電梯頂部空間測(cè)試儀的研究

張安國(guó) 嵇守航

（大連市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 大連 116013）

1 前言

電梯頂部空間用于保護(hù)電梯轎廂頂部人員以及電梯頂部的各種機(jī)械，所以電梯頂部的安全空間必須達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，滿足電梯安全技術(shù)規(guī)范TSG T7001（以下簡(jiǎn)稱規(guī)則）的要求。轎廂頂部的安全空間是指對(duì)重完全壓縮對(duì)重緩沖器時(shí)，轎廂頂部的相關(guān)安全尺寸需要滿足規(guī)則附件A中3.2項(xiàng)的尺寸。很多建筑是完全參照標(biāo)準(zhǔn)樓層來(lái)設(shè)計(jì)，不過在后期的建造過程中，由于樓房建造偏差和后期對(duì)建筑進(jìn)行修飾的需要，開發(fā)商訂購(gòu)超高的轎廂，導(dǎo)致電梯頂部的安全尺寸比國(guó)家規(guī)定的尺寸小，這樣就必須采取有效的方法增加轎頂安全空間，這樣直接導(dǎo)致對(duì)重的緩沖距離必須限制在一個(gè)很小的安全范圍內(nèi)。由于新的鋼絲繩伸長(zhǎng)相對(duì)較快，使得轎廂撞弓在撞擊上極限開關(guān)前，對(duì)重已經(jīng)壓到緩沖器上，這樣的設(shè)計(jì)無(wú)法符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則的要求。電梯維保單位有時(shí)會(huì)利用裁剪曳引鋼絲繩長(zhǎng)度的方法增加對(duì)重緩沖距離，這種做法會(huì)使對(duì)重緩沖距離保持在較大值，但是電梯頂部安全空間會(huì)受到影響而變小。電梯檢驗(yàn)人員通常會(huì)測(cè)量對(duì)重緩沖距離來(lái)判斷上極限開關(guān)是否會(huì)在對(duì)重撞擊對(duì)重緩沖器前起作用，而忽視了對(duì)重緩沖距離對(duì)電梯頂部安全空間的影響。由此可見，電梯頂部空間是十分重要又極容易被忽視的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)于頂部空間的測(cè)量，規(guī)則中給出一個(gè)測(cè)量方法，但是此計(jì)算方法并不明確。作者通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出計(jì)算方法為測(cè)量轎廂在上端站平層位置時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)于蓄能型對(duì)重緩沖器，將測(cè)量結(jié)果減去緩沖器可壓縮行程90%與對(duì)重緩沖距離的和；對(duì)于耗能性對(duì)重緩沖器，將測(cè)量結(jié)果減去緩沖器可壓縮行程與對(duì)重緩沖距離的和，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)是否滿足要求。[1]

在對(duì)電梯頂部空間進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要至少兩名專業(yè)人員配合，且有一名人員需要經(jīng)過開層門上轎頂?shù)纫幌盗袩┈嵡掖嬖谝欢ò踩[患的操作步驟進(jìn)入電梯井道。測(cè)量時(shí)操作人員處于頂部的較小密閉空間內(nèi)，由于電梯自身故障等原因困人事故時(shí)有發(fā)生。除此之外，電梯井道內(nèi)設(shè)備、部件等排列錯(cuò)綜復(fù)雜，在狹小空間內(nèi)操作人員稍有疏忽便會(huì)受到傷害。因此，需要研究一種新的檢測(cè)方法，在提高檢測(cè)效率的同時(shí)保障檢驗(yàn)人員的自身安全，這樣也可以讓檢驗(yàn)人員更加便捷、準(zhǔn)確地測(cè)出轎頂空間的尺寸，以確保電梯的安全運(yùn)行。

本文提出的測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離操作，人員只需在井道外便可進(jìn)行測(cè)量，保證了相關(guān)人員的安全。并利用編程軟件直接得出計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了便捷操作，免去了煩瑣復(fù)雜的計(jì)算。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于頂部空間測(cè)量主要方法還是人工測(cè)量和計(jì)算，安全性和便捷性都較難保證。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 激光測(cè)距的原理

激光測(cè)距因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)，有著很多無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)：方向精確、抗干擾能力強(qiáng)、量程遠(yuǎn)、大氣傳輸性好、測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、隱蔽性好、對(duì)雨霧有一定的穿透力。

