如何利用激光测距技术实现电梯轿厢1-2毫米级精准平层，并提升整体运行平稳性？【智能维保，乘坐舒适度】

1. 电梯的基本结构与技术要求

电梯作为垂直交通工具，其核心在于安全、平稳和高效地运载人员或货物。我们可以把电梯想象成一个巨大的、在井道中精确运行的“盒子”（轿厢），它通过钢丝绳与对重块连接，由曳引机驱动上下移动。这个“盒子”的平稳运行，就像是列车在笔直的轨道上高速行驶，要求不能有晃动、颠簸，并且要在每个楼层准确停靠。

为了实现这些要求，电梯在设计和运行中就对一系列参数有极高的要求：

• 位置精度和重复性：电梯在停靠楼层时，轿厢底板与楼层地面的高度差必须在非常小的范围内（通常是毫米级），确保乘客进出平稳，避免绊倒。这就好比火车站台与列车车厢的间隙和高度，不能太大也不能太高，方便乘客上下。

• 速度和加速度：电梯需要平稳启动、加速、匀速运行、减速和停止。这些过程中的速度和加速度曲线必须经过精心设计和精确控制，以保证乘坐舒适度，避免乘客产生不适感。过快或过慢的加减速都会影响体验，甚至可能引起安全问题。

• 平稳性：运行过程中，轿厢不应出现过度的横向或纵向振动。这就好比汽车在高速公路上行驶，如果悬挂系统不好，就会感到颠簸和摇晃。对于电梯来说，振动不仅影响舒适度，也可能加速机械部件的磨损。

• 门系统状态：电梯门是与乘客直接接触的部件，其开关动作的速度、到位精度以及是否存在障碍物，都直接关系到乘客的安全。门在关闭过程中，不能有异常的撞击，开启时也要顺畅。

对电梯运行状态进行实时监测，目标就是为了持续评估和保障这些关键参数的性能，及时发现潜在问题，从而提高电梯的安全性、可靠性和乘坐舒适度。

2. 电梯监测相关技术标准简介

为了确保电梯的安全运行和乘坐舒适度，行业内制定了严格的技术标准，对电梯的多种监测参数进行了明确的定义和评价方法。

• 速度和加速度监测：电梯的速度通常指轿厢在垂直方向上的运行速率，而加速度则是速度变化的快慢。评价方法通常是通过传感器实时获取轿厢的位置信息，然后对位置数据进行一阶导数运算得到速度，再对速度数据进行一阶导数运算得到加速度。这些数值会与预设的舒适度曲线和安全限制进行对比。例如，一个健康的电梯，在启动和停止时，其加速度曲线会是平滑的S形，而不是突然的冲击。

• 平层准确度：这指的是电梯轿厢停止时，其底板与层站地坎之间的垂直高度误差。这个误差越小，乘客进出电梯就越平稳，跌倒的风险也越低。评价方法通常是在电梯完全停止后，使用高精度位移传感器测量轿厢与楼层之间的距离，并记录误差值。

• 振动水平：电梯轿厢在运行过程中，会受到导轨不平、部件磨损等因素的影响而产生振动。振动水平通常通过测量轿厢在不同方向（垂直、水平）的加速度或位移来评估。评价方法包括计算振动的均方根值、峰值或进行频率分析，以判断振动是否超出舒适度或安全限值。过大的振动不仅乘坐不适，还预示着机械部件可能存在故障。

• 噪音水平：电梯运行中产生的噪音同样是影响乘坐舒适度的重要因素。噪音通常通过声级计在轿厢内测量。评价方法通常是记录运行过程中的最大声级或平均声级，并与标准限值进行比较。

• 门系统性能：这包括电梯门的开关速度、重复启闭的平稳性以及防夹功能的有效性。评价方法通常是通过传感器监测门的运行轨迹、开关时间，以及在门关闭过程中遇到障碍物时的反应速度和反向力。

通过对这些参数的持续监测和评价，可以为电梯的日常维护、故障诊断和性能优化提供重要的依据。

3. 实时监测/检测技术方法

电梯运行状态的实时监测需要高精度、高频率的传感器技术。市面上有多种成熟的技术方案，它们各有侧重，适用于不同的监测需求。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 飞行时间原理激光测距技术 (Time-of-Flight, ToF)

