张庆丰，赵在俊，李 武，赵德栋
（1.宁波市特种设备检验研究院，浙江 宁波 315048；
2.丽水市特种设备检测院，浙江 丽水 323000）
电梯钢丝绳张力是影响电梯舒适性与安全性的重要因素。钢丝绳张力不均不仅会导致电梯运行抖动，还会造成钢丝绳和曳引轮磨损，降低钢丝绳的安全系数，破坏电梯曳引力，从而引发安全事故[1]。国家标准GB∕T10060−2011《电梯安装验收规范》中规定：“至少应在悬挂钢丝绳或链条的一端设置一个自动调节装置，用来平衡各绳或链之张力平均值的偏差不大于5%。”
目前，电梯钢丝绳张力检测法主要有2种[2]，一种是弹簧秤测力法，另外一种是电子张力计法。普通弹簧称测力法：人处于轿顶，操作弹簧秤逐一拉动各钢丝绳至同一水平径向位置，记录每根钢丝绳的张力值，计算出各钢丝绳的平均张力，再计算各钢丝绳的张力与平均张力的偏差是否在5%的允许范围内。该方法虽简单直观，但需同时控制距离和张力2个物理量，操作时不仅需要用刻度尺来确定各钢丝绳是否拉至同一水平径向位置，同时还需关注弹簧秤的张力值，操作不便，测量精度低下，往往不适合一个人在轿顶操作。现有的电子张力计均由“三点法”原理研制而成[3]，虽张力测量精度大大提高，但是体积较大和重量较重，易于与钢丝绳与其它轿顶设备产生干涉，不便在轿顶复杂环境中操作。有些电子张力计的研发也并不是专用于电梯钢丝绳张力的测量，在设计时，未考虑测量环境的复杂性和特殊性。现有电子式张力计还存在一缺点就是在测量各钢丝绳张力时，需要手动加载各钢丝绳至同一水平径向位置。电子张力计虽然能显示张力值，但还是存在读取钢丝绳径向位移的麻烦，难以精确保证手动加载各钢丝绳至同一水平径向位置。
基于电梯数量激增，电梯检验检测人员不足，人机矛盾突出的现状，而钢丝绳张力对电梯运行至关重要，但目前缺乏一种结构小巧、携带方便、操作便捷、效率高、精度高、专用于电梯钢丝绳张力检测的张力计，故设计开发了一种操作方式上类似于普通弹簧秤测力法，具有一工装结构装置，能自动判断张力是否超标的电子式张力计。
普通弹簧称测力法需用刻度尺肉眼观察各钢丝绳是否拉至同一水平径向位置，在轿顶复杂环境中操作费时费力。根据三角关系，若拉动同一水平面上的各钢丝绳至相同水平径向位置，那么各弯折钢丝绳在拉力点所形成夹角（后文把这夹角称为张角）必然是相同的，而角度的采集，相对于距离的测量，更为简单容易。因此就通过简单的张角测量，就可以确定钢丝绳的拉动距离，避免了肉眼读取刻度尺所带来的误差和操作上的繁琐。为了测量受拉弯折钢丝绳的张角，开发了一种钢丝绳的工装结构，其结构，如图1所示。
图1 工装结构装置结构图Fig.1 Structure Drawing of Tooling Structure Device
工装结构主要由上下转动杆件、角度监测单元、转动止挡等组成。上下转动杆件的上下端分别由可供钢丝绳伸入，与钢丝绳紧密配合的上下套环构成。上下转动杆件与转动销轴配合形成转动副，转动轴端部安装有角度检测单元，用于采集上下转动杆件的转动角度。在转动止挡与复位弹簧的共同作用下，使上下转动杆件保持在预备初始位置。（两杆成180°）工装结构的结构简图，如图2（a）、图3（a）所示。
图2 工装结构预备初始状态Fig.2 Initial State of Tooling Structure Preparation
图3 工装结构受拉工作状态Fig.3 Tensile Working State of Tooling Structure
CAO1即为上转动杆件，DBO1即为下转动杆件。其中CA⊥杆件AO1，杆件CA⊥上套环，杆件DB⊥杆件BO1，杆件DB⊥下卡套，且CA=DB，AO1=B，当工装结构与钢丝绳套接在一起，在上下杆件中心点O2水平径向拉动钢丝绳，根据以上几何关系可得，两转动杆件所形成的张角β始终等于弯折钢丝绳所形成的张角α。若拉力消失，在弹簧力与转动止挡的作用下，工装结构有恢复到预备初始位置。
综上所述，通过钢丝绳工装结构中的角度监测单元精确的获取受拉弯折钢丝绳的张角，来间接确定各钢丝绳拉至同一水平径向位置，确保了测量精度。张力计的工作原理，如图2（b）、3图（b）所示。只要逐一拉动各钢丝绳至同一预设定张角，系统自动存储当时的张力值，且发出报警提示音，提示测量人员完成该根钢丝绳张力的测量，进入下一根钢丝绳张力的测量。测量完毕时，张力计通过计算，显示不合格钢丝绳绳号。该张力计结构精巧，便于携带，吸取了普通弹簧测力法简单直观的优点，又兼顾了电子张力计精度精准，能自动判断张力差的优点。
