一种具有嵌入式传感器系统的电梯制动块的制作方法

本发明涉及一种具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，主要用于确定电梯制动器系统的大量实质参数尤其是制动力和距离参数的获取和测量，分析电梯制动器系统的健康状况。

背景技术：

在电梯应用中，通常使用两种类型的电梯制动器：旋转式电梯制动器和滑动式电梯制动器（线性移动电梯制动器）。对于电梯控制系统，最重要的是要知道电梯制动器是否正常工作、是否是可操作的或可控的。用户在电梯制动器系统的使用过程中，需要知道电梯制动器系统的健康状态，电梯制动器系统的功能与性能的有效性以及何时需要保养与维护是电梯安全的重要指标。为了监视电梯制动器系统需要检测、处理和分析多个物理参数，其中电梯制动系统的一个重要物理参数就是电梯制动力，即电梯制动块被挤压在电梯制动盘或电梯制动鼓上的机械力。根据常规感测技术来设计和搭建这样一种传感器系统是相当复杂的，并且其体积大、成本高。

技术实现要素：

鉴于以上情形，为了解决上述技术存在的问题，本发明提出一种具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，使得电梯制动块在电梯制动器系统运行期间能够可靠地分析出电梯制动条件、电梯制动块以及磨损层的状态。

一种具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，布置在电梯制动器中，包括固定部件、运动部件、第一电梯制动元件和第二电梯制动元件以及控制与评估单元，所述固定部件和运动部件设置为可沿固定部件法线方向相对移动；第一电梯制动元件和第二电梯制动元件中的一个安装在固定部件上，另一个安装在运动部件上；第一电梯制动元件具有第一摩擦表面，第二电梯制动元件具有第二摩擦表面，第一摩擦表面与第二摩擦表面彼此相对；第一电梯制动元件和第二电梯制动元件中的至少一个设有具有第一摩擦表面或第二摩擦表面的磨损层，以及磁通集中器、磁场发生装置和磁场感测装置，所述磁场发生装置和磁场感测装置的导线与控制与评估单元连接。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述第一摩擦表面与第二摩擦表面是铁磁摩擦表面。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述磁通集中器为具有第一叉腿和第二叉腿的马蹄形结构或者轭架结构，磁通集中器的至少部分结构嵌入或布置在所述磨损层内。磁通集中器是一种具有耐磨性能的材料，以便使磁通集中器和磨损层的材料具有相匹配的磨损率。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述磁场发生装置由缠绕在磁通集中器上的驱动线圈所组成。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述磁场感测装置由缠绕在磁通集中器上的反馈线圈所组成，包括缠绕在第一叉腿上的第一级反馈线圈和缠绕在第二叉腿上的第二级反馈线圈。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述磁场发生装置的驱动线圈和磁场感测装置的反馈线圈中至少有一个布置在磨损层内，使得当磨损层达到最大磨损位置时，磁场发生装置的驱动线圈或磁场感测装置的反馈线圈中的至少一个被磨损而造成断路或与相对的另一摩擦表面接触而造成短路。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述磁通集中器的第一叉腿和第二叉腿的端部分别具有第一磁极极面和第二磁极极面。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述第一磁极极面和第二磁极极面中的至少一个磁极极面与第一摩擦表面或第二摩擦表面相齐平。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，控制与评估单元驱动磁场发生装置，以在磁通集中器中产生磁通量；并且控制与评估单元通过分析磁场感测装置接收到的信号强度以确定电梯制动器的制动力，包括垂直作用在第一电梯制动元件和第二电梯制动元件的第一摩擦表面或第二摩擦表面之间的机械力。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，所述第一磁极极面和第二磁极极面中的至少一个磁极极面与第一摩擦表面或第二摩擦表面中的任意一个摩擦表面相距较远，并且所述第一磁极极面和第二磁极极面中的至少一个磁极极面与第一摩擦表面或第二摩擦表面相向布置。

在根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块中，优选地，控制与评估单元驱动磁场发生装置，以在磁通集中器中产生磁通量；并且当第一电梯制动元件和第二电梯制动元件相向运动时，控制与评估单元通过分析磁场感测装置接收到的信号强度以确定磁通集中器的至少一个磁极极面与另一个电梯制动元件的摩擦表面之间的距离。

