曳引電梯振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周茗皓

（安徽省特種設(shè)備檢測院 電梯檢測二中心，合肥 230051）

0 引言

隨著現(xiàn)代高層建筑的不斷發(fā)展，曳引電梯已經(jīng)成為大眾日常生活中不可或缺的垂直交通工具。有數(shù)據(jù)表明，2000年以來我國電梯保有量持續(xù)增長，截至2018年底，電梯設(shè)備總量已達(dá)到627.83萬臺(tái)[1-2]。為了保障乘客使用電梯時(shí)的安全，國家制定了許多與電梯相關(guān)的管理?xiàng)l例，確保設(shè)備穩(wěn)定工作。曳引電梯的振動(dòng)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是曳引機(jī)運(yùn)行的不穩(wěn)定引起的電梯振動(dòng)，同時(shí)曳引機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的因素也有很多；二是電梯轎廂在移動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定，這也直接影響了用戶在使用時(shí)的體驗(yàn)。通過對轎廂和曳引機(jī)振動(dòng)信號(hào)的分析，可以及時(shí)掌握電梯的運(yùn)行狀態(tài)信息，為后續(xù)的故障診斷和排除提供極大的幫助[3]。

基于此，設(shè)計(jì)一套曳引電梯振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)。將壓電式加速度傳感器安裝到轎廂及曳引機(jī)減速器上，可以實(shí)時(shí)采集曳引電梯各部分的振動(dòng)信息。壓電式傳感器一般以彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為理論依據(jù)，將測得的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，便于后續(xù)信息的采集。同時(shí)采用STM32作為核心控制器，保障了數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算和傳輸，并且可以將采集到的振動(dòng)信息實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，另外還可以把數(shù)據(jù)保存到SD卡中便于后續(xù)使用。該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地檢測出曳引電梯的振動(dòng)信號(hào)，為電梯設(shè)備檢測人員提供極大的幫助。

1 整體方案設(shè)計(jì)

曳引電梯振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)以STM32F429芯片為核心，通過壓電式加速度傳感器監(jiān)測電梯轎廂和曳引機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)芯片控制，實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號(hào)的采集[4]。系統(tǒng)的總體框架為：傳感器模塊選用壓電式加速度傳感器，將加速度信號(hào)以模擬量的方式輸送給信號(hào)調(diào)理模塊。采集的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，STM32控制芯片通過SPI進(jìn)行接收，并將數(shù)據(jù)緩存在SRAM中。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)原理圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集模塊

振動(dòng)信號(hào)采集模塊選用壓電式加速度傳感器，具體型號(hào)為朗斯測試技術(shù)公司生產(chǎn)的LC0151T。該系列傳感器內(nèi)部集成了一個(gè)微型放大器，將傳統(tǒng)的傳感器和電荷放大器置于其內(nèi)，有效地提高了傳感器采集信號(hào)的準(zhǔn)確性，原理簡圖如圖2所示。LC0151T傳感器的靈敏度為150 mV/g，量程為33g,頻率范圍為0.7～13 000 Hz（±10%），諧振頻率為40 kHz，分辨率為0.0002g，具有抗干擾、噪聲小、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，安裝方便，尤其適用于多點(diǎn)測量[5]。在電梯振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的選擇上，將傳感器布置在轎廂和曳引機(jī)兩個(gè)位置。對于轎廂的檢測可將傳感器放置在轎廂的3個(gè)方向面壁的中心位置，對于曳引機(jī)的檢測則將傳感器安裝在減速器上，從而有效地檢測曳引電梯系統(tǒng)的振動(dòng)情況。

圖2 LC01系列傳感器與外接調(diào)理器原理簡圖

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

LC01系列內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器由壓電加速度傳感器和微型IC放大器組成，需要另外提供電源才能工作，且需要時(shí)恒流源，其典型值為4 mA、24 V。另外，該傳感器的輸出原理是在采集到振動(dòng)加速度信號(hào)后將信號(hào)和內(nèi)部的直流電壓混合進(jìn)行輸出，因此需要對輸出的信號(hào)進(jìn)行一定的處理才能使用。通過綜合考慮，選用LC0207恒流源模塊，該模塊可以和LC0151T傳感器相匹配對其輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，可以為其提供18～30 V、4 mA的恒流源[6]。并且通過RC高通濾波隔直輸出，去除疊加在振動(dòng)信號(hào)上的直流偏壓，保留交流加速度信號(hào)，其原理圖如圖3所示。

圖3 LC0207恒流源模塊原理圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由于傳感器產(chǎn)生的信號(hào)為模擬量，STM32控制器不能直接讀取，需要通過外部電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。同時(shí)考慮到STM32的內(nèi)部供電電壓輸出不穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力不足，選用數(shù)據(jù)精度和采集速度較高的A/D轉(zhuǎn)換模塊AD7606[7]。相比于STM32片內(nèi)A/D，AD7606轉(zhuǎn)換模塊最高可支持8通道16位精度的同步采樣，所有通道采樣速率均可達(dá)200 kSPS。并且AD7606內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)和二階抗混疊模擬濾波器等，可進(jìn)行靈活的并行/串行接口，其模擬輸入電路如圖4所示。

圖4 AD7606模擬輸入電路圖

2.4 數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊使用USART HMI智能串口屏，型號(hào)為TJC8048K070_011R，電阻式觸摸接口電平支持3.3 V/5 V，工作電壓為4.75～7 V。屏幕界面顯示可以通過配套軟件在PC端進(jìn)行設(shè)計(jì)，并下載到屏幕里[8]。該串口屏不僅可以滿足對文本及數(shù)據(jù)內(nèi)容的顯示，還可以實(shí)現(xiàn)對圖形和曲線的顯示需求。

在采集到曳引電梯的振動(dòng)信號(hào)后需要將信息保存到SD卡中，為后續(xù)的分析處理提供方便。STM32F429控制器支持SDIO通信模式，可以方便地對SD卡進(jìn)行讀寫通信操作[9]。STM32控制器的SDIO引腳被設(shè)計(jì)后是固定不變的，采用4根數(shù)據(jù)線模式，且對于命令線和數(shù)據(jù)線需加上上拉電阻，硬件連接圖如圖5所示。

圖5 STM32與SD卡連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括初始化子程序、AD模塊讀寫子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示子程序等。程序流程圖如圖6所示。程序啟動(dòng)后，加速度傳感器采集電梯振動(dòng)信號(hào)，然后信號(hào)調(diào)理模塊對信號(hào)進(jìn)行濾波，使得最終信號(hào)可以被A/D模塊讀取。STM32控制器輸出PWM波來控制A/D轉(zhuǎn)換模塊的CONVST A/CONVST B引腳，并通過改變PWM波的頻率來控制A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32控制器處理后在屏幕上顯示并存儲(chǔ)在SD卡中。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了壓電式加速度傳感器的曳引電梯振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)，并結(jié)合STM32控制器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的儲(chǔ)存與顯示，為后續(xù)電梯振動(dòng)故障診斷的分析提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，給電梯設(shè)備檢測人員帶來了極大的便利。同時(shí)設(shè)備成本低、易實(shí)施，方便推廣，適用性和可移植性較強(qiáng)，具有很高的實(shí)際意義。