电梯光幕的原理性能和检测方法

【摘 要】电梯光幕作为电梯出入口的安全保护装置,对乘客的安全起到重要的保护作用,基于目前国内没有专门的国家标准及检验方法,其产品质量良莠不齐,因此本文主要从电梯光幕结构和工作原理,电梯光幕的技术标准,电梯光幕的产品性能要求三方面的光幕原理性能进行探究,并在此基础上研究针对电梯光幕行业的统一检测方法.

【关 键 词】光幕技术标准检测方法

电梯作为现代建筑中不可缺少的交通运输工具,已与人们的日常生活息息相关.随着电梯的大量使用,电梯安全事故越来越受到公众的关注,其中电梯关门过程中夹人或撞击货物的事故发生较多,日益引起关注.早期的电梯门安全保护装置普遍采用安全触板开关,这种保护装置灵敏度低、反应迟钝,使用过程中需要撞击到乘客才起作用,更无法识别乘客的衣裙、提兜等轻柔之物.现在较为普遍使用的是专用的电梯光幕.

1电梯光幕结构和工作原理

电梯光幕是一种利用光电感应原理而制成的电梯门安全保护装置,由安装在电梯轿门两侧的红外发射器和接收器和电源与输出控制器三大部分组成.光幕发射端内有若干个红外发射管,在MCU的控制下,发射接收管依次打开,一个发射头发射出的光线被多个接受头接收,形成多路扫描.通过这种自上而下连续扫描轿门区域,形成一个密集的红外线保护光幕.当其中任何一束光线被阻挡时,由于无法实现光电转化,光幕判断有遮挡,因此输出一个中断信号.这个中断信号可以是开关量的信号,也可以是高低电平的信号.控制系统接到光幕给的信号后,立即输出开门信号,轿门即停止关闭并反转开启,直至乘客或阻挡物离开警戒区域后电梯门方可正常关闭,从而达到安全保护目的,这样可避免电梯夹人事故的发生.

光幕的一边等间距安装有多个红外发射管,另一边排列着红外接收管,每一个红外发射管都对应着若干个红外接收管.当红外发射管发出的调制信号（光信号）能顺利到达红外接收管.红外接收管接收到调制信号后,进行光电转换,而在有障碍物的情况下,红外发射管发出的调制信号（光信号）不能顺利到达红外接收管,这时该红外接收管接收不到调制信号,从而无法进行光电转换.这样,通过对内部电路状态进行分析就可以检测到物体存在与否的信息.

电梯光幕分直线扫描方式和交叉扫描方式,在直线扫描模式下,单片机每次向发送端和接收端发送相同的通路选择信号,即第一路发第一路收、第二路发第二路收、等第十五路发第十五路收、第十六路发第十六路收.而在交叉扫描模式下,单片机每次向发送端和接收端发送不同的通路选择信号.即第一路发第二路收、第二路发第一路收、等第十五路发第十六路收、第十六路发第十五路收.相比之下,交叉扫描模式对物体的高度测量更为精确,且在检测区域中心1/3处的检测精度最高.最小检测高度可缩至直线扫描模式下的2/3.但是考虑到实际需要,现在普遍使用的都是直线扫描方式的安全光幕.

2电梯光幕的技术标准

目前我国电梯光幕的生产企业较多,产量也很大,但直到现在还没有专门的国家标准或行业标准,与之较为接近的标准有GB/T19436.1-2004《机械电气安全电敏防护装置第1部分：一般要求和试验》（idtIEC61496-1-2004）和GB/T19436.2-2004《机械电气安全电敏防护装置第2部分：使用有源光电防护器件（AOPDs）设备的特殊要求》（idtIEC61496-2-2004）,下面对这两个标准的对光幕的主要要求做简单的介绍.

GB/T19436.1-2004《机械电气安全电敏防护装置第1部分：一般要求和试验》主要规定了用于机械防护的电敏防护装置的设计、制造和试验的一般要求,主要包括：

（1）电源：规定了不同供电的光幕的电源的适用范围,如采用换能装置供电的光幕其电源电压范围为0.9～1.1倍额定电压.（2）使用环境温度和湿度.（3）电骚扰,包括电源电压变动、电压中断、电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击、电磁场干扰、传导骚扰、静电放电等.（4）机械环境,包括振动、碰撞、外壳防护等要求.

GB/T19436.2-2004《机械电气安全电敏防护装置第2部分：使用有源光电防护器件（AOPDs）设备的特殊要求》规定了使用有源光电防护器件（AOPDs）设备的机械电气安全电敏防护装置的要求,而电梯光幕属于这一类型的设备.该标准的主要要求包括：（1）发射/接收装置允许的偏离角.（2）光电元件工作波长.（3）光干扰,包括不同的干扰光类型及强度.

3电梯光幕的产品性能要求

由于以上两个标准均为推荐性标准,且部分条款也不是专门针对电梯光幕,电梯光幕因其使用环境的特殊性,其性能参数还有其它一些具体的要求,但目前没有专门的国家标准或行业标准,我们经过对国内外主要电梯光幕的性能参数的研究,归纳其出其主要性能参数.

