基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的電梯健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

巫濤江，余曉毅，張春娟，尹勁松，石勝輝

(1.電梯智能運維重慶市高校工程中心，重慶 402260；2.重慶理工大學(xué) 光纖傳感與光電檢測重慶市重點實驗室，重慶400054)

0 引言

電梯已成為人們生活中不可或缺的一部分，同時也是現(xiàn)代社會城鎮(zhèn)化建設(shè)中必不可少的重要建筑設(shè)備之一。隨著社會的進步，我國的超高層建筑越來越多，高速電梯的需求也越來越大。此外，國內(nèi)許多重點景區(qū)為了吸引和滿足游客的需求，都會安裝各種大型室外獨立鋼架結(jié)構(gòu)的觀光電梯[1-3]。因此，電梯作為高層建筑、大型景區(qū)觀光上的主要交通工具，對未來電梯技術(shù)進行研究，保障電梯的安全運行，有著重要的意義。同時，隨著自動控制、通訊、計算機、電子等先進技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電梯技術(shù)也正在朝著智能化的方向發(fā)展[4-6]。

各種大型室外觀光電梯健康狀態(tài)的智能遠程安全監(jiān)測對保證乘客的生命安全非常必要，同時有利于對電梯的運行進行安全預(yù)警和按需維保。對于室外觀光電梯大型鋼架結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測的參數(shù)主要包括鋼架應(yīng)變和導(dǎo)軌位移。對電梯鋼架應(yīng)變、導(dǎo)軌位移的傳統(tǒng)方法是采用鋼弦式傳感器，具有靈敏度高的優(yōu)點，但是傳感器存在布線復(fù)雜、退化快的問題。光纖光柵式傳感器具有靈敏度高，體積小，質(zhì)量小，抗電磁干擾，全光纖化，易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化及遠程傳感等優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其傳感器及解調(diào)系統(tǒng)成本已降到很低的水平，被廣泛應(yīng)用于各種實際工程結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變、壓力、位移及振動等物理量的實時監(jiān)測，如建筑、橋梁、大壩、公路、隧道等大型建筑物應(yīng)變、溫度、振動等多參量的實時監(jiān)測[7-10]。

本文利用光纖光柵式傳感器構(gòu)成準(zhǔn)分布式光纖網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計和構(gòu)建應(yīng)用于電梯鋼架結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，主要為室外大型電梯的安全運行提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和安全預(yù)警功能，并為按需維保提供大數(shù)據(jù)支撐。

1 基本原理

1.1 電梯的獨立鋼架結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有電梯可分為電梯井結(jié)構(gòu)電梯、室外鋼架結(jié)構(gòu)豎行電梯及斜行電梯3種。目前豎行電梯除安裝在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的形式外，還存在獨立于建筑物之外的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式的電梯大多采用鋼架結(jié)構(gòu)來搭建和安裝，對電梯運行起到支撐和保護作用。此時，需要對導(dǎo)軌位移、轎廂振動信號進行監(jiān)測，以及對外圍鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布實時監(jiān)測，保障電梯安全運行。

斜行電梯作為一種新型的電梯形式，主要應(yīng)用于一些特殊場合，如旅游觀光景點、不規(guī)則結(jié)構(gòu)建筑安裝電梯等。這些電梯使用場所環(huán)境較復(fù)雜，因而實現(xiàn)此類電梯的安全監(jiān)測非常必要，同時需要監(jiān)測的參數(shù)也會隨之增多。此外，由于斜行電梯不是做垂直運動的，因此，導(dǎo)軌在電梯運行過程中會受到較大的應(yīng)力，甚至產(chǎn)生形變。對此類電梯的安全監(jiān)測除包括導(dǎo)軌位移、轎廂振動、鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力檢測外，還需考慮導(dǎo)軌應(yīng)力分布及形變等因素。

1.2 光纖光柵傳感器原理

光纖布喇格光柵(FBG)是在光敏光纖的纖芯中引入周期性的折射率條紋調(diào)制，一般FBG的光柵周期設(shè)計為500～550 nm，長度為幾毫米。根據(jù)光纖耦合模理論可知，當(dāng)寬帶光在FBG中傳輸時，纖芯模產(chǎn)生模式耦合，滿足布喇格條件的光被反射回來，反射光的中心波長[7]為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為布喇格中心波長；neff為光纖纖芯有效折射率;Λ為光柵周期。由式(1)可知，F(xiàn)BG的λB由neff和Λ決定，任何外界環(huán)境(應(yīng)變、溫度及壓力等)的變化使這兩個參數(shù)發(fā)生變化都將導(dǎo)致FBG的λB發(fā)生漂移。實際應(yīng)用中，通過光纖光柵解調(diào)儀檢測FBG的λB的變化量就可測量外界參數(shù)的變化。