想象一下，你对着一个远处的物体大喊一声，然后等待回声。从你喊出到听到回声的时间间隔，就能粗略估算出物体有多远。飞行时间原理（ToF）激光测距传感器的工作方式就是这样，只不过它不是喊声，而是发射出一束激光脉冲，然后精确测量这束激光从发出、碰到目标物体反射回来，再被传感器接收到的整个“飞行时间”。

• 工作原理与物理基础：传感器内部的激光发射器会周期性地发射出非常短的激光脉冲。这些激光脉冲以光速（c，大约是每秒30万公里）在空气中传播。当脉冲遇到电梯轿厢或其特定部件的表面时，部分光线会被反射回来，被传感器的接收器接收。传感器内部的高速计时电路会精确记录激光脉冲从发射到接收的总时间 Δt。根据光速不变原理，光走过的总距离是 c * Δt。由于激光是往返了一次（发射到目标，再从目标返回），所以目标与传感器之间的距离 D 就是总距离的一半。

  核心公式：D = (c * Δt) / 2 其中，D 是传感器到目标的距离，c 是光速，Δt 是激光脉冲往返的飞行时间。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常较广，从几厘米到几百米甚至更远。

  • 精度：毫米级到厘米级，例如±1mm。

  • 测量频率（响应时间）：可达到数百赫兹（Hz），意味着每秒可以测量数百次，响应时间在几毫秒。

  • 分辨率：取决于计时精度和激光波长，可以达到亚毫米级。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 长距离测量能力：适用于电梯井道这样较长的测量场景，一个传感器可能就能覆盖整个井道的部分距离。

    • 非接触测量：不会对电梯运行造成任何干扰或磨损。

    • 环境适应性好：对环境光线变化、目标物体的颜色和反射率有较好的鲁棒性（通过特殊算法和处理），甚至能在户外阳光下工作，也能够测量高温物体。这就像你在一个复杂的环境下，依然能准确地判断距离。

    • 安装灵活：传感器可以安装在远离被测目标的位置，避免直接接触带来的问题。

  • 缺点：

    • 成本相对较高：特别是高精度、长距离的产品。

    • 受目标表面特性影响：虽然有优化，但目标表面的粗糙度、反射率等仍可能对测量结果产生一定影响。

    • 对快速微小振动检测不如特定传感器：对于电梯轿厢在毫米甚至微米级的微小振动检测，其精度和频率可能不如激光三角测量或压电式加速度计那么极致。

• 适用场景：电梯轿厢的实时位置监测、楼层平层校准、超行程保护、电梯门区安全距离检测等。

3.1.2 激光三角测量法

激光三角测量，顾名思义，是利用几何学中的三角原理来测量距离。你可以把它想象成人的双眼视差，两只眼睛看到同一个物体，由于角度不同，大脑就能判断出距离。

• 工作原理与物理基础：传感器向被测物体表面发射一束激光点或线，这个激光点在物体表面形成一个光斑。传感器内部分离的接收器（通常是CMOS或CCD图像传感器）会从一个特定的角度接收这个反射光斑。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光斑在接收器上的成像位置也会随之移动。通过精确计算这个光斑在图像传感器上的位置偏移量，结合传感器内部光学系统的几何参数（发射器、接收器与基线的距离），就可以高精度地计算出物体与传感器的距离。

  核心公式：ΔX = f * tan(θ) D = L * f / ΔX (简化示意，实际公式更复杂，涉及几何三角关系) 其中，ΔX 是光斑在接收器上的位置偏移量，f 是接收透镜的焦距，θ 是反射光线角度的变化，L 是传感器基线长度，D 是距离。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常较短，从几十毫米到几百毫米（如±150mm）。

  • 精度：微米级，非常高（例如1μm）。

  • 采样频率：极高，可达数百千赫兹（kHz），响应非常迅速。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 超高精度：能够检测毫米甚至微米级的位移变化，非常适合精细的距离、厚度或振动测量。

    • 高速响应：可以捕捉物体快速的运动和振动，实时性极强。

    • 非接触测量：不干扰被测物体。

  • 缺点：

    • 测量范围受限：由于几何原理的限制，通常只能用于短距离测量。

    • 受目标表面特性影响：如反射率、粗糙度、颜色、倾斜角度等对测量精度有较大影响。

    • 成本相对较高：高精度产品价格不菲。

• 适用场景：电梯轿厢的微小振动监测、门板间隙精确测量、导轨变形监测、以及对平稳性有极高要求的精确位移控制。

3.1.3 增量式光栅编码器

增量式光栅编码器可以看作是一把超精密的“尺子”和一把能“读数”的“卡尺”。这把尺子（光栅尺）上面刻有等间距的精密刻线，而卡尺（读取头）则负责读取这些刻线，从而精确计算出移动的距离和方向。