在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，被布置在电梯制动器中，并在电梯制动器系统运行期间能够可靠地分析出电梯制动条件和电梯制动块状况，特别是通过分析至少一个磁通集中器中产生的磁通量来确定磨损层的状态，包括摩擦表面之间的制动力、摩擦表面之间的距离、电梯制动元件相对于彼此的移动速度和方向（例如，电梯制动盘或电梯制动鼓的移动或旋转）、磨损层的磨损程度以及何时需要更换等物理指标，但不限于此。

在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，基于磁性物理学，根据磁通集中器中磁场的变化规律可以确定电梯制动器的三个主要参数：在电梯制动器未启动（即未闭合）时，第一磁通集中器可以确定两个摩擦表面（电梯制动块和电梯制动盘/电梯制动鼓）之间的距离；在电梯制动器被激活（即闭合）时，第一磁通集中器可以确定电梯制动器的制动力；在电梯制动器被激活时（即闭合）时，第二磁通集中器可以确定磨损层的厚度，从而确定电梯制动元件或电梯制动块的寿命。此外，本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块可以检测电梯制动器是否在指定的工作温度范围内。在理想情况下，可以从同一磁场感测装置中检测和测量出上述所有功能。

在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，磁通集中器、磁场发生装置以及磁场感应装置可以预先制造成标准模块，并将其嵌入到磨损层中。由于嵌入电梯制动块的传感器系统的大部分部件都是低成本、无源的线圈，因此传感器系统可以作为电梯制动块磨损层的一部分，在磨损层达到损耗寿命时一起更换。应当注意，也可以用永磁体代替磁场发生线圈与磁通集中器相配合使用；磁通集中器的两条腿上可以布置两级反馈线圈，从而显著提高装置的电磁感应性能；此外，马蹄形结构或轭架结构的磁通集中器也可能只有一个缠绕在磁通集中器上的反馈线圈。

在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，其嵌入式的传感器系统可以安装到新、旧电梯制动系统的电梯制动块中，帮助电梯控制系统确定在发布控制指令时电梯制动块是否动作或响应，确定电梯制动块厚度是否满足条件，或者电梯制动块是否磨损以及是否需要更换。

在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，其嵌入式的传感器系统具备损坏自诊断功能，可以检测传感器和传感器电子设备内部是否存在断路或短路。

在采取本发明提出的技术后，根据本发明实施例的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，可以进行多个方面的监控，有效避免了布置多个单一传感器的相对复杂（体积大）和昂贵的电气和机械设计。

附图说明

图1为根据具体实施例的磁通集中器，其具有两个叉腿、两个磁极极面以及缠绕在该磁通集中器上的磁场发生装置和磁场感应装置；

图2为图1中的磁通集中器与一个远距离放置的测试对象；

图3为图1中的磁通集中器与一个近距离放置的测试对象；

图4为图1中的磁通集中器具有两个较短的独立的反馈线圈；

图5为磁通集中器与测试对象之间的距离和磁场感应线圈的信号幅值之间的特性曲线；

图6为磁通集中器与测试对象之间施加的力和磁场感应线圈的信号幅度之间的特性曲线；

图7为根据具体实施例布置的电梯制动装置；

图8为根据具体实施例的电梯制动块，其具有至少部分嵌入或布置在磨损层内的磁通集中器、缠绕在磁通集中器上的磁场发生装置和磁场感测装置；

图9为图8处于未使用状态时的电梯制动块；

图10为图8在使用了一段时间后的电梯制动块；

图11为图8在几乎完全使用或达到寿命终点时的电梯制动块；

图12为根据具体实施例的电梯制动块，其磨损层具有嵌入了磁极极面与摩擦表面相齐平的第一磁通集中器；

图13为根据具体实施例的电梯制动块，其磨损层具有嵌入了磁极极面与摩擦表面相距较远的第二磁通集中器；

图14为根据具体实施例的电梯制动块，其磨损层具有嵌入了磁极极面与摩擦表面相齐平的第一磁通集中器和磁极极面与摩擦表面相距较远的第二磁通集中器；

图15为电梯制动监测系统的总体架构。

附图标记说明

电梯制动器1

电梯制动块2

固定部件10

运动部件20

磁通集中器34，64

磁场发生装置35，65

磁场感测装置36，66

第一叉腿34c，64c

第二叉腿34d，64d

第一磁极极面34a，64a

第二磁极极面34b，64b

第一级反馈线圈36a，66a

第二级反馈线圈36b，66b

导线36e，66e

第一电梯制动元件30

第一摩擦表面31

第二电梯制动元件40

第二摩擦表面41

磨损层32

控制与评估单元50

信号调制单元52

激励级51

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的各个优选的实施方式进行描述。提供以下参照附图的描述，以帮助对由权利要求及其等价物所限定的本发明的示例实施方式的理解。其包括帮助理解的各种具体细节，但它们只能被看作是示例性的。因此，本领域技术人员将认识到，可对这里描述的实施方式进行各种改变和修改，而不脱离本发明的范围和精神。而且，为了使说明书更加清楚简洁，将省略对本领域熟知功能和构造的详细描述。