为实现张力计能实时张力值，测量结束，自动判断张力差是否超标的功能，整个控制系统除了工装结构中的角度监测模块，还需要主控制信号处理模块、张力采集模块、按键功能模块、蜂鸣报警模块、通讯数据传递模块。所设计的张力计相关技术指标如下：测力量程为（0～400）N；
测力精度：≤2%。为最终达到张力计的测量精度，设计开发了以dsPIC30F4012为主控芯片，以磁编码传感器AS5045 为角度监测模块，张力采集单元采用HX711+悬臂梁传感器模块。为方便操作，采用蜂鸣器来提醒操作人员钢丝绳确已拉动到位，且用四段码实时显示输出张力值和最终不合格钢丝绳号。该控制系统稳定性好，精度高，能满足张力计系统要求。
张力计控制系统硬件框架，如图4所示。
图4 硬件系统框架Fig.4 Hardware System Framework
3.1 数字信号处理控制器选择
数字信号处理器是张力计控制系统的核心，对角度传感器AS5045、张力传感器A∕D 转换HX711模块、显示输出模块、通讯模块等进行总体调度与控制。张力计控制系统要求精度高，稳定性高、处理速度快，控制系统主芯片采用Microchip 公司的dsPIC30F4012，它是一款具备高速计算活动的16位数字信号处理器，是一款集合了单片机和数字信号处理器的高效芯片[4]，主要特点具体如下：
（1）拥有强大的外围设备和快速中断处理能力：具有8个电平变化通知（简称CN）引脚，电平变化通知引脚使dsPIC30F4012能向处理器发出中断请求，以响应输入引脚上的电平状态变化。CN引脚中断功能可应用于张力计按键输入模块，功能按键动作，使按钮引脚上的电平发生变化，引起CN中断，以执行按钮中断程序，实现各按键功能。并且提供了5个16位定时器，可选择将16位定时器配对组成32位定时器模块，定时器模块可应用于显示模块的动态显示方式，可编程的定时方式可以方便地更改显示刷新频率。而5个I∕O外部中断源且每个中断源有7个用户可选的优先级和强大的I∕O 口复用功能亦为张力计控制系统中HX711模块，蜂鸣报警模块功能的实现提供了丰富的配置，带来了极大的便捷。
（2）指令执行速度可达到30MIPS，当内部最高时钟频率为120MHz时，进行一次16bitxl6bit运算的时间为8.3ns，控制器的运算速度极快，实时控制能力极高；
dsPIC30F4012的DSP引擎具有1个高速的17位×17位的硬件乘法器，1个40位的ALU，主控芯片的快速处理能力和丰富的DSP指令系统可使张力计控制系统快速采集、运算张力值。
（3）低功耗，能在工业级温度和扩展级温度范围内工作，适应很宽的工作电压，表明主芯片有很高的工作可靠性，为张力计控制系统稳定工作提供有利条件。
dsPIC30F4012 采用5V 供电，控制系统的其他芯片也采用5V供电，因此芯片引脚可直接相连。dsPIC30F4012最小系统电路包括外部上电复位电路、时钟电路等，如图5所示。
图5 dsPIC30F4012最小系统电路Fig.5 Dspic30f4012 Minimum System Circuit
3.2 角度监测电路
为了实时监测受拉弯折钢丝绳的张角，上下两转动杆件销轴末端处设置一磁性角度传感器AS5045。AS5045是一种12位无接触式磁性编码器，其分辨率达到0.0879°。测量角度时，只需简单地在芯片中心的上方放置1个旋转旋转双极磁铁即可[5]。
转动销轴与上转动杆件连接孔可间隙配合，销轴与下转动杆件连接孔可过盈配合，置一磁铁于销轴末端处，把AS5045角度监测电路板安装于上转动杆件，使AS5045芯片中心与磁铁中心在销轴轴心连接线上，这样AS5045所采集到的角度变化量即为受拉钢丝绳的张角变化量。AS5045的电路连接，如图6所示。
图6 As5045接口电路Fig.6 As5045 Interface Circuit
3.3 张力采集电路
参照普通弹簧测力法的工作方式，水平径向拉动钢丝绳至（100～150）mm，其拉力范围基本小于150N[6]。显然，水平拉动距离越大，弯折钢丝绳的张角变化量越大，则AS5045的角度测量误差对张力计的测量精度影响越小。
同时，所需拉力越大。综合考虑测量误差和操作便捷性，选用量程为400N的悬臂梁传感器作为张力传感器，该张力传感器体积轻巧、布置方便。传感器尺寸仅为（40×8×4）mm，安装时只需带线端右端固定，左端呈悬臂梁方式，承受压力。主要电气技术参数，如表1所示。传感器外形，如图7所示。