激光測(cè)距主要有兩種方法：脈沖測(cè)距和連續(xù)波相位測(cè)距。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)則使用脈沖測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯頂部空間各尺寸的測(cè)量。

激光脈沖測(cè)距利用光的直射性，對(duì)所測(cè)物體發(fā)射一條光脈沖，測(cè)量到物體所用時(shí)間，算出目標(biāo)距離。將發(fā)射端和物體之間的距離設(shè)為D，往返所需時(shí)間為t，而光的速度為c，（c≈3×108m/s，忽略光速c在空氣中受到的影響）。根據(jù)物理學(xué)公式，式(1)成立：

使用激光脈沖測(cè)距，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)按照物體所接收到的脈沖數(shù)目進(jìn)行分析。具體原理如圖1所示。

設(shè)定激光振蕩頻率為f，在一段時(shí)間t內(nèi)有N個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，可得：

在式（2）中，L=c/2f，L越小，則代表精度越高。[2]

圖1 激光脈沖測(cè)距原理波形圖

2.2 ARM11開發(fā)板簡(jiǎn)介

本課題研究的測(cè)試儀選用的是飛凌公司生產(chǎn)的OK6410開發(fā)板（見圖2），它是基于SAMSUNG S3C6410主處理器。該開發(fā)板運(yùn)用的是“核心板與開發(fā)板”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，而核心板和底板之間則采用品質(zhì)優(yōu)異的進(jìn)口連接器，引腳個(gè)數(shù)為320個(gè)，這樣也方便使用者可以對(duì)開發(fā)板進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)其進(jìn)行多形式的擴(kuò)展，應(yīng)用更廣泛。

OK6410的軟件支持多種系統(tǒng)，并開放源代碼，使用者可以根據(jù)自己需要對(duì)其進(jìn)行更改。而且，開發(fā)板也可連接與之相配套的WIFI模塊、藍(lán)牙模塊等。

圖2 OK6410開發(fā)板

2.3 整體設(shè)計(jì)思想

整個(gè)系統(tǒng)由放置于轎頂?shù)南挛粰C(jī)和井道外的上位機(jī)構(gòu)成。下位機(jī)負(fù)責(zé)井道頂部的各部位數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸以及最終的打印測(cè)試報(bào)告。上位機(jī)負(fù)責(zé)與下位機(jī)的通訊，向下位機(jī)發(fā)送測(cè)量和打印指令，以及對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。下位機(jī)則采用SAMSUNGS3C6410作為主處理芯片的ARM1l開發(fā)板、藍(lán)牙模塊和激光測(cè)距模塊為開發(fā)的基礎(chǔ)。上位機(jī)采用自帶藍(lán)牙模塊的Android智能手機(jī)。系統(tǒng)的整個(gè)工作過程是：首先，在轎頂固定激光測(cè)距傳感器，以便由激光測(cè)距傳感器采集如圖3所示四個(gè)部位的數(shù)據(jù)信息。圖中H1代表轎廂導(dǎo)軌的進(jìn)一步制導(dǎo)行程（轎廂在上端站平層時(shí)）；H2代表井道頂?shù)淖畹筒考c曳引繩附件、導(dǎo)靴或滾輪、部件的最高部分或垂直滑動(dòng)門的橫梁之間的間距；H3代表井道頂?shù)淖畹筒考c轎頂設(shè)備的最高部件之間的間距（不包括鋼絲繩附件、導(dǎo)靴等）；H4代表轎頂可以站人的最高面積的水平面與位于轎廂投影部分井道頂最低部件的水平面之間的自由垂直距離。傳感器固定完成后將轎廂開至頂層端站平層位置，上位機(jī)通過藍(lán)牙與下位機(jī)取得連接。然后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送測(cè)量開始命令，激光測(cè)距模塊可直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)RS232串口以10位二進(jìn)制編碼的形式存儲(chǔ)于開發(fā)板自帶的256Mb NAND FLASH中[3]。接著，上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令，下位機(jī)通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送。上位機(jī)按照設(shè)定的程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷。最終，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送打印命令，得到測(cè)量報(bào)告，測(cè)量完成。

圖3 電梯頂部空間示意圖

2.4 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)是由四套激光測(cè)距模塊、ARM11開發(fā)板、電源模塊組成的系統(tǒng)，承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)頂部空間測(cè)量過程中的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，根據(jù)內(nèi)部編程的設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)打成數(shù)據(jù)包，利用藍(lán)牙模塊傳送到上位機(jī)，上位機(jī)發(fā)送打印指令由打印模塊負(fù)責(zé)打印測(cè)量報(bào)告。下位機(jī)框圖如圖4所示。

