基于飞行时间的电梯制动性能检测装置设计*

傅倩倩 马海霞 李中兴



基于飞行时间的电梯制动性能检测装置设计*

傅倩倩1马海霞2李中兴1

（1.广州特种机电设备检测研究院 2.华南理工大学广州学院电气工程学院）

针对目前电梯制动器现场检测主要靠目测和验证性试验完成，缺乏可靠仪器进行现场检测的现状，设计一套便携式电梯制停参数检测装置。该装置基于飞行时间的测距技术和微机电系统电容式加速度传感器的测量原理，对电梯制停过程中的制停距离和平均制停减速度进行测量，结合制停时间，综合判断电梯制动性能。试验结果表明：该装置测得电梯加速度与现有方法测试结果吻合，且制停距离测量偏差减小了75%。

电梯安全；制动器；飞行时间；制动性能

0　前言

电梯制动系统是保障电梯安全运行的重要组成部分，电梯的大部分运行控制和安全保护，都要依赖制动系统的动作得以实现[1-3]。制动器制动力矩不足、制动机构出现卡阻、控制系统电气粘连等现象，都可能造成制动器制动安全功能失效，导致电梯坠落、冲顶和剪切等恶性事故的发生[4-5]。国内外学者在电梯制停参数检测领域已经开展多年研究，并取得一定的成果[6-10]。其中美国奥的斯电梯公司的Juan A. Lence Barreiro等人，在专利20110240414中提出了用于监视电梯装置的系统，包括检测器和监视装置，检测电梯状况或事件，并监视相关联的电梯轿厢的状态，对于异常现象进行监测并输出；上海大学的陈红、冯永慧和冯玉豹等学者借鉴汽车鼓式制动器的工作原理到电梯制动器的研究，开发了一种具有制动功能的电梯滚动导靴，并利用SolidWorks软件对其进行三维建模。虽然上述研究都可以间接监测制动器的动作情 况，但仍难以实现直接测试制动器性能。近年来，因电梯制动器故障引起的事故仍时有发生，有些甚至引发严重伤亡[11-12]。为提高电梯检测水平，减少事故的发生，本文设计基于飞行时间（time of flight，TOF）的电梯制动性能检测装置，基于TOF的测距技术和微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）电容式加速度传感器的测量原理，采用ARM处理器对电梯制停过程中的制停距离和平均制停减速度进行测量，提出量化检测制动性能的方法。

1　硬件设计

基于TOF的电梯制动性能检测装置结构图如图1所示。该装置主要由传感测量单元、信号采集单元、ARM处理单元和人机交互单元4部分组成。测量过程为：电梯正常运行达到额定速度，仪器实时采集电梯的位移和加速度；断开电源，当电梯滑行停止后得到制停距离和平均制停减速度的测量值。

图1　基于TOF的电梯制动性能检测装置总体硬件结构图

1.1装置主控电路设计

ARM处理器STM32103RC在电梯制动性能检测装置中起到核心作用，完成所有的数据处理和控制功能。STM32103RC的最小系统由数字电源、模拟电源、复位电路、调试电路和时钟振荡电路等部分组成，原理图如图2所示。

图2　主控电路原理图

1.2距离采集电路

采用基于TOF测距技术的距离传感器LDM41采集的距离数据信号是负逻辑RS232电平，而ARM处理器采用的是正逻辑TTL电平，因此距离数据信号无法直接被ARM处理器识别，需要通过RS232与TTL转换电路进行电平转换。距离采集电路原理图如图3所示。

图3　距离采集电路原理图

距离传感器LDM41采集的距离信号以RS232电平的形式通过MAX232芯片的R2I口输入，转化为TTL电平后从R2O口输出给ARM处理器处理；而ARM处理器的控制信号则以TTL电平的形式通过MAX232芯片的T2I口输入，转化为RS232电平后从T2O口输出给距离传感器LDM41，实现对距离传感器LDM41的控制功能。

2　软件设计

基于TOF的电梯制动性能检测装置的软件功能流程图如图4所示。

图4　基于TOF的电梯制动性能检测装置软件功能流程图

由图(4)可知，在利用该检测装置对电梯制停参数检测之前，首先需要在检测装置中输入电梯运行额定速度0、电梯轿厢重量、额定负载重量和电梯平衡系数等相关信息。再依据《TSG T7017-2005电梯曳引机型式试验细则》确定制动器平均制停减速度的取值范围（0.2 g~1.0 g），并计算当min=0.2 g时的最大制停距离和最大制停时间；当max=1.0 g时的最小制停距离和最小制停时间，以此确定制停距离和制停时间的范围，供后续检测判断时使用。

根据上述分析，由加速度、速度和距离的关系得到不同额定速度下制停距离的取值范围，如表1所示。

表1　不同额定速度下电梯的制停距离

3　试验结果

以某品牌已使用21年的电梯为测试对象，额定速度1.5 m/s，额定载重1000 kg，主机额定功率15 kW，28层28站，蜗轮蜗杆传动，交流调压调速。分别采用现有痕迹法和基于TOF的电梯制动性能检测装置进行测试，制停距离测试结果如表2所示。

表2　制停距离测试结果

由表2可知，现有痕迹法测试误差较大，5次测试结果最大偏差0.08 m，便携式测试仪测试偏差较小，仅为0.02 m。

综上，测试结果表明，采用该装置对制停距离的测试结果较现有测试方法误差更小，有利于提高测试精度，简化测试程序。

4　结语

采用基于TOF测距技术的测量原理对电梯制停过程中的制停距离进行测试。试验结果表明，与传统方法相比，该装置制停距离测试更加简便，且制停距离测量偏差由原来的0.08 m，减小到0.02 m，减小幅度达75%。后续将对设备进行计量定型，并推广应用到电梯安全评估检测上。

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Design of Elevator Braking Performance Testing Device Based on Time of Flight

Fu Qianqian1Ma Haixia2Li Zhongxing1

(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Guangzhou College of South China University of Technology School of Electrical Engineering)

Brake is the key component to ensure safe operation of elevator. Existing testing method of brake mainly is to watch and confirmatory test. Aim to the status that cannot reliably detect the brake, this paper designed a parameter detection device for elevator. Based on the time of flight (TOF) technology and micro-electromechanical (MEMS) capacitive acceleration sensor, measuring stopping distance and the mean deceleration of the elevator, combined with the stopping time, elevator braking performance can be evaluated. The results show that the acceleration test value of the designed device consistent with existing method and the measurement error of stopping distance is reduced by 75%.

Elevator Safety; Brakes; Time of Flight; Braking Performance

傅倩倩，女，1986年生，工学学士，主要研究方向：电梯检验检测相关技术等。E-mail: qianqian0916 @foxmail.com

广东省质量技术监督局科技项目（2016PT01、2017CT21）；广州市科技创新委员会科技计划项目（2015109010008）。