• 工作原理与物理基础：传感器系统包含两部分：一个具有精密刻线的光栅尺，通常固定在电梯井道的某个位置或轿厢上；另一个是读取头，它安装在电梯的运动部件上（如轿厢或曳引系统）。读取头内部发射光源，光线穿过光栅尺上的刻线，形成类似“莫尔条纹”的光学图案。当电梯移动时，光栅尺相对于读取头移动，莫尔条纹也会随之移动。读取头内部的光电探测器会捕捉这种光学变化，并将其转换为周期性的电信号。这些电信号经过电子电路的细分和处理，最终输出为高分辨率的数字脉冲。通过计算这些脉冲的数量，就可以精确知道电梯移动的距离和方向。

• 核心性能参数：

  • 分辨率：极高，可达纳米级（例如1nm），是目前位移测量中最高的之一。

  • 最大速度：可支持高速运动，最高可达10米/秒。

  • 精度等级：系统总精度可达微米级（例如±1μm）。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 极高精度和分辨率：能实现极其精密的位移和速度测量，确保电梯停靠的绝对准确性。

    • 抗干扰能力强：对于环境光线、温度变化等有较好的抵抗能力。

    • 高速运动下仍能保持高精度：适用于电梯的快速运行。

  • 缺点：

    • 安装复杂：需要精确对齐光栅尺和读取头，且光栅尺的长度受限，可能需要分段安装。

    • 需要物理安装：尽管是非接触读取，但光栅尺本身需要物理安装在运动路径上，可能会受到灰尘、油污等污染，影响性能。

    • 成本高昂：高精度的光栅编码器系统通常价格不菲。

• 适用场景：电梯的绝对位置定位、精确的平层控制、门系统的精确开启和关闭控制，以及需要超高精度位移反馈的特殊电梯系统。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在电梯运行监测领域有代表性的国际品牌及其采用的技术方案。

• 日本基恩士：

  • 技术方案：采用激光三角测量法。

  • 核心性能参数：测量范围通常在±150mm左右，重复精度可达1μm，采样频率最高可达392kHz。

  • 应用特点和独特优势：日本基恩士在工业自动化领域享有盛誉，其激光位移传感器以超高精度和高速响应著称。它们能够实现电梯运行过程中微小位移和振动的高速精准检测，非常适合在线监测电梯的平稳性、振动和速度波动，从而评估乘坐舒适度和运行状态，为预知性维护提供数据支持。

• 英国真尚有：

  • 技术方案：基于飞行时间原理（ToF）。

  • 核心性能参数：测量范围从0.05m到500m，精度可达±1mm，测量速度高达250Hz。可以测量最高1550℃高温物体表面距离，且能在-40℃至+60℃宽泛环境温度下工作。

  • 应用特点和独特优势：英国真尚有的LCJ系列传感器凭借其长距离、高精度和高频率的特点，特别适用于电梯轿厢在整个井道内的位置实时监测和楼层平层校准。其出色的高温测量能力和宽泛的工作温度范围，使其在一些特殊环境（如货梯、高温车间旁电梯）的监测中具备独特优势。同时，IP65的防护等级也保证了其在工业环境中的可靠性，多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）使其易于集成到现有监测系统中。

• 德国西克：

  • 技术方案：基于飞行时间原理（Time-of-Flight）的2D激光扫描仪。

  • 核心性能参数：检测范围最远可达10m，扫描角度270°，扫描频率15Hz。

  • 应用特点和独特优势：德国西克是传感器领域的领导者，其激光扫描仪在工业安全和自动化领域应用广泛。TiM系列作为非接触式解决方案，非常适用于电梯门区安全防护，如检测门区是否有障碍物，防止夹人；或用于轿厢与门板的精确位置检测，以及电梯井道内的障碍物监测，确保电梯运行的安全性和效率。

• 英国雷尼绍：

  • 技术方案：采用光学增量式测量原理（增量式光栅编码器）。

  • 核心性能参数：分辨率可达1纳米，最大速度可达10米/秒，系统总精度可达±1μm。

  • 应用特点和独特优势：英国雷尼绍在精密测量和运动控制领域享有盛誉，其编码器以卓越的精度、可靠性和高速性能著称。TONiC系列编码器作为非接触式测量解决方案，非常适用于电梯的精确位置反馈、速度控制和门控系统的定位，尤其在需要极高定位精度的电梯系统中，它能确保电梯运行的平稳性、精确性和可靠性。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器，就像给电梯“配眼镜”，要根据“视力”需求来挑选。

