本發明涉及一種具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，主要用于確定電梯制動器系統的大量實質參數尤其是制動力和距離參數的獲取和測量，分析電梯制動器系統的健康狀況。

背景技術：

在電梯應用中，通常使用兩種類型的電梯制動器：旋轉式電梯制動器和滑動式電梯制動器（線性移動電梯制動器）。對于電梯控制系統，最重要的是要知道電梯制動器是否正常工作、是否是可操作的或可控的。用戶在電梯制動器系統的使用過程中，需要知道電梯制動器系統的健康狀態，電梯制動器系統的功能與性能的有效性以及何時需要保養與維護是電梯安全的重要指標。為了監視電梯制動器系統需要檢測、處理和分析多個物理參數，其中電梯制動系統的一個重要物理參數就是電梯制動力，即電梯制動塊被擠壓在電梯制動盤或電梯制動鼓上的機械力。根據常規感測技術來設計和搭建這樣一種傳感器系統是相當復雜的，并且其體積大、成本高。

技術實現要素：

鑒于以上情形，為了解決上述技術存在的問題，本發明提出一種具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，使得電梯制動塊在電梯制動器系統運行期間能夠可靠地分析出電梯制動條件、電梯制動塊以及磨損層的狀態。

一種具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，布置在電梯制動器中，包括固定部件、運動部件、第一電梯制動元件和第二電梯制動元件以及控制與評估單元，所述固定部件和運動部件設置為可沿固定部件法線方向相對移動；第一電梯制動元件和第二電梯制動元件中的一個安裝在固定部件上，另一個安裝在運動部件上；第一電梯制動元件具有第一摩擦表面，第二電梯制動元件具有第二摩擦表面，第一摩擦表面與第二摩擦表面彼此相對；第一電梯制動元件和第二電梯制動元件中的至少一個設有具有第一摩擦表面或第二摩擦表面的磨損層，以及磁通集中器、磁場發生裝置和磁場感測裝置，所述磁場發生裝置和磁場感測裝置的導線與控制與評估單元連接。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述第一摩擦表面與第二摩擦表面是鐵磁摩擦表面。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述磁通集中器為具有第一叉腿和第二叉腿的馬蹄形結構或者軛架結構，磁通集中器的至少部分結構嵌入或布置在所述磨損層內。磁通集中器是一種具有耐磨性能的材料，以便使磁通集中器和磨損層的材料具有相匹配的磨損率。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述磁場發生裝置由纏繞在磁通集中器上的驅動線圈所組成。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述磁場感測裝置由纏繞在磁通集中器上的反饋線圈所組成，包括纏繞在第一叉腿上的第一級反饋線圈和纏繞在第二叉腿上的第二級反饋線圈。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述磁場發生裝置的驅動線圈和磁場感測裝置的反饋線圈中至少有一個布置在磨損層內，使得當磨損層達到最大磨損位置時，磁場發生裝置的驅動線圈或磁場感測裝置的反饋線圈中的至少一個被磨損而造成斷路或與相對的另一摩擦表面接觸而造成短路。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述磁通集中器的第一叉腿和第二叉腿的端部分別具有第一磁極極面和第二磁極極面。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述第一磁極極面和第二磁極極面中的至少一個磁極極面與第一摩擦表面或第二摩擦表面相齊平。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，控制與評估單元驅動磁場發生裝置，以在磁通集中器中產生磁通量；并且控制與評估單元通過分析磁場感測裝置接收到的信號強度以確定電梯制動器的制動力，包括垂直作用在第一電梯制動元件和第二電梯制動元件的第一摩擦表面或第二摩擦表面之間的機械力。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，所述第一磁極極面和第二磁極極面中的至少一個磁極極面與第一摩擦表面或第二摩擦表面中的任意一個摩擦表面相距較遠，并且所述第一磁極極面和第二磁極極面中的至少一個磁極極面與第一摩擦表面或第二摩擦表面相向布置。

在根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊中，優選地，控制與評估單元驅動磁場發生裝置，以在磁通集中器中產生磁通量；并且當第一電梯制動元件和第二電梯制動元件相向運動時，控制與評估單元通過分析磁場感測裝置接收到的信號強度以確定磁通集中器的至少一個磁極極面與另一個電梯制動元件的摩擦表面之間的距離。

