電梯光幕技術(shù)基本原理

0 引言

光幕是電梯重要的關(guān)門保護(hù)裝置，但目前針對(duì)光幕缺少多維度系統(tǒng)性的技術(shù)論文，更缺少對(duì)其技術(shù)參數(shù)的研究。本文從基本的應(yīng)用著手，循序漸進(jìn)地介紹了光幕的技術(shù)原理和主要技術(shù)參數(shù)，并對(duì)光幕未來(lái)的技術(shù)方向作了一些探索。

1 總體介紹

多年前，電梯關(guān)門時(shí)夾到人后才會(huì)自動(dòng)開(kāi)門，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候用的關(guān)門保護(hù)裝置就是一種簡(jiǎn)單的安全觸板，當(dāng)門夾到人后帶動(dòng)觸板聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)牽引行程開(kāi)關(guān)通斷，再將此通斷信號(hào)送給主機(jī)板執(zhí)行開(kāi)門流程。相對(duì)于傳統(tǒng)的安全觸板，光幕可以在未觸碰到乘員的時(shí)候就開(kāi)始保護(hù)性開(kāi)門，具備更安全的乘員保護(hù)作用。光幕外形如圖1所示，由發(fā)射和接收2 個(gè)單元構(gòu)成，約2 m 長(zhǎng)。根據(jù)是否配套安全觸板可分為二合一光幕和純光幕，配套安全觸板的光幕就是二合一光幕，這種外殼結(jié)構(gòu)要能夠安裝安全觸板。顧名思義，純光幕就不需要配套安裝安全觸板，故其外殼相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，外殼多由鋁型材制成。

光幕是運(yùn)用收發(fā)紅外光的方式來(lái)檢測(cè)障礙物的，根據(jù)發(fā)射單元的發(fā)射管和接收單元的接收管的相對(duì)位置，又分為平行布置式（如圖2所示）和交叉布置式（如圖3所示），本文主要講述平行布置式光幕。所謂平行布置式就是指發(fā)射單元和接收單元并排放置，底部對(duì)齊（有引出電纜的一端為頂部）后，每對(duì)收發(fā)管平齊。收發(fā)管交叉布置的為交叉布置式。

圖4 鋁型材截面圖

光幕的發(fā)射單元和接收單元包括進(jìn)行過(guò)表面氧化處理的鋁型材殼體，鋁型材一面開(kāi)口，用于透過(guò)燈管紅外光（如圖4 鋁型材截面圖），以及兩頭的端蓋，和濾光條及裝在鋁型材內(nèi)部的線路板組件和引出電纜等，光幕的輸出端子設(shè)置在接收單元上，故接收單元通常比發(fā)射單元的引出線多1 ～ 2 芯。發(fā)射單元的輸出端子包括電源正、負(fù)端子和同步信號(hào)端；接收單元包括電源正、負(fù)端子及同步信號(hào)和光幕輸出脈沖端等。線路板組件均包括主板和多個(gè)燈板，如圖2、3 所示，最左邊的是主板，右邊是第1 塊燈板，每個(gè)單元通常共有3 塊燈板，主板和燈板采用板對(duì)板連接器對(duì)插連接。

2 光束掃描機(jī)制

發(fā)射單元上布置了36 對(duì)發(fā)射管（波長(zhǎng)為850 nm 或940 nm），接收單元上布置了36 對(duì)接收管，正常情況下發(fā)射發(fā)出的紅外光，接收單元能夠收到，如果有1 只或幾只燈管收不到紅外光，那么接受單元上的輸出端子就會(huì)輸出遮擋狀態(tài)電平，即通知電梯主機(jī)開(kāi)門以起到未接觸而保護(hù)乘員的作用。

