CN101343008B - 一种精确测量电梯可乘坐余量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确测量电梯可乘坐余量的方法，属于传感测量技术领域。其技术方案是，在电梯轿厢和电梯牵引绳之间，或者在两根电梯牵引绳之间安装杨氏模量适当的刚性材料，在刚性材料表面贴上电阻式应变片，并将电阻式应变片搭成惠更斯电桥电路。电梯承重引起刚性材料的形变，从而导致电阻式应变片电阻的变化，这一变化在惠更斯电桥中，转化成电压的变化，利用微处理器MCU将电压变化进行读取、处理和计算，从而实现电梯的可乘坐余量的精确测量。本发明区别于传统的电梯超重报警的模式，较好地解决了乘客对于电梯乘坐信息的确知性问题。

Description

一种精确测量电梯可乘坐余量的方法

技术领域

本发明涉及传感测量技术领域，尤其是一种精确测量电梯可乘坐余量的方法。

背景技术

经历了百余年历史的电梯是早已被人们熟悉的重要楼宇设备，电梯技术的飞速发展，使电梯从最原始的载重电梯到现今精美的载客电梯，当今时代随着城市的扩张，高层建筑的日益增多和建筑设计的档次提高，无处不在的电梯是人们生活中必不可少的工具。同时也使得人们对电梯的要求越来越高。

在我国，近年来具有先进控制技术的电梯日趋普及，尤其在许多新建的智能建筑中更是选用了各种高档电梯。但这些高档电梯现阶段均只提供了如电梯上下行，所在楼层等基本信息。而且只是高档在快速、舒适，安全及装潢考究等基础方面。对于电梯内部人数及可再乘坐人数的探测方面，现今各电梯厂商均没有提出合理、可靠的解决方案。

对于赶时间的电梯乘客来说，确知正在等待的电梯的可乘坐余量是至关重要的。首先，如果在电梯乘满并未到达等待楼层的情况下，赶时间乘客可选择前往同一楼层的其他电梯，或者走楼梯以节约时间。

其次，乘客可根据可乘坐余量来大体判断电梯到达时的乘坐状态信息，可以作为进一步选择的参考条件。

目前，尚无如何具体解决电梯可乘坐余量的方法。而且，现有的电梯超重报警机制都没有充分考虑乘客对具体人数的确知需求，而电梯可乘坐余量的精确探测方法，将提高电梯产品的服务质量，并使得电梯总体效率大大提高，最终为顾客提供一个价廉、安全、舒适的乘梯服务。它将成为电梯信息系统的重要技术特征。

发明内容

本发明提供了一种精确测量电梯可乘坐余量的方法，该方法区别于传统的电梯超重报警的模式，较好地解决了乘客对于电梯乘坐信息的确知性问题。

本发明的技术方案是：一种精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：在电梯轿厢与电梯牵引绳之间，或者在两根电梯牵引绳之间安装刚性材料；

步骤2：在刚性材料表面贴上电阻式应变片；

步骤3：选择与电阻式应变片标准电阻值一致的三个电阻，与电阻式应变片搭成惠更斯电桥电路；

步骤4：用导线将惠更斯电桥与带有A/D转换芯片的微处理器MCU相连；

步骤5：在电梯门上安装传感器，检测电梯是否达到稳定状态；

步骤6：当传感器检测到电梯达到稳定状态的时刻，由于刚性材料受力产生形变，从而使电阻式应变片的电阻值发生变化，所以在惠更斯电桥产生电压差，将此电压差通过A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号后，利用微处理器MCU主动读取此数字量，并计算出可乘坐余量。

所述步骤1中，刚性材料采用杨氏模量为2×10⁵MPa的刚性材料，杨氏模量满足线弹性材料公式σ＝Eε，式中σ为正应力，ε为正应变，E为弹性模量即杨氏模量。

所述步骤1中，刚性材料的应力范围大于等于电梯承重及自身重量之和的1.5倍。

所述步骤2中，电阻式应变片的标准电阻值是指电阻式应变片不受力时的电阻值。

所述步骤2中，电阻式应变片采用标准电阻值为120Ω、350Ω、650Ω、1000Ω或者3000Ω的应变片；并且其材料应变系数应当在1.7-3.6范围内，电阻式应变片在受力情况下，其电阻值发生的变化最大不超过标准电阻值的2％。