如图1所示，具有嵌入式传感器系统的电梯制动块，包括马蹄形结构的磁通集中器34、缠绕在磁通集中器34上的磁场发生装置35即驱动线圈，以及缠绕在磁通集中器34上的磁场感测装置36即反馈线圈。磁通集中器34具有形成磁极的两个叉腿，第一叉腿34c和第二叉腿34d。磁通集中器34在叉腿的端部具有两个磁极极面，第一磁极极面34a和第二磁极极面34b。应当注意，也可以由霍尔传感器如mr传感器或gmr传感器充当缠绕在磁通集中器34周围的驱动线圈和反馈线圈。

图2为磁通集中器34与铁磁材料制成的测试对象即第二电梯制动元件40彼此间隔较大放置；图3为磁通集中器34与铁磁材料制成的测试对象即第二电梯制动元件40彼此间隔较小放置。磁通集中器34的两个磁极极面34a、34b与第二电梯制动元件40的摩擦表面41面对面放置，磁极极面34a、34b与摩擦表面41之间的距离为s。分析可知，当铁磁材料制成的测试对象即第二电梯制动元件40被放置得更靠近磁通集中器34时，则由磁场发生装置35产生的磁感线更容易从磁通集中器34的一个磁极极面移动到另一个磁极极面，更利于磁场发生装置35和磁场感测装置36之间的信号传递。

如图4所示，为了提高信号传递功能并补偿第二电梯制动元件40和磁通集中器34之间由于安装误差所导致的倾斜，将磁场感测装置36分解为两个较短的独立的反馈线圈，即第一级反馈线圈36a（标记为）和第二级反馈线圈36b（标记为）。分别将第一级反馈线圈36a和第二级反馈线圈36b放置在磁通集中器叉腿的一端，并且两个独立的反馈线圈相互连接。

如图5所示，所述的嵌入式的传感器系统作为距离传感器使用。磁场发生装置35和磁场感测装置36之间信号的传递函数取决于驱动线圈所使用的信号类型，还取决于放置在磁通集中器34两个磁极之间的材质。假设用于驱动磁场发生装置35的电信号是恒定的交流电流幅值和频率不变，则在磁场感测装置36接收到的感应电流信号幅值将随着第二电梯制动元件40与磁通集中器34之间的距离s的变化而变化，距离s越小，磁场感测装置36的输出信号越大。当第二电梯制动元件40逐渐靠近磁通集中器34时，磁场感测装置36输出的感应电流信号幅值呈指数形式增长；当第二电梯制动元件40接触到磁通集中器34的两个磁极极面时，磁场感测装置36输出的感应电流信号幅值变得非常高。因此，所述的嵌入式的传感器系统能够测量出第二电梯制动元件40与磁通集中器34之间的距离，实际应用中可以测量电梯制动块与电梯制动盘或电梯制动鼓之间的距离。

如图6所示，所述的嵌入式的传感器系统作为力传感器使用。当第二电梯制动元件40的摩擦表面41与磁通集中器34的磁极极面34a、34b刚刚接触到一起时，二者之间无作用力挤压力，则磁场感测装置36输出的感应电流信号幅值达到一个较高的水平。当二者之间的作用力挤压力继续增加时，接合位置的磁通量密度将继续增加，磁场感测装置36输出的感应电流信号幅值以接近线性的方式随之增加，直到达到最大值。但是，相比于测试对象未接触磁通集中器而不断靠近时，感应电流信号幅值增加的速率要小得多。应当注意，磁场感测装置36输出的感应电流信号幅值达到最大值时所对应的作用力挤压力取决于几个不同的因素，图6所示的数值仅代表一个示意。