圖5 光束圖

通常光束掃描有以下幾種角度，即發(fā)射單元上1 號(hào)燈管發(fā)射，接收單元上1 號(hào)燈管接收（下文簡(jiǎn)稱1 發(fā)1收），2 發(fā)2 收…，36 發(fā)36 收，見(jiàn)圖5 光束圖所示。第2 種掃描角度是，1 發(fā)2 收，2 發(fā)3 收，3 發(fā)4 收…，35 發(fā)36 收；第3 種掃描角度，1 發(fā)3 收，2 發(fā)4 收…，34 發(fā)36 收；第4 種掃描角度，2 發(fā)1 收，3 發(fā)2 收…，36 發(fā)35 收；第5 種掃描角度，3 發(fā)1 收，4 發(fā)2 收…，36 發(fā)34 收。每種掃描角度從1 號(hào)到36 號(hào)為1 個(gè)周期，每個(gè)周期約45 ms，故以秒級(jí)的殘留效應(yīng)能繪制出5 種角度“同屏”存在光束圖，如圖5 展示的全部光束。

基于以上光束圖可以看出，靠近發(fā)射單元和接收單元時(shí)，檢測(cè)盲區(qū)相對(duì)較大，而向中間移動(dòng)1/3 距離處光束密度高盲區(qū)小，即很小的遮擋物都能被識(shí)別出來(lái)。實(shí)驗(yàn)證明靠近收發(fā)單元的最小遮擋物截面為50 mm，而中間部分的最小遮擋物只有20 mm。

3 電路原理

光幕發(fā)射單元電路主要包括供電電路、MCU 控制電路、陽(yáng)極燈管切換電路、陰極燈管切換電路、指示燈電路、36 只發(fā)射燈管等，如圖6 光幕發(fā)射單元電路。這里要介紹一下為什么普遍使用36 只燈管？因?yàn)楦鶕?jù)新國(guó)標(biāo)GB/T7588.1-2021^[4] 要求，光幕裝梯后必須至少滿足從轎廂地坎以上25 ～ 1 600 mm 的保護(hù)范圍，又要求最小遮擋物截面為50 mm，故在設(shè)計(jì)PCB 燈管布局時(shí)既經(jīng)濟(jì)又符合標(biāo)準(zhǔn)的燈管數(shù)量是36 對(duì)。

電梯主機(jī)通?？梢越o光幕提供DC24 V 或者12 V，光幕供電電路負(fù)責(zé)將電壓轉(zhuǎn)換成5 V 或者3.3 V 的供內(nèi)部各功能電路使用，當(dāng)然供電電路還要添加TVS 等吸收保護(hù)和濾波電路等。

芯片輸出約30 ～ 38 kHz 的開(kāi)關(guān)脈沖，輪流驅(qū)動(dòng)1至36 號(hào)燈管。例如要驅(qū)動(dòng)1 號(hào)燈管，則MCU 通知燈組切換電路CONA1，打開(kāi)第1 組燈管的陽(yáng)極供電，緊接著又通知打開(kāi)1 號(hào)燈管的陰極切換電路CONK1，維持?jǐn)?shù)微秒后再關(guān)閉，然后再開(kāi)啟，這樣1 號(hào)燈管就獲得了一個(gè)特定頻率和脈寬的連續(xù)驅(qū)動(dòng)脈沖。同時(shí)給同步信號(hào)端輸出一個(gè)同步脈沖，以供接收單元與發(fā)射保持同步。如此按部就班的掃描到最后一只燈管，就是一個(gè)掃描周期，輸出波形如圖6 波形1 所示，工作正常時(shí)，周期性循環(huán)發(fā)出紅外光、發(fā)射單元上綠色指示燈點(diǎn)亮。也可以打開(kāi)手機(jī)攝像機(jī)查看對(duì)應(yīng)的紅外燈管在輪流閃閃發(fā)光。

發(fā)射管屬于光幕的關(guān)鍵部件，其性能直接決定光幕的性能，例如紅外波長(zhǎng)、輻射角度、驅(qū)動(dòng)電流、輸出光功率等，當(dāng)然這些參數(shù)與MCU 代碼是相互適配的，換裝不同型號(hào)或品牌的燈管后都需要重新進(jìn)行全功能的調(diào)試。

圖6 發(fā)射單元電路

光幕接收單元同樣包括供電電路（同發(fā)射，圖中省略）、MCU 控制電路、燈管切換電路、放大電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路、指示燈電路、同步信號(hào)電路等。