表1 悬臂梁测力传感器主要技术参数Tab.1 Main Technical Parameters of Cantilever Force Sensor
图7 悬臂梁张力传感器Fig.7 Cantilever Tension Sensor
传感器的满量程电压=激励电压×灵敏度1.0mV∕V[7]，而激励电压采用5V，故该传感器的满量程电压仅为5mV。为提高A∕D转换精度，需对张力电压信号进行放大，同时为简化电路，选用一款专为高精度电子秤而设计的24位A∕D转换芯片HX711[8]，适合作为悬臂梁传感器的张力信号转换芯片。原因如下：
（1）悬臂梁传感器满流程输出电压信号仅为5mV，而HX711具有通道A 和通道B 两个输入通道，而通道A 的可编程增益为128或64，根据不同差分输入信号的幅值，选用合适的增益，能对悬臂梁传感器的微弱信号进行放大，从而提高转换精度。
（2）HX711集成度高，响应速度快，抗干扰能力强。内部集成了稳压电源。可直接作为悬臂梁传感器的激励电压，故系统板上无需另外的模拟电源为张力传感器及A∕D 转换器提供电源。且HX711内的时钟振荡器不需要任何外接器件。因此把HX711应用于张力检测电路，极大地简化了电路。
（3）HX711 与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，无需对芯片内部的寄存器编程，所有控制信号由管脚驱动。张力数据A∕D 转换完成，需通过HX711 的串口通讯口管脚PD_SCK 和DOUT来进行数据传递。HX711的接口电路，如图8所示。
图8 HX711接口电路Fig.8 Hx711 Interface Circuit
3.4 其它电路
张力计控制系统的其它电路还有外围显示电路、蜂鸣报警电路、按键功能电路、通讯电路。其中外围显示电路用来实时显示张力值和不合格钢丝绳号，采用4位数码管LED显示模块，4位串行芯片74HC595驱动，4位共阳接法，只占用单片机3个I∕O口，595驱动电流大，35毫安每个端口，操作灵活，需要数据线，时钟线，锁存线，数目多的话用595可以方便的组成动态显示，且电路简单成本低。其余电路比较简单，不再累述。张力计的实物控制板，如图9所示。
图9 控制板实物Fig.9 Physical Control Board
在张力计控制系统中，主要完成张力的采集计算和角度的监测。为实现上述2大功能，控制系统软件采用主程序模块和子程序模块。主程序主要实现各个子程序模块的调用，而子程序主要由各个特定功能模块程序组成，如张力采集子程序、角度监测子程序、报警提示子程序、张力数据处理子程序、张力判断子程序等。主程序的软件流程，如图10所示。
图10 主程序软件流程Fig.10 Main Program Software Flow
基于dsPIC30F4012的张力计控制系统上电后，首先进入程序初始化，如I∕O引脚功能定义、定时器设置、中断设置和预定角度的设置。一旦监测到开始测量键动作，系统进入到张力采集状态，随着测量人员水平径向拉动钢丝绳，受拉点弯折钢丝绳张角逐渐变大，系统实时判断角度是否达到预定角度，若钢丝绳张角达到预定角度，张力计发出报警提示音，提醒测量人员已经完成该根钢丝绳的张力测量，可以进入到下一根钢丝绳的张力测量。若钢丝绳的张力全部检测完毕，则计算钢丝绳的平均张力值和各根钢丝绳的张力偏差值，通过计算自动判断出不合格钢丝绳号。
张力计控制系统的精度主要由张力采集模块和角度监测模块的精度决定，而张力监测模块的精度主要影响因素有：悬臂梁传感器的稳态误差、线性度、重复误差和HX711芯片的可靠稳定性。而芯片AS5045的可靠稳定性是达到角度监测模块精度的重要因素。当然，硬件电路本体布置的合理性也是影响控制系统精度的因素之一。为验证张力计控制系统的精度，搭建了张力计控制系统数据监控实验平台，实验平台原理如下：
基于dsPIC30F4012 为主控芯片的下位机控制板内嵌张力数据A∕D转换芯片HX711实时采集处理来自于悬臂梁传感器的张力电压信号，而角度信号则是通过AS5045的同步串行接口与下位机控制板进行数据传递；
上位机用LabVIEW语言编写，建立一个张力、角度数据监控平台，用来存储和显示接收到的数据；
上下位机间的通讯方式采用RS232，通过上下位机通讯，实现信号采集，数据存储[9]。因张力计工作拉力范围通常在150N之下，故确定试验最大载荷为150N。25N、50N、75N、100N、125N、150N这6种载荷工况可采用标准砝码。实验平台，如图11所示。