图7为所述的嵌入式的传感器系统的组装方式，第二电梯制动元件40如电梯制动盘或电梯制动鼓安装在电梯制动器1的运动部件20如传动轴上，电梯制动块2通过固定部件10安装在电梯制动器保持架上的适当位置并且初始状态为静止状态。当运动部件20移动或旋转时，第二电梯制动元件40也随之运动。当电梯制动器进行制动操作时，电梯制动块2被按压到第二电梯制动元件40的摩擦表面41上，此时磨损层32的摩擦表面31与第二电梯制动元件40的摩擦表面41之间的距离d可以被检测出来。

在实际应用中，由于磁场发生装置35和磁场感测装置36通常通过多根导线36e连接到控制与评估单元50，所以最恰当的安装方式是将磁场发生装置35和磁场感测装置36放置在电梯制动系统的固定部件10上。应当注意，磁场发生装置35和磁场感测装置36也可以放置在运动部件20上，此时通过无线连接的方式进行信号传输。此外，电梯制动块2的磨损层32必须由比第二电梯制动元件40如电梯制动盘或电梯制动鼓更软的材料制造。因此，电梯制动块的寿命是有限的，需要根据使用时间和磨损程度进行更换。新的电梯制动块2的磨损层32的厚度最大；随着使用过程中的不断磨损，磨损层32变得越来越薄。在测量磨损层32的摩擦表面31与第二电梯制动元件40的摩擦表面41之间的距离时，必须考虑到磨损层32的厚度在正常使用期间不断变化。

如图8所示，磁通集中器34、磁场发生装置35以及磁场感测装置36嵌入在磨损层32内部，与电梯制动块一起前后移动。在进行制动力的测量时，需要保证磁通集中器34的两个磁极极面34a、34b与磨损层32的摩擦表面31即电梯制动块的工作表面相齐平，使得第二电梯制动元件40与摩擦表面31、两个磁极极面34a和34b同时接触。

如图9、10、11所示，磨损层32会随着每个电梯制动动作的执行而逐渐磨损，磨损层32变得越来越薄。应当注意，所选择的磁通集中器34的材料必须比第二电梯制动元件40更软，使其不会损坏第二电梯制动元件40的摩擦表面41；同时，所选择的磁通集中器34的材料必须使其两个磁极极面与磨损层32具有相同的磨损速率。

如图11所示，当磨损层32达到最大磨损位置时，磁场感测装置36的第一级反馈线圈36a和第二级反馈线圈36b的导线36e将会被切断或损坏，此时36a、36b的阻抗将会增大。此外，当电梯制动块达到最大磨损位置时，导线36e可能会与第二电梯制动元件40相接触而造成短路。一般情况下，当导线36e没有损坏时，反馈线圈的阻抗大约在二到十欧姆；当导线36e被切断或损坏时，反馈线圈的阻抗大约在几百千欧姆到几兆欧姆。

如图12所示，电梯制动块2中嵌入磁通集中器34，使其两个磁极极面34a、34b与电梯制动块2的磨损层32的摩擦表面31相齐平。此时电梯制动块2的摩擦表面31与第二电梯制动元件40的摩擦表面41之间的距离可以被检测出来。磁场发生装置35和第一级反馈线圈36a及第二级反馈线圈36b的导线36e与控制与评估单元50连接。

如图13所示，在另一种情况下，电梯制动块2中嵌入磁通集中器64，使其两个磁极极面64a、64b与电梯制动块2的磨损层32的摩擦表面31之间的间距为h。此时电梯制动块2的摩擦表面31与极面64a，64b之间的距离h代表磨损层的剩余厚度或剩余生命周期。磁场发生装置65和第一级反馈线圈66a及第二级反馈线圈66b的导线66e与控制与评估单元50连接。

以上设置中，所述磨损层32、磁通集中器34，64、磁场发生装置35，65和磁场感测装置36，66设置在第一电梯制动元件30或第二电梯制动元件40中。第一电梯制动元件30或第二电梯制动元件40与固定部件10或运动部件20的安装方式，以及所述固定部件10和运动部件20在电梯制动器1中的设置和安装方式，可以采用现有技术电梯制动器中的安装方式。

如图14所示，更优的使用方式是将图12和图13中的两种嵌入形式的电梯制动块2组合使用。换句话说，图14的电梯制动块2包括两个磁通集中器，其一是嵌入在磨损层32中的第一磁通集中器34，使其两个磁极极面34a、34b与电梯制动块2的磨损层32的摩擦表面31相齐平，从而对电梯制动块2的摩擦表面31与第二电梯制动元件40的摩擦表面41之间的距离和制动力进行测量；其二是嵌入在磨损层32中的第二磁通集中器64，使其两个磁极极面64a、64b与电梯制动块2的磨损层32的摩擦表面31之间的间距为h，从而对电梯制动块2的摩擦表面31与两个磁极极面64a，64b之间的距离即磨损层的剩余厚度或剩余生命周期进行测量。

