/s2 合格 2 1.053 1.193 在L=0.628m，V0=1m/s, t=15s 下检测 ◆伺服加速度检测： 速度实际值 伺服加速度 当a≤0.02m/s2为合格

49. 型号 性能 DT-2J DT-3 DT-4 珠海啊尔法 EVA-625 （美国） 系统 单片机系统 嵌入式计算机PC/104 单片机系统，与计算机 USB接口连接 单片机系统，与计算机串口连接 单片机系统，与计算机串口连接 传感器 美国进口 单轴向 美国进口 单轴向 美国进口 三轴向 美国进口 单轴向 三轴向 显示 数码管 5.4英寸液晶显示屏 实时动态波形显示 点阵式液晶显示屏 无 字符式液晶显示屏 打印 针式微打 针式微打 无 无 无 频谱分析 无 有 有 有 有 小波分析 无 有 有 无 无 模糊处理 有 有 有 无 无 四、国内外同类产品比较 电梯加速度测试仪

50. 性能 DT-2J DT-3 DT-4 珠海啊尔法 EVA-625 （美国） 存储情况 不能存储 100分钟的测试曲线 12分钟的测试曲线 不能存储（无法单独使用） 700秒 滤波 30Hz 100Hz 低通滤波器 30Hz、100Hz 低通滤波器 数字滤波 滤波频率可选 数字滤波 滤波频率可选 80Hz、160Hz 低通滤波 电源 自带电池 自带电池 自带锂电池 自带电池 自带酸铅电池 体积 450×340×150 360×335×165 300×240×110 250×150×60 273×247×127 重量 8Kg 8Kg 4Kg 3 Kg 4.3Kg 电梯加速度测试仪 型号 ★专用便携式电梯限速器测试仪目前市场上未见到同类产品。