• 精度（Accuracy）：

  • 实际意义：它表示测量结果与真实值之间的最大偏差。例如，±1mm的精度意味着实际距离在测量值上下1毫米的范围内。这决定了你的测量结果有多“准”。

  • 对测量效果影响：精度直接影响平层准确度、速度和加速度计算的可靠性。如果精度不够高，电梯可能无法精确停靠在楼层，导致平层误差过大，影响乘坐体验甚至安全。

  • 选型建议：

    • 平层监测和轿厢位置：要求高精度，通常需要毫米级甚至亚毫米级。对于楼层平层准确度有严格要求的场景（如高档商业电梯），需要选择精度在±1mm或更高的激光测距传感器。

    • 振动监测：需要微米级的重复精度，激光三角测量或增量式编码器更适合。

    • 一般性距离测量或区域安全监测：如果只需要判断大致位置或是否有物体，厘米级精度可能就足够。

• 测量频率（Measurement Frequency / Sampling Rate）：

  • 实际意义：表示传感器每秒能进行多少次测量。频率越高，数据更新越快，对运动变化的捕捉能力越强。

  • 对测量效果影响：频率决定了实时性。如果频率低，就可能错过电梯运行中的快速变化（如瞬间的加速冲击或振动），就像慢动作摄影无法捕捉高速运动的细节一样。高频率对于精确计算速度、加速度和捕捉瞬时振动至关重要。

  • 选型建议：

    • 速度和加速度计算：电梯速度变化较快，需要高频率数据。通常建议至少200Hz以上，更高可达kHz级别，以便能精确平滑地描绘速度和加速度曲线。

    • 振动监测：捕捉高频振动需要kHz级别的采样频率。

    • 仅判断存在与否或静态位置：几十赫兹甚至更低频率也足够。

• 测量范围（Measurement Range）：

  • 实际意义：传感器能够进行有效测量的最短和最长距离。

  • 对测量效果影响：范围决定了传感器能覆盖多大的空间。如果范围太短，可能需要安装多个传感器；如果范围太长但目标很近，可能会影响精度或产生不必要的干扰。

  • 选型建议：

    • 井道整体位置监测：需要长测量范围（几十米到几百米），如ToF激光测距传感器。

    • 门区防夹或平层微调：短距离、高精度传感器（如激光三角测量）更合适。

• 环境适应性（Environmental Robustness）：

  • 实际意义：传感器在不同温度、湿度、灰尘、振动等恶劣环境下工作的能力（如IP防护等级、工作温度范围）。

  • 对测量效果影响：电梯井道环境复杂，灰尘、温湿度变化都可能影响传感器的性能和寿命。

  • 选型建议：

    • 标准电梯井道：通常需要IP65或更高防护等级，适应-20℃到+50℃左右的温度范围。

    • 特殊环境：如户外电梯、高温重工业电梯，需要更宽的工作温度范围（如-40℃到+60℃，甚至更高配合冷却附件），以及更高的防护等级（如IP67/68）。

• 接口和集成性（Interface and Integration）：

  • 实际意义：传感器与上位机或控制系统通信的方式（如RS232、RS485、以太网、模拟输出等）。

  • 对测量效果影响：良好的接口兼容性可以简化系统集成，降低开发难度和成本。

  • 选型建议：

    • 与现有PLC或控制器集成：优先选择支持常用工业通信协议（如RS485、Profinet、EtherCAT）或标准模拟/数字输出的传感器。

    • 数据分析和远程监控：以太网接口可以提供高速数据传输，方便接入网络进行远程数据分析和诊断。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在实际电梯监测应用中也可能遇到各种问题，就像给电梯装了“眼睛”，但“眼睛”可能会被遮挡或者看错。

• 问题1：测量表面特性影响

  • 原因和影响：电梯轿厢表面可能不是理想的反射面，例如深色、不平整、有灰尘或油污。这些因素会降低激光的反射率，导致传感器接收到的信号变弱，甚至丢失信号，从而影响测量精度和稳定性。对于激光三角测量法，表面颜色和粗糙度尤其敏感。