FBG的中心波長漂移(ΔλB)與它所受的縱向應(yīng)變(Δε)的關(guān)系[11]為

ΔλB=λ(1-pe)Δε=KεΔε

(2)

式中:pe為光纖的彈光系數(shù)；Kε為FBG的縱向應(yīng)變靈敏度。由式(2)可知，F(xiàn)BG對縱向應(yīng)變的響應(yīng)具有良好的線性度。

FBG的溫度靈敏度(KT)[11]為一常數(shù)，其大小僅取決于光纖材料的熱光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及布喇格波長，因此，F(xiàn)BG是一種線性特性良好的溫度傳感器。KT為

KT=(ξ+α)λB

(3)

式中ξ和α分別為FBG的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。實際應(yīng)用中，F(xiàn)BG會同時受到多個參數(shù)的影響，如應(yīng)變和溫度的同時變化，將導(dǎo)致其響應(yīng)為多個參數(shù)的總體效應(yīng)，因此，需要對這些被檢測參數(shù)進行解耦合。一般是將兩個諧振波長不同的FBG串聯(lián)并進行外部封裝，構(gòu)成一個傳感器，該封裝后的“雙FBG”傳感器則可同時對應(yīng)變和溫度進行檢測。

2 電梯鋼架結(jié)構(gòu)的光纖光柵遠程傳感監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

本監(jiān)測系統(tǒng)主要包括電梯鋼架結(jié)構(gòu)監(jiān)測現(xiàn)場的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，位于機房的光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀，設(shè)置于遠端的電梯運維監(jiān)測中心的結(jié)構(gòu)健康分析軟件，如圖1所示。光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)由準(zhǔn)分布式光纖光柵應(yīng)變傳感陣列和準(zhǔn)分布式光纖光柵位移傳感陣列構(gòu)成，采用“空分復(fù)用+波分復(fù)用”的方案，并需要根據(jù)電梯鋼架結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌的監(jiān)測關(guān)鍵點進行傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

圖1 基于準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的電梯鋼架結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，光纖光柵應(yīng)變傳感器主要對電梯的外部獨立鋼架的應(yīng)變變化進行動態(tài)監(jiān)測，光纖光柵位移傳感器主要對電梯導(dǎo)軌與鋼架的間距變化進行動態(tài)監(jiān)測，如圖2所示。FBG的傳感信號被反向傳播后通過通信光纜傳輸?shù)蕉嗤ǖ绖討B(tài)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，實時解調(diào)各個FBG傳感單元的波長漂移量并計算相應(yīng)的外部參數(shù)值。多通道動態(tài)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)出來的各FBG傳感單元的外部參數(shù)值，通過計算機以太網(wǎng)實時傳輸至遠端的電梯運維監(jiān)測中心的結(jié)構(gòu)健康分析軟件，完成數(shù)據(jù)的存儲、分析及可視化顯示。

圖2 準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)在豎型和斜型電梯鋼架結(jié)構(gòu)中的設(shè)置

2.2 FBG應(yīng)變和位移傳感器陣列設(shè)計

準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)采用“空分復(fù)用+波分復(fù)用”設(shè)計方案，以豎型電梯鋼架結(jié)構(gòu)的監(jiān)測為例(與斜型電梯設(shè)計方案一致)(見圖3)，多通道光纖光柵解調(diào)儀通過24芯通信光纜空分復(fù)用連接多條光纖線路,每條光纖線路對應(yīng)一路壓力傳感通道或位移傳感通道(一條通道對應(yīng)一條單芯光纜)，每一條通道按照波分復(fù)用的方式級聯(lián)多個光纖光柵應(yīng)變計或位移計通過光纖合束器與多芯光纜跳線連接。光纖光柵應(yīng)變計和光纖光柵位移計分別對電梯外部獨立鋼架的應(yīng)變和導(dǎo)軌與鋼架的間距變化進行傳感,如圖3所示。光纖光柵應(yīng)變計和光纖光柵位移計都采用“雙FBG”封裝的方法，其中的一個FBG傳感單元用于溫度補償，因此,應(yīng)變計及位移計同時也能夠獲得監(jiān)測點的溫度值。