图15介绍了嵌入式的传感器系统的整体构成，展示了如何设计一个自动的信号调制解调模块。主信号传输路径i用于将感测信号传输到信号调制单元52。根据将第一级反馈线圈和第二级反馈线圈的测量结果，输出信号可以表明距离变化以及作用在第二电梯制动元件40（本图未示出）上的制动力。经过微控制器处理后的信号被传输到控制与评估单元50中，并将经过校正和补偿后的信号viii输出。此外，外部信号iv、v例如磁场发生装置的信号幅值、磁场感测装置的温度、干扰信号等被收集并反馈到微控制器中进行分析。微控制器通过不同算法对信号进行自动调整和补偿，可以采用下面a、b、c三种解决方案中的一种。

方案a是通过信号调节电路52的专用控制线via和vib对重新进行信号调理，包括信号放大、调整滤波器频率、弥补信号偏移等。

方案b是通过激励级51处理信号的幅值vic和信号的频率vid。这将补偿环境温度变化以及当测试对象使用不同的材料时所引起的嵌入式的传感器系统性能变化。

方案c是通过对测量信号进行数字处理达到信号补偿的目的。这种输出信号的补偿和调整将完全在微控制器的内部完成，不需要前端电子设备的任何操作。虽然最后一个方案c的成本最低，但其效果不如方案a和方案b。

本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块被布置在电梯制动器中，并在电梯制动器系统运行期间能够可靠地分析出电梯制动条件和电梯制动块状况，特别是通过分析至少一个磁通集中器中产生的磁通量来确定磨损层的状态，包括摩擦表面之间的制动力、摩擦表面之间的距离、电梯制动元件相对于彼此的移动速度和方向（例如，电梯制动盘或电梯制动鼓的移动或旋转）、磨损层的磨损程度以及何时需要更换等物理指标，但不限于此。

本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块基于磁性物理学，根据磁通集中器中磁场的变化规律可以确定电梯制动器的三个主要参数：在电梯制动器未启动（即未闭合）时，第一磁通集中器可以确定两个摩擦表面（电梯制动块和电梯制动盘/电梯制动鼓）之间的距离；在电梯制动器被激活（即闭合）时，第一磁通集中器可以确定电梯制动器的制动力；在电梯制动器被激活时（即闭合）时，第二磁通集中器可以确定磨损层的厚度，从而确定电梯制动元件或电梯制动块的寿命。此外，本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块可以检测电梯制动器是否在指定的工作温度范围内。在理想情况下，可以从同一磁场感测装置中检测和测量出上述所有功能。

本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块的磁通集中器、磁场发生装置以及磁场感应装置可以预先制造成标准模块，并将其嵌入到磨损层中。由于嵌入电梯制动块的传感器系统的大部分部件都是低成本、无源的线圈，因此传感器系统可以作为电梯制动块磨损层的一部分，在磨损层达到损耗寿命时一起更换。应当注意，也可以用永磁体代替磁场发生线圈与磁通集中器相配合使用；磁通集中器的两条腿上可以布置两级反馈线圈，从而显著提高装置的电磁感应性能；此外，马蹄形结构或轭架结构的磁通集中器也可能只有一个缠绕在磁通集中器上的反馈线圈。

本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块的嵌入式的传感器系统可以安装到新、旧电梯制动系统的电梯制动块中，帮助电梯控制系统确定在发布控制指令时电梯制动块是否动作或响应，确定电梯制动块厚度是否满足条件，或者电梯制动块是否磨损以及是否需要更换。

本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块的嵌入式的传感器系统具备损坏自诊断功能，可以检测传感器和传感器电子设备内部是否存在断路或短路。

本发明的具有嵌入式传感器系统的电梯制动块可以进行多个方面的监控，有效避免了布置多个单一传感器的相对复杂（体积大）和昂贵的电气和机械设计。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可实施。当然，以上所列的情况仅为示例，本发明并不仅限于此。本领域的技术人员应该理解，根据本发明技术方案的其他变形或简化，都可以适当地应用于本发明，并且应该包括在本发明的范围内。