在采取本發明提出的技術后，根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，被布置在電梯制動器中，并在電梯制動器系統運行期間能夠可靠地分析出電梯制動條件和電梯制動塊狀況，特別是通過分析至少一個磁通集中器中產生的磁通量來確定磨損層的狀態，包括摩擦表面之間的制動力、摩擦表面之間的距離、電梯制動元件相對于彼此的移動速度和方向（例如，電梯制動盤或電梯制動鼓的移動或旋轉）、磨損層的磨損程度以及何時需要更換等物理指標，但不限于此。

在采取本發明提出的技術后，根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，基于磁性物理學，根據磁通集中器中磁場的變化規律可以確定電梯制動器的三個主要參數：在電梯制動器未啟動（即未閉合）時，第一磁通集中器可以確定兩個摩擦表面（電梯制動塊和電梯制動盤/電梯制動鼓）之間的距離；在電梯制動器被激活（即閉合）時，第一磁通集中器可以確定電梯制動器的制動力；在電梯制動器被激活時（即閉合）時，第二磁通集中器可以確定磨損層的厚度，從而確定電梯制動元件或電梯制動塊的壽命。此外，本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊可以檢測電梯制動器是否在指定的工作溫度范圍內。在理想情況下，可以從同一磁場感測裝置中檢測和測量出上述所有功能。

在采取本發明提出的技術后，根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，磁通集中器、磁場發生裝置以及磁場感應裝置可以預先制造成標準模塊，并將其嵌入到磨損層中。由于嵌入電梯制動塊的傳感器系統的大部分部件都是低成本、無源的線圈，因此傳感器系統可以作為電梯制動塊磨損層的一部分，在磨損層達到損耗壽命時一起更換。應當注意，也可以用永磁體代替磁場發生線圈與磁通集中器相配合使用；磁通集中器的兩條腿上可以布置兩級反饋線圈，從而顯著提高裝置的電磁感應性能；此外，馬蹄形結構或軛架結構的磁通集中器也可能只有一個纏繞在磁通集中器上的反饋線圈。

在采取本發明提出的技術后，根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，其嵌入式的傳感器系統可以安裝到新、舊電梯制動系統的電梯制動塊中，幫助電梯控制系統確定在發布控制指令時電梯制動塊是否動作或響應，確定電梯制動塊厚度是否滿足條件，或者電梯制動塊是否磨損以及是否需要更換。

在采取本發明提出的技術后，根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，其嵌入式的傳感器系統具備損壞自診斷功能，可以檢測傳感器和傳感器電子設備內部是否存在斷路或短路。

在采取本發明提出的技術后，根據本發明實施例的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，可以進行多個方面的監控，有效避免了布置多個單一傳感器的相對復雜（體積大）和昂貴的電氣和機械設計。

附圖說明

圖1為根據具體實施例的磁通集中器，其具有兩個叉腿、兩個磁極極面以及纏繞在該磁通集中器上的磁場發生裝置和磁場感應裝置；

圖2為圖1中的磁通集中器與一個遠距離放置的測試對象；

圖3為圖1中的磁通集中器與一個近距離放置的測試對象；

圖4為圖1中的磁通集中器具有兩個較短的獨立的反饋線圈；

圖5為磁通集中器與測試對象之間的距離和磁場感應線圈的信號幅值之間的特性曲線；

圖6為磁通集中器與測試對象之間施加的力和磁場感應線圈的信號幅度之間的特性曲線；

圖7為根據具體實施例布置的電梯制動裝置；

圖8為根據具體實施例的電梯制動塊，其具有至少部分嵌入或布置在磨損層內的磁通集中器、纏繞在磁通集中器上的磁場發生裝置和磁場感測裝置；

圖9為圖8處于未使用狀態時的電梯制動塊；

圖10為圖8在使用了一段時間后的電梯制動塊；

圖11為圖8在幾乎完全使用或達到壽命終點時的電梯制動塊；

圖12為根據具體實施例的電梯制動塊，其磨損層具有嵌入了磁極極面與摩擦表面相齊平的第一磁通集中器；

圖13為根據具體實施例的電梯制動塊，其磨損層具有嵌入了磁極極面與摩擦表面相距較遠的第二磁通集中器；

圖14為根據具體實施例的電梯制動塊，其磨損層具有嵌入了磁極極面與