  • 解决建议：

    • 优化安装位置：选择轿厢上反射性较好、不易积灰且稳定的区域作为测量目标。

    • 增加反光板：在被测目标上粘贴高反射率的反光材料（如反光贴纸或棱镜），可以显著增强反射信号，提高测量可靠性。

    • 选用抗干扰能力强的传感器：有些ToF传感器具备更强的环境光抑制和对低反射率表面的测量能力。

    • 定期清洁：对传感器探头和被测目标表面进行定期清洁，移除灰尘和污垢。

• 问题2：环境光干扰

  • 原因和影响：电梯井道内可能会有照明灯、维修灯，甚至在顶层或底部井道可能受到阳光直射。这些非测量激光的光线会进入传感器接收器，产生“噪声”，影响信号的识别，导致测量误差增大或数据不稳定。

  • 解决建议：

    • 选用抗环境光能力强的传感器：许多高性能激光测距传感器通过窄带滤光片、脉冲调制或数字信号处理技术，能有效抑制环境光干扰。

    • 优化安装角度：避免传感器直接暴露在强光源下，或调整传感器角度以减少直射光的影响。

    • 遮光处理：在传感器周围或井道内进行必要的遮光处理，减少杂散光进入。

• 问题3：振动和机械冲击

  • 原因和影响：电梯运行过程中不可避免地存在振动，甚至可能受到意外的机械冲击。这些振动会影响传感器的稳定性，导致测量数据波动，或者长期振动可能导致传感器内部部件松动，影响性能和寿命。

  • 解决建议：

    • 坚固的安装支架：使用坚固、减振的安装支架将传感器牢固地固定在稳定结构上，避免共振。

    • 减振措施：在传感器和安装结构之间增加减振垫或减振器，吸收振动能量。

    • 选用工业级传感器：选择具备高抗振、抗冲击性能的工业级传感器，这些传感器通常有更坚固的外壳和内部结构设计。

• 问题4：数据传输和处理延迟

  • 原因和影响：即使传感器测量频率很高，如果数据传输带宽不足或上位机处理能力有限，也可能导致数据链的整体实时性下降，无法真正做到“实时”监测。

  • 解决建议：

    • 选择合适的通信接口：对于高速实时应用，优先选择工业以太网（如EtherCAT、Profinet）或高速串行接口（如RS422），而非带宽较低的RS232。

    • 优化数据传输协议：减少不必要的协议开销，确保数据能够高效传输。

    • 分布式处理：将部分数据预处理任务下放到传感器或边缘计算设备，减轻上位机负担。

    • 上位机性能优化：确保数据处理系统具备足够的CPU、内存和存储性能来处理高速数据流。

4. 应用案例分享

• 电梯轿厢精确平层控制：通过在轿厢顶部或底部安装高精度激光测距传感器，实时测量轿厢与楼层地坎的距离。数据反馈给电梯控制系统，使其能精确调整轿厢停靠位置，将平层误差控制在1-2毫米以内，大幅提升乘客的乘坐舒适度和安全性。

• 电梯运行速度和加速度监测：激光测距传感器连续获取电梯轿厢的实时位置数据，通过对位置数据进行数学处理，即可计算出电梯的瞬时速度和加速度。这些数据用于评估电梯的启动、制动和运行过程是否平稳，为优化电梯的运行曲线和诊断故障提供依据。例如，使用英国真尚有的激光测距传感器可以实现对电梯运行速度和加速度的精确监测，为电梯的平稳运行提供保障。

• 电梯门区安全防护：在电梯门框两侧安装激光测距传感器或激光扫描仪，构建一个虚拟的防护区域。一旦有物体（如乘客的手臂、货物）进入该区域，传感器会立即触发，使电梯门停止关闭并反向开启，有效防止夹人夹物事故的发生。

• 电梯导轨磨损与变形监测：将高精度激光位移传感器安装在轿厢上，监测轿厢与导轨之间的间隙变化。通过长期的数据积累和分析，可以发现导轨的局部磨损或变形情况，及时进行维护，避免因导轨问题导致的运行不稳或安全隐患。

• 特种电梯井道异物检测：在一些工业或货运电梯井道中，可能会有意外掉落的物体。通过安装激光测距传感器或激光扫描仪，可以周期性或实时扫描井道空间，一旦检测到异常物体，立即发出警报或使电梯停止运行，确保作业安全。对于高温环境下的电梯，可以选择具有高温测量能力的激光测距传感器，例如英国真尚有的LCJ系列，确保在恶劣环境下也能准确监测。