图11 精度验证实验平台Fig.11 Precision Verification Experiment Platform
5.1 系统稳定性测试
保证控制系统的稳定性是达到张力计精度的前提，特别是张力采集模块和角度监测模块的稳定性。分别在空载、50N、100N、150N的载荷状况下、采用基于LABVIEW为上位机中的文件I∕O功能对张力数据进行存储，而张力采集模块HX711采集的张力数据为24位数字量，发现24位数据中的后8位波动很大，经多次重复试验，前16位采集数据，如表2所示。
表2 不同载荷状况下张力数据波动Tab.2 Tension Data Fluctuation Under Different Load Conditions
由表2可知：（1）数据波动与载荷状态关系不大，在不同的载荷状态下，张力数据波动维持在4个单位内。在150N的载荷范围内，其稳定性为99.92%。（2）载荷状况从空载到50N，张力数据变化量为1692 个单位，4 个单位的数据波动量转换成张力为0.1N，处于张力计的精度2%范围之内。
而对角度监测模块AS5045的12为角度数据量进行采集，只要磁铁与AS5045的安装位置符合要求，其数据稳定性为100%。故控制系统的稳定性、重复性能符合系统精度要求。
5.2 张力采集模块线性度测试
张力计对各钢丝绳张力合格的判定是基于所测各钢丝绳张力与平均张力的偏差是否在5%之内，故验证张力采集模块的非线性度误差更显必要，而对张力模块的稳态误差可不进行验证。选取空载、25N、50N、75N、100N、125N、150N 等7 种标准载荷状况，因空载载荷状况下，其载荷为0，故需对各载状况下的张力数据进行校准调零[10]，分别对各载荷状况下的张力数据减去空载状况下的张力数据。为方便统计分析计算，把校准调零后的16进制张力数据转化为10进制数据，张力数据，如表3所示。对这些数据用Matlab中的polyfit函数作线性拟合，如图12所示。
图12 张力值线性拟合Fig.12 Linear Fitting of Tension Value
表3 不同载荷状况下采集的张力值Tab.3 Tension Values Collected Under Different Load Conditions
由图12可知：各个载荷状况下的张力数据值基本成线性，经计算最大非线性度误差产生于75N的标准载荷状况下，非线性度误差为0.14%，其余各载荷状况下的非线性误差均在0.1%之下。故在150N的载荷量程下，张力采集模块的非线性度为0.14%，与悬臂梁传感器的非线性度0.1%基本吻合。产生偏差的原因在于张力A∕D转换芯片的测量误差、电路电源的波动及标准载荷砝码误差等。
（1）设计了一种操作方式类似于普通弹簧秤测力法的便捷式电梯钢丝绳电子张力计，通过测量钢丝绳工装结构的张角来确定各钢丝绳是否拉至同一水平径向位置，操作方便，携带轻便，精度精准。
（2）设计了以DSPIC30F4012为主控芯片，以HX711+悬臂梁传感器为张力采集模块，以AS5045为角度监测模块的张力计控制系统。搭建了以LabVIEW为主控界面的实验平台，实验证明：该控制系统张力测量稳定性高达99.92%，而角度传感器稳定性高达100%。张力测量的非线性误差在0.14%，均在张力计设计精度范围内，该控制系统的设计开发满足张力计的精度要求。
猜你喜欢 杆件钢丝绳张力 巧测水膜张力少儿科技(2022年4期)2022-04-14考虑节点偏差、杆件缺陷与偏心的单层三向柱面网壳稳定性研究工程力学(2022年2期)2022-02-11启蒙理性中生命的内在张力及其超越马克思主义哲学研究(2021年2期)2021-06-05基于临时支撑结构的杆件初弯曲对其轴压性能的影响四川建筑(2021年1期)2021-03-31翻转，让记叙文更有张力新世纪智能(高一语文)(2020年9期)2021-01-04预张紧钢丝绳网片加固混凝土梁钢丝绳应力损失研究山东交通科技(2020年2期)2020-08-13钢丝绳楔形接头连接失效分析与预防中国特种设备安全(2019年11期)2020-01-16中心受压杆件的承载力计算方法煤(2019年12期)2019-12-12电梯钢丝绳更换方法的探讨中国特种设备安全(2018年11期)2019-01-08论张力中华诗词(2018年4期)2018-08-17