所述步骤2中，电阻式应变片的厚度小于1毫米，用强力胶水将其贴牢在刚性材料表面，其胶水厚度小于0.2毫米。

所述步骤2中，电阻式应变片沿着刚性材料的受力方向纵向或者横向布置。

所述步骤2中，电阻式应变片的接口端，有两个导线引出接口，导线连入惠更斯电桥中。

所述步骤4中，A/D转换器采用8位或者8位以上的A/D转换器，A/D转换速度在毫秒级别。

所述步骤5中，电梯门上安装的传感器采用光电传感器，在电梯的一个边门上方放置2个光电传感器，组成光电传感器组。

所述步骤5中，电梯的稳定状态是指当光电传感器组输出一高一低电平时的状态。

所述步骤6中，微处理器MCU正常工作的环境温度范围大于电梯正常工作的环境温度范围。

所述步骤6中，刚性材料受力产生形变，使电阻式应变片的电阻值发生变化的公式为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=K_0{\mathrm{\ϵ}}^{\′}$

其中ΔR为电阻式应变片的电阻值的变化量，R为电阻式应变片的标准电阻值，K₀为电阻式应变片的材料应变系数，ε′为电阻式应变片的应变值；ε′与刚性材料的杨式模量、刚性材料的受力面积和刚性材料的受力大小的关系公式为：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{F}{A\×E}$

其中F为刚性材料受到的力，E为刚性材料的杨式模量，A为刚性材料的受力面积。

本发明的效果是，提出一种不同于传统的精确探测电梯可乘坐余量的方法，利用贴在刚性材料上的电阻式应变片，通过惠更斯电桥电路，将电梯承重变化引起的刚性材料产生的形变变化，转换成电压的变化，从而实现电梯的可乘坐余量的精确测量。

附图说明

图1是本发明精确测量电梯可乘坐余量的方法的一种安装方式示意图。

图2是本发明精确测量电梯可乘坐余量的方法的另一种安装方式示意图。

图3是本发明精确测量电梯可乘坐余量的方法的工作流程图。

图4是本发明电阻式应变片组成的惠更斯电桥电路示意图。

图5是本发明精确测量电梯可乘坐余量的方法的电阻式应变片结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

图1是本发明的一种安装方式示意图。图1中，贴有电阻式应变片的刚性材料101，一端焊接在电梯轿厢103的顶部，一端接电梯牵引绳102；带有A/D转换芯片的微处理器MCU 104，与电阻式应变片搭成的惠更斯电桥相连。

图2是本发明的另一种安装方式示意图。图2中，贴有电阻式应变片的刚性材料101，一端与一根电梯牵引绳102的一端相连，这根电梯牵引绳102的另一端与电梯轿厢103相连；贴有电阻式应变片的刚性材料101的另一端与另一根电梯牵引绳102相连；带有A/D转换芯片的微处理器MCU 104，与电阻式应变片搭成的惠更斯电桥相连。

图3是本发明精确测量电梯可乘坐余量的方法的工作流程图。电阻式应变片作为受力探测器长期处于监测状态，实时感测电梯受力情况。2个光电传感器组成的光电传感器组作为判断电梯稳定时刻的感知工具，探测电梯是否处于稳定状态。当2个传感器均输出高电平或者低电平时，则说明电梯处于开门状态(即上下乘客状态)或者关门状态(即电梯处于上下行状态)；当传感器输出一高一低电平时，说明电梯门正在关闭之中(即乘客已经完成上下电梯的动作)，此时电梯是处于一个相对静止的稳定状态，是所有状态中最易于采集准确数据的时刻。一旦光电传感器探测到电梯正处于稳定状态时，随即启动数据转换处理机制，A/D将探测的模拟量转换为数字量。一般8位的A/D转换器即可满足要求。但是，因为电梯处于稳定状态的时间很短，所以A/D转换速度应在毫秒级别，这样才能保证数据采集的精准性。之后，A/D转换的数字量读入微处理器MCU进行数据处理，从而得到准确的电梯可乘坐余量。