圖3 準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與安裝

準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)“空分復(fù)用+波分復(fù)用”的原則是：不同通道的FBG傳感單元諧振波長可重疊，且均處于C波段(1 525～1 565 nm)，相同通道的FBG傳感單元的諧振波長不同，且相互間的波長間隔需大于2 nm。此外，相同通道的多個應(yīng)變計或位移計的諧振波長在C波段中分為下波段(1 528～1 548 nm)和上波段(1 548～1 568 nm)，則單個應(yīng)變計或位移計中，用于應(yīng)變或位移測量的FBG的諧振波長設(shè)計在C波段的下波段區(qū)域，而用于溫度補償測量的FBG的諧振波長設(shè)計在C波段的上波段區(qū)域，這樣將有利于提高對應(yīng)變(位移)或與溫度的解耦精度。

2.3 光纖光柵應(yīng)變計和位移計解調(diào)算法

根據(jù)傳感器采用雙FBG的結(jié)構(gòu)，光纖光柵應(yīng)變計檢測應(yīng)變大小的解算公式[12]為

(4)

對于光纖光柵位移計，也是基于應(yīng)變的原理，即外部位移量通過給位移計中的應(yīng)變光柵加載應(yīng)變，將位移量的大小轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量的大小進行測量，因此,光纖光柵位移計具有與應(yīng)變計類似的計算公式，其位移量[12]為

(5)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀(GC-97001C)具有高重復(fù)性，高精度，高速測量，大容量，全半導(dǎo)體部件，穩(wěn)定可靠，所有通道同步測量，獨立自動/手動增益控制，大動態(tài)范圍及內(nèi)置絕對參考的特點，其主要性能參數(shù)如表1所示，供電電源5 V DC/4 A，功耗約15 W。根據(jù)本應(yīng)用的復(fù)用設(shè)計方案，該光纖光柵解調(diào)儀空分復(fù)用8個通道，每個通道可通過波分復(fù)用20個(40 nm/2 nm)FBG傳感單元，即10個雙FBG的應(yīng)變計(或位移計)，則該系統(tǒng)能夠最多同時解調(diào)80個應(yīng)變計(或位移計)的光譜參數(shù)。

表1 動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀(GC-97001C)性能參數(shù)

本工程中使用的光纖光柵應(yīng)變計安裝于鋼結(jié)構(gòu)表面，用于監(jiān)測電梯鋼架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點的應(yīng)變，拉桿式光纖光柵位移計用于電梯導(dǎo)軌與其鋼架結(jié)構(gòu)的位移變化的監(jiān)測，它們防護等級均為IP68，雙端出纖FC/APC接口，出纖光纜可承受100 N的拉力，適應(yīng)環(huán)境溫度-40～+120 ℃，濕度小于95%，無凝露。

3.2 測試分析

為驗證本方案設(shè)計的可行性，測試采用4層電梯鋼架結(jié)構(gòu)模型，并使用本案的動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀(GC-97001C)其中兩個通道，通過波分復(fù)用方式分別串接3個鋼結(jié)構(gòu)表面安裝光纖光柵應(yīng)變計和3個拉桿式光纖光柵位移計，并采用貼裝的方式分別安裝于電梯鋼架結(jié)構(gòu)上及電梯導(dǎo)軌和鋼架之間的空間，電梯實物模型及傳感器安裝的局部圖片效果如圖4(a)所示。

圖4 電梯實物模型及傳感器安裝的局部圖片效果及電梯鋼接結(jié)構(gòu)運行健康狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)界面

根據(jù)動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀的通訊接口協(xié)議和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，用LabVIEW開發(fā)了“電梯鋼接結(jié)構(gòu)運行健康狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)”，界面效果如圖4(b)所示。器件參數(shù)和監(jiān)測點設(shè)置好后，可根據(jù)實際情況設(shè)置電梯鋼架結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點應(yīng)變、位移及溫度的報警閾值，測試中分別設(shè)置為300 με、4 mm和30 ℃。在測試過程中，通過人為在監(jiān)測點施加應(yīng)變、位移及溫度的變化，表明當(dāng)監(jiān)測點應(yīng)變、位移及溫度超過設(shè)定閾值后，系統(tǒng)現(xiàn)實報警響應(yīng)時間小于1 s，連續(xù)測試1個月，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)束語

本文利用在鋼結(jié)構(gòu)表面安裝光纖光柵應(yīng)變計和單個拉桿式光纖光柵位移計光纖光柵式傳感器構(gòu)成準(zhǔn)分布式光纖網(wǎng)絡(luò)，采用“空分復(fù)用+波分復(fù)用”的方式設(shè)計和構(gòu)建應(yīng)用于電梯鋼架結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和軟件分析系統(tǒng)，通過試驗測試，系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)，穩(wěn)定性良好。該系統(tǒng)為室外大型豎型和斜型電梯的安全運行提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和安全預(yù)警功能，可為其“按需維?！碧峁┐髷?shù)據(jù)支撐。