接收單元MCU 按照收到的同步信號(hào)時(shí)序，通過(guò)控制燈管切換電路，接通燈管陽(yáng)極電路，從1 號(hào)接收燈管開(kāi)始接收發(fā)射單元發(fā)出的紅外光，經(jīng)1 號(hào)燈管光電轉(zhuǎn)換后，輸出微弱的模擬電信號(hào)，如圖7 波形2 所示。再通過(guò)放大電路^[1]濾波、放大、整形、檢波后送MCU 檢測(cè)判斷。檢波后輸出的波形如圖7 波形3 所示，此時(shí)的脈沖寬度已經(jīng)不再是30 ～ 38 kHz 頻率的脈寬了，因?yàn)榉糯箅娐份敵龊蠼?jīng)過(guò)整形^[2]，即電容充放電延時(shí)耦合處理，送出來(lái)的脈沖寬度就是單個(gè)燈管的驅(qū)動(dòng)脈沖群周期之和，這樣在MCU 的輸入端口就可以監(jiān)測(cè)到1 個(gè)燈管對(duì)應(yīng)的一個(gè)脈沖，檢修時(shí)可以很快定位到對(duì)應(yīng)故障燈管。當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)或幾個(gè)燈管沒(méi)有接收到紅外光時(shí)，MCU 會(huì)通知輸出電路輸出遮擋狀態(tài)電平，同時(shí)接收單元上紅色指示燈點(diǎn)亮。將遮擋狀態(tài)傳送給電梯主機(jī)板，電梯門停止關(guān)閉并重新打開(kāi)，以達(dá)到關(guān)門不接觸防夾的保護(hù)作用。發(fā)射單元與接收單元各引出一根多芯電纜，通常發(fā)射單元引出電纜為3 芯，接收單元引出電纜為4 或5 芯，引出電纜長(zhǎng)度大約0.5 m，故光幕都要配發(fā)延長(zhǎng)線，這種電纜因?yàn)殡S電梯門開(kāi)關(guān)往返運(yùn)動(dòng)，所以要求彎曲次數(shù)不少于540 萬(wàn)次。延長(zhǎng)電纜的另外一頭連接到電梯主機(jī)板上，主機(jī)板給光幕供電，同時(shí)光幕的輸出信號(hào)送給電梯主機(jī)板，以完成對(duì)是否有障礙物信息的采集。

關(guān)于MCU, 以往很多廠商運(yùn)用美國(guó)微芯的PIC16/18系列芯片，但是近幾年在疫情中暴露出了很多問(wèn)題，即其價(jià)格飛漲，交期漫長(zhǎng)，所以逐漸轉(zhuǎn)向運(yùn)用國(guó)產(chǎn)芯片已成必然趨勢(shì)。其中國(guó)產(chǎn)STC 系列芯片就是一種不錯(cuò)的選擇。

圖7 接收單元電路

4 主要技術(shù)參數(shù)

光幕的主要技術(shù)參數(shù)包括功能參數(shù)、環(huán)境適應(yīng)性、EMC 等，具體敘述如下。

4.1 盲點(diǎn)測(cè)試

根據(jù)GB/T7588.1—2021^[4] 要求，最小遮擋物截面為50 mm，利用最小遮擋物沿光幕保護(hù)區(qū)從上到下、從左到右進(jìn)行遮擋測(cè)試，輸出應(yīng)該從始至終都是遮擋狀態(tài)電平，如果輸出跳轉(zhuǎn)為無(wú)遮擋狀態(tài)，則認(rèn)為光幕有檢測(cè)盲點(diǎn)。

4.2 上下保護(hù)范圍

根據(jù)GB/T7588.1—2021 要求，光幕裝梯后，保護(hù)范圍應(yīng)能至少覆蓋從轎廂地坎向上的25 mm ～ 1 600 mm區(qū)域，測(cè)試時(shí)用最小遮擋物在該高度范圍內(nèi)測(cè)試，應(yīng)無(wú)盲點(diǎn)。