3.1光点数、光点间距、光束数和盲区

光点数指光幕的发射和接收光电器件对数,常用的有16点、32点.光点间距指发射装置或接收装置中光电器件的光点中心距离之最大值.光束数是指一个完整的工作周期中,光幕以几种不同方式所形成的光束线的数量总和（如图1所示）.光束数和光点数是两个不同的概念,电梯光幕在设计时利用光的散射性原理,一个发射头发射出来的光在远距离能覆盖到多个个接收头,逐个扫描,这就是所谓的多路扫描.当然最上端和最下端的发射头,都会有几束光由于光线散射的物理原因接收不到.例如,一款光幕的光点数是32,即有32组发射和接收光电器件,每个接收管能收到7个发射管的信号,这样的光束数即为32*7-12等于212.

盲区指光幕发射端和接收端之间光束没有经过的区域,在该区域内光幕无法检测到阻挡物.同样光点数的情况下增加光束数可以减小盲区,但要注意光幕的有效光束数是随着发射端和接收端的距离变化而变化的,如下图,TX是发散端,RX是接受端.发射端的红外光是散射出来的.一般来说透镜的设计是角度恒定的,所以当RX处于B处的时候,实现3路扫描；当RX处于C处时实现5路扫描.当RX处于A处时候,只能实现1路扫描,就是所谓的平行光.实际上电梯要夹人,都是在最后的15～20CM行程中,而这时光幕的有效光束数已经减少,甚至与光点数一致了（如图2所示）.因此,决定光幕探测性能和成本的主要参数是光点数而不是光束数,一般普通安全等级的光幕只有16个发射、接收头,这样在轿门夹人的最后一段行程,将会有十几厘米的盲区,如果手臂在该区域内不动,还是由可能被夹的,但主要乘客挥一下手臂,肯定能越过盲区,轿门会重开.安全等级高的光幕,有32个发射、接收器件,这样在轿门夹人的最后一段行程,盲区只有不到6厘米,成年人即使手臂不动也不会夹到了.

3.2最大有效探测距离

最大有效探测距离发射装置与接收装置被置于一个无外界红外光源和反射红外光线的空间平面内时,光幕能持续稳定地有效探测物体的情况下,发射装置的透镜表面与接收装置的透镜表面之间的最大距离.一般电梯开门宽度在2.5m之内,所以大部分电梯光幕的最大有效探测距离为3m.

3.3安装允差

安装允差指光幕能确保正常工作的情况下,发射装置和接收装置在安装时在垂直、水平、倾斜方向的最大允许偏差,其中垂直、水平方向允差以mm为单位,倾斜允差以角度为单位.

3.4响应时间

从光束线被确定阻断的那一刻到光幕对外输出（继电器触点或逻辑电平等）信号时所经历的时间为遮光响应时间.响应时间是考核电梯光幕响应速度的参数,通常为毫秒等级.

3.5抗光干扰

光幕经受太阳光、白炽光、高频电源激发的荧光、频闪光以及来自相同设计的发射元件的辐射时应能正常工作.在电梯实际使用环境中,这种光干扰最大的可能是太阳光,特别是轿门有阳光直射到的电梯.

3.6工作可靠性

带额定负载进行探测工作100万次,系统探测失效次数N应不大于4.

4电梯光幕的检测方法

GB/T19436.1-2004《机械电气安全电敏防护装置第1部分：一般要求和试验》中对电梯光幕的一般项目,如电源、电骚扰、振动、碰撞、等给出了具体要求,但对光幕的一些具体的产品性能参数,需要专用的检测设备在专门环境下进行检测.

4.1检测设备

可采用专用的试验装置或其它等效的试验台架,如我们研制的电梯光幕综合性能测试装置机械部分由铝合金支架,水平错位步进电机,垂直错位步进电机,角度错位步进电机,光栅尺,各种限位开关,伺服电机,导轨和滑轮等组成,如（图3）所示.

该装置能适应各种型号和尺寸的电梯光幕,测试的最大有效探测距离可达5.5m,并可实现垂直方向和水平方向错位距离、角度错位等多个变量的自动调节,再配与干扰光源、响应时间测量的双通示波器等,可以测量电梯光幕的光点数、盲区、有效距离、允许错位、响应时间、光干扰、动作可靠性等全部的项目.

4.2测试环境

试验场所应为顶高大于3m的室内,四周墙面应无红外光源,无反光镜面,无电磁辐射源和热辐射源.室内照明光源距接收装置的最小距离应始终大于2m.试验环境的温度、湿度、气压等应符合被测试样品的使用环境.

4.3检测方法

电梯光幕的检测项目较多,各项目可按照试验装置的使用说明书逐一完成,现以光幕响应时间测试为例,简单介绍试验方法：将光幕输出信号接到双通示波器的输入1通道,将遮光物的位置开关信号接到示波器的输入2通道,调节遮光物位置开关,使遮光物能在光幕工作区刚起作用的位置时该开关同时动作.遮光物先退出光幕工作区,再以最高速度运动进入光幕工作区并停留不少于50ms,从示波器读取两个阶跃信号的时间差,就是遮光物进入检测区开始,到电梯光幕输出的时间,也就是光幕的响应时间,该时间一般为几十毫秒,而示波器的精度为1ms,可以满足测试的精度要求.

5结语

电梯光幕作为电梯出入口的安全保护装置,对乘客的安全起到重要的保护作用,目前国内由于没有专门的国家标准及检验方法,其产品质量良莠不齐.因此,在我国电梯光幕使用量越来越大、产品质量较差的情况下,迫切需要制定电梯光幕的国家或行业标准,建立统一的测试方法,加强对光幕的检验,提高产品质量,保证乘客和设备的安全.