圖4 下位機(jī)框圖

2.5 各模塊選擇

1）激光測(cè)距模塊選用RealWave公司生產(chǎn)的RWRFA-5傳感器，各項(xiàng)參數(shù)見表1。其測(cè)量范圍為0.05～5m，滿足常見電梯頂部空間的測(cè)量要求。測(cè)量精度和分辨率均為1mm，符合規(guī)則中規(guī)定的測(cè)量數(shù)據(jù)精度。其次，傳感器可以發(fā)射640nm紅色可見激光，便于測(cè)量過程中對(duì)需要測(cè)量部位的定位。該傳感器支持RS232串口輸出數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)與ARM11開發(fā)板便捷的連接。

表1 RWRFA-5傳感器的參數(shù)表

2）藍(lán)牙模塊采用BLE-CC41-A藍(lán)牙模塊，專為智能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸而打造。本模塊支持UART接口，可與ARM11開發(fā)板實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)。藍(lán)牙4.0版本可以實(shí)現(xiàn)100m以上超長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，即使在電梯井道的復(fù)雜環(huán)境中受多種因素干擾，亦可滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

3）打印機(jī)模塊選用EH48-B熱敏式點(diǎn)陣打印模塊。該模塊采用DC 5V供電，打印速率可達(dá)60mm/s，打頭壽命約為50km，可通過TTL串口與ARM11開發(fā)板連接，從而實(shí)現(xiàn)高速、便捷、持久輸出測(cè)試結(jié)果。[4]

2.6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本課題利用C語(yǔ)言編寫應(yīng)用于智能手機(jī)Android系統(tǒng)下的顯示、計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)發(fā)送測(cè)量、打印等相關(guān)指令，顯示測(cè)量結(jié)果的功能，程序框圖如圖5所示。

圖5 C語(yǔ)言程序框圖

3 系統(tǒng)技術(shù)性能及指標(biāo)

1）系統(tǒng)測(cè)量范圍0.05m至5m。

2）測(cè)量精度±1mm。

3）智能手機(jī)遙控距離≤20m，數(shù)據(jù)接收距離≤100m。

4）綜合測(cè)量誤差≤1%。

4 儀器的使用及測(cè)量結(jié)果

使用儀器時(shí)，檢驗(yàn)人員先進(jìn)入轎頂，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行初步判斷，將四個(gè)傳感器通過傳感器固定夾垂直安裝在轎頂H1、H2、H3與H4處，然后檢驗(yàn)人員離開轎頂，通過上位機(jī)發(fā)送指令，進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)打印等操作。

本儀器對(duì)多個(gè)品牌的不同額定速度的電梯頂部空間進(jìn)行測(cè)量（部分測(cè)量結(jié)果見表2），同時(shí)按照規(guī)則中要求的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，比較兩者的計(jì)算結(jié)果，差距在2mm以內(nèi)，結(jié)果較為滿意。在本儀器系統(tǒng)的技術(shù)性能和指標(biāo)范圍內(nèi)，適用于各類電梯頂部空間的測(cè)量。在無(wú)機(jī)房電梯的使用上效果明顯，原因是無(wú)機(jī)房電梯頂部空間相對(duì)小，檢驗(yàn)人員測(cè)量不方便、危險(xiǎn)性較大，而使用儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量，可以很好地克服這些缺點(diǎn)。

表2 儀器多次測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果比較

5 結(jié)論

本測(cè)試儀具有安全性好、測(cè)量便捷，且不受空間以及電梯種類限制等特點(diǎn)。真正意義上實(shí)現(xiàn)機(jī)房與井道之間的遙控測(cè)量，避免了困人事故的發(fā)生，降低操作人員的風(fēng)險(xiǎn)性。但是在使用儀器時(shí)，檢驗(yàn)人員能否正確選擇傳感器安裝位置，對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的影響。在今后的使用和儀器開發(fā)時(shí)，可以優(yōu)化、更新數(shù)據(jù)通訊方式，這樣可以使得整個(gè)儀器有著更好的實(shí)時(shí)性，以及更精確的結(jié)果；硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件整體有些冗余的部分，系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性還有待于提高。

參考文獻(xiàn)

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