设定电梯自身重量和承载重量使刚性材料受到的力为F。刚性材料的受力面积设为A，根据公式

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{F}{A\×E}---\left(1\right)$

计算出应变片的应变值。

图4中，若惠更斯电桥两端电压为U，R1为电阻式应变片，其标准电阻值为R；则R2、R3、R4为采用电阻值与电阻式应变片标准电阻值R相同的电阻。在电阻式应变片因刚性材料发生形变时，产生的电阻变化根据公式

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=K_0{\mathrm{\ϵ}}^{\′}---\left(2\right)$

计算得出。

进一步还可以计算出，在图4惠更斯电桥中，由于电阻式应变片产生的变化引起的电压变化ΔU，计算公式为：

$\mathrm{\ΔU}=\frac{R_1}{R_1+R_2}U-\frac{R_4}{R_4+R_3}U=\frac{R+\mathrm{\ΔR}}{2R+\mathrm{\ΔR}}U-\frac{R}{2R}U=\frac{\mathrm{\ΔR}}{2(2R+\mathrm{\ΔR})}U$

因为电阻式应变片变化最大不超过其标准电阻值的2％，所以电阻式应变片随刚性材料受力形变产生的电阻变化，比电阻式应变片本身的标准电阻值小很多，因此上面公式分母中的ΔR可以忽略不计，则上面公式可以表示为：

$\mathrm{\ΔU}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{4R}U$

将公式(1)和公式(2)代入，可以得到

$\mathrm{\ΔU}=\frac{K_{0}F}{4\mathrm{AE}}U$

可见，在电阻式应变片的变化不超过其标准电阻值的2％时，电阻式应变片随刚性材料受力形变，产生的电阻变化导致的惠更斯电桥电路发生的电压变化，与刚性材料受力成线性关系。由此，惠更斯电桥电压的变化可以准确反应电梯的受力变化。

假设电梯自重2000KG，额定载重量是1500KG。首先选择杨氏模量是2×10⁵MPa的刚性材料，因钢材的弹性模量(即杨氏模量)E为206000N/平方毫米，因此这里选用钢材作为刚性材料。同时，选择的刚性材料的受力面的截面积为100平方毫米，即选择刚性材料受力面的长和宽分别为10毫米即可。

选择金属材料是康铜的电阻式应变片，此应变片的标准电阻值R为350Ω，电阻变化范围是350Ω(1±1％)，其材料应变系数K₀为2.0，厚度小于1毫米。

将电阻式应变片贴在刚性材料表面。为确保电阻式应变片准确的反应刚性材料的形变量，在粘贴时，应当将电阻式应变片沿着刚性材料的受力方向纵向或者横向布置。其中，纵向布置是指当图5中，506表示的方向为受力(拉伸力)的方向时，应变片相对于受力方向的位置；横向布置是指当图5中505表示的方向为受力(拉伸力)的方向时，应变片相对于受力方向的位置。这里用胶水将作为电阻式应变片的康铜贴在作为刚性材料的钢材上，为保证测量精度，胶水厚度应小于0.2毫米。

图5是电阻式应变片结构图。图5中，保护层501套在金属电阻应变丝502外面，对其起绝缘与保护作用；引线503即导线，将连入惠更斯电桥中，所以必须把引线头固定好，防止其拉伸。如果不将其引线503固定好，引线503的拉伸将会拉伸到电阻式应变片，会对电阻式应变片的电阻值产生影响。保护层501、金属电阻应变丝502和引线503置于基体504上。

惠更斯电桥中其它三个电阻，应该选择与电阻式应变片的标准电阻值R一致的电阻，可以选择电阻值是350Ω的固定电阻。惠更斯电桥电路如图4所示，在应变片处于初始状态时(应变片未受力)，ΔU＝0。

如果电梯已承载1000KG重量，那刚性材料的正应力F为电梯本身重量及电梯承载重量的累加，为3000KG×9.8N/KG＝29400N。刚性材料的受力面积，为刚性材料受力面的截面积，则A为100平方毫米，根据公式