4.3 探測(cè)距離

即發(fā)射單元和接收單元的最大可探測(cè)距離，通?？蛇_(dá)到4 m 以上，實(shí)際上有很多產(chǎn)品6 m 也能穩(wěn)定的工作。

4.4 安裝允差

安裝允差包括垂直允差、水平允差、縱向角度和橫向角度，具體如圖8 所示。垂直允差就是發(fā)射單元和接收單元平行時(shí)，在無(wú)遮擋的狀態(tài)下將發(fā)射單元或者接收單元向上或者向下移動(dòng)（10 ～ 20）mm，光幕應(yīng)能正常接收而不會(huì)輸出遮擋狀態(tài)電平。水平允差即發(fā)射單元和接收單元平行平放于桌面上，將發(fā)射單元或者接收單元向上移動(dòng)（5 ～ 10）mm，光幕仍能正常完成接收工作。同理縱向角度和橫向角度就是非平移誤差，而是一端移動(dòng)一個(gè)角度。

4.5 響應(yīng)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間

從光幕被有效遮擋到光幕輸出遮擋狀態(tài)電平的這段時(shí)間即為響應(yīng)時(shí)間，人們總希望響應(yīng)時(shí)間越短越好，但是過(guò)短也會(huì)產(chǎn)生主機(jī)識(shí)讀不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，通常在10 ～ 70 mS 時(shí)響應(yīng)性能較好。恢復(fù)時(shí)間就是遮擋響應(yīng)后撤除遮擋，到輸出恢復(fù)正常無(wú)遮擋狀態(tài)電平的時(shí)間。

4.6 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性主要包括高低溫及濕度試驗(yàn)^[3]，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)能正常工作。通常要求（-20 ～ 65）℃，濕度90%。

4.7 EMC

EMC 著重檢測(cè)抗擾度和輻射騷擾，抗擾度主要包括靜電ESD、高速脈沖群EFT/B、浪涌，以上均要參照GB/T24807/24808—2020/2021 新標(biāo)執(zhí)行。

4.8 防護(hù)等級(jí)

光幕正常防護(hù)等級(jí)為IP54，也有部分產(chǎn)品可以達(dá)到IP65，具體根據(jù)客戶需求確定。

圖8 安裝允差示意圖

5 技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)近幾年電梯智能化的市場(chǎng)應(yīng)用，3D 光幕、智能光幕的需求量開(kāi)始逐漸上升。要求光幕能實(shí)現(xiàn)三維區(qū)域保護(hù)，能識(shí)別門距，自動(dòng)識(shí)別不同模式的電梯等。隨著電動(dòng)自行車禁入電梯相關(guān)規(guī)定的出臺(tái)，市場(chǎng)上又出現(xiàn)了能夠識(shí)別電動(dòng)車的光幕。

另外一個(gè)發(fā)展方向就是提高識(shí)別精度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品微型化。比如針對(duì)紅外光幕無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別玻璃性質(zhì)的透明物體以及直徑小于50 mm 的細(xì)小物體等弊端，導(dǎo)致近幾年出現(xiàn)了一些安全事故，部分廠家開(kāi)始研發(fā)運(yùn)用TOF技術(shù)來(lái)替代紅外光幕，TOF 產(chǎn)品化體積小、精度高、安裝方便，相信未來(lái)在門保護(hù)領(lǐng)域也會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)電梯廠商已普通應(yīng)用光幕作為關(guān)門保護(hù)裝置，逐步取代了傳統(tǒng)的安全觸板。本文基于普遍應(yīng)用的電梯光幕，從整體架構(gòu)上闡述了光幕的原理和主要技術(shù)參數(shù)，以期光幕技術(shù)能在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用和升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 胡志山.電子產(chǎn)品壽命模擬中MTTF系統(tǒng)測(cè)算法[J].電子產(chǎn)品世界,2021(3):53-56.

[4] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T7588.1—2020電梯制造與安裝安全規(guī)范第1部分:乘客電梯和載貨電梯.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期）