电梯安全性能定量测试分析仪的设计及应用

赵 亮 李淑娟 朱高文 王 娟

（1.山东省特种设备检验研究院有限公司 济南 250001）

（2.济南市特种设备检验研究院 济南 250001）

1 引言

在电梯监督检验、定期检验以及型式试验过程中，有许多重要的检验项目都会直接或间接涉及对电梯加速度值的测试，具体检验项目要求见表1。这些检验项目中的有些项目，TSG T7001—2023《电梯监督检验和定期检验规则》要求进行定性验证性试验，来评判试验的符合性，但GB/T 7588.1—2020《电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯》中要求加速度值要满足具体要求，因此需要对电梯的加速度值进行定量测试分析。

表1 标准中相关检验项目的要求

制停距离测试方法[4]和意外移动距离标记测试法[5-7]是目前普遍采用的传统测试方法，这2种方法现场操作耗时烦琐，人为操作误差大，检验效率低。目前国内外对于电梯加速度测试的相关仪器设备操作方式需要人工判断电梯启动与停止，并且要借助其他设备对数据进行分析[5]。

因此，本文中研发了一种电梯安全性能定量测试分析仪。采用高性能加速度传感器，能够对电梯运行期间的三轴加速度进行测量，可在轿厢运行后自动对数据进行分析，得到轿厢运行的振动峰峰值、运行速度和行程等数据，并能得到制停阶段的运行距离、减速度和制停时间。具备自动触发模式，解决了传统仪器需要人工手动开始/结束测量的局限性，有效地提升了检验效率和检验精度。

2 电梯安全性能定量测试分析仪原理

2.1 硬件组成

硬件设计如图1所示，由加速度传感器、陀螺仪、模数转换芯片、单片机、电源管理和蓝牙模块组成。

图1 系统硬件设计图

采用三轴加速度传感器采集乘客电梯的运行加速度，通过积分计算出电梯的速度和运行距离，再通过对加速度数据进行微分后，便可得到电梯运行的加加速度。采用的三轴加速度传感器可以测量0～1 000 Hz频率范围内的加速度信号，量程为±8 g，分辨率优于0.01 mg。同时具有低温漂0.15 mg/℃和超低噪声0.02 mg/Hz。

在对电梯进行测试时，如图2和图3所示，仪器中的三轴加速度传感器放置在电梯轿厢地板的中央，Z轴垂直于地板，X轴正对轿门，完成一次电梯乘运质量测试。加速度的Z轴获得电梯的启动加速度、制停减速度数据，X轴、Y轴获得电梯前、后、左、右向的晃动数据。

图2 三轴加速度传感器

图3 电梯安全性能定量测试分析仪测试示意图

2.2 累积误差消除

加速度数据采集时存在误差，而速度、距离等数据的计算需要对加速度进行积分，因此会产生累积误差，严重影响测量结果。累积误差可能是受仪器放置倾角、温度和压强等影响，需要研究计算方法来消除，本项目增加陀螺仪，实时计算加速度传感器的倾角，获取其角度误差值，再去校正加速度直接积分的速度值，流程如图4所示。

图4 累积误差消除流程

2.3 轿厢启停控制程序设计

对于轿厢的启动和停止判断，由于乘客电梯的额定速度（包括检修）从0.3 m/s到10 m/s不等，启动和停止特性也各不相同，通过大量实验与数据收集，最后确定采用速度变化量来确定电梯的启停检测。具体实施的软件流程如图5所示，其中速度变化的阈值是整个判断的关键数据，这个数据根据不同的额定速度，有不同的启动阈值。

图5 轿厢启动软件流程图

2.4 制动性能的软件设计

图6曲线为轿厢上行制动的加速度和速度曲线，可以看出在速度曲线上，制停动作点有明显的下降，在加速度曲线上，制停动作点出现在较大的加速度数值附近。软件设计上，要从轿厢停止时刻逆时寻找制停动作点。

图6 制动性能速度和加速度曲线

图7为确定制停动作点的软件流程图，其中速度大于最大速度的百分比值以及加速度的百分比值通过大量数据进行比对获取，最后确定比例为90%。

图7 制动性能软件流程图

3 应用试验

在电梯检验和安全评估的实际工作中，应用研制的电梯安全性能定量测试分析仪，验证其功能和性能。按照图3所示的测试方法，在电梯轿厢内测试加速度信号，实时数据界面见图8。

图8 加速度值实时测量界面

测量完成后，使用软件测量的信息见图9，自上而下依次为速度、X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度。由图可以看出，Z轴加速度信号反映了电梯启动、加速、匀速、减速和停止的整个运行过程。X轴加速度和Y轴加速度反映了轿厢的前、后、左、右晃动。对所有数据进行频率计权，得出图10所示数据。

图9 数据分析软件图

图10 频率计权数据界面

4 结论

所研发的电梯安全性能定量测试分析仪与现有加速度测量仪器相比，在使用性能和功能实现上进行了以下几个方面的改进。

1）可适用各种额定速度电梯的启停，对制动触发点自动进行捕捉，实现了无须人工判断电梯轿厢的启动、制动和停止，避免了因人工判断错误而对数据区间采集出现的偏差。解决了国内现有电梯加速度测试仪器操作方式复杂，需要人工判断并手动操作启停仪器的弊端。

2）软硬件上实现了对加速度累积误差的消除，可在轿厢运行后自动对数据进行分析，直接得到轿厢运行的振动峰峰值、运行速度和行程等数据，并能得到制停阶段的运行距离、减速度和制停时间，解决了国内现有电梯加速度测试仪器测量结束后需要连接电脑对数据进行分析，再生成测试报告的弊端。同时在硬件组成上解决了现有仪器设备电路体积过大、功耗大等问题。

3）该仪器同时可以实现对电梯轿厢意外移动保护装置安全性能的检测，主要用于采用存在内部冗余的制停部件作为轿厢意外移动保护装置的曳引式驱动电梯，对意外移动距离数值进行检测，解决了国内现有电梯加速度测试仪器功能单一、难于扩展的弊端。

4）解决了传统的制动试验制停距离测试方法和目前普遍采用的意外移动距离标记测试法耗时、烦琐以及人为操作误差大的局限性，提高了现场检验的效率，同时提升了检验质量。

所研发的电梯安全性能定量测试分析仪实现了对上行制动工况曳引检查、下行制动工况曳引检查、制动试验、限速器安全钳联动、上行超速保护装置试验、防止意外移动保护装置试验以及电梯乘运质量等检验检测过程中对电梯加速度的定量测试分析，解决了TSG T7001—2023中对电梯部分安全性能测试仅仅是验证性检验的局限性，为电梯检验能力的提高提供了技术保障。