$\mathrm{\ΔU}=\frac{K_{0}F}{4\mathrm{AE}}U$

计算出ΔU为0.735mV。

通过A/D转换，微处理器MCU读取到的数字数据也为0.735mV的数字量。由上面公式进一步可以计算出电梯满载时(即电梯承载1500KG)时的ΔU为0.8575mV。如果假设人体平均重量为70KG，则通过上面公式还可以计算出一个乘客乘电梯产生的ΔU(惠更斯电桥电压变化量)为0.01715mV。在微处理器MCU中通过计算(0.8575mV-0.735mV)/0.01715mV＝7.1，得出还可乘坐的余量为7人；这与(1500KG-1000KG)/70KG＝7.1的计算结果一致。从而说明本发明确实可以精确测量出电梯的可乘坐余量。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：在电梯轿厢与电梯牵引绳之间，或者在两根电梯牵引绳之间安装刚性材料；

步骤2：在刚性材料表面贴上电阻式应变片；

步骤3：选择与电阻式应变片标准电阻值一致的三个电阻，与电阻式应变片搭成惠更斯电桥电路；

步骤4：用导线将惠更斯电桥与带有A/D转换芯片的微处理器MCU相连；

步骤5：在电梯门上安装传感器，检测电梯是否达到稳定状态；

步骤6：当传感器检测到电梯达到稳定状态的时刻，由于刚性材料受力产生形变，从而使电阻式应变片的电阻值发生变化，所以在惠更斯电桥产生电压差，将此电压差通过A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号后，利用微处理器MCU主动读取此数字量；计算电梯满载时的电压差，再计算出一个乘客乘电梯产生的电压差，利用电梯满载时的电压差减去微处理器MCU主动读取的数字量得到的值，除以一个乘客乘电梯产生的电压差计算出可乘坐余量。

2.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤1中，刚性材料采用杨氏模量为2×10⁵MPa的刚性材料，杨氏模量满足线弹性材料公式σ＝Eε，式中σ为正应力，ε为正应变，E为弹性模量即杨氏模量。

3.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤1中，刚性材料的应力范围大于等于电梯承重及自身重量之和的1.5倍。

4.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤2中，电阻式应变片的标准电阻值是指电阻式应变片不受力时的电阻值。

5.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤2中，电阻式应变片采用标准电阻值为120Ω、350Ω、650Ω、1000Ω或者3000Ω的应变片；并且其材料应变系数应当在1.7-3.6范围内，电阻式应变片在受力情况下，其电阻值发生的变化最大不超过标准电阻值的2％。

6.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤2中，电阻式应变片的厚度小于1毫米，用强力胶水将其贴牢在刚性材料表面，其胶水厚度小于0.2毫米。

7.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤2中，电阻式应变片沿着刚性材料的受力方向纵向或者横向布置。

8.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤2中，电阻式应变片的接口端，有两个导线引出接口，导线连入惠更斯电桥中。

9.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤4中，A/D转换器采用8位或者8位以上的A/D转换器，A/D转换速度在毫秒级别。

10.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤5中，电梯门上安装的传感器采用光电传感器，在电梯门的一个边门上方放置2个光电传感器，组成光电传感器组。

11.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤5中，电梯的稳定状态是指当光电传感器组输出一高一低电平时的状态。

12.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤6中，微处理器MCU正常工作的环境温度范围大于电梯正常工作的环境温度范围。

13.根据权利要求1所述的精确测量电梯可乘坐余量的方法，其特征是所述步骤6中，刚性材料受力产生形变，使电阻式应变片的电阻值发生变化的公式为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=K_0{\mathrm{\ϵ}}^{\′}$

其中ΔR为电阻式应变片的电阻值的变化量，R为电阻式应变片的标准电阻值，K₀为电阻式应变片的材料应变系数，ε′为电阻式应变片的应变值；ε′与刚性材料的杨式模量、刚性材料的受力面积和刚性材料的受力大小的关系公式为：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{F}{A\×E}$

其中F为刚性材料受到的力，E为刚性材料的杨式模量，A为刚性材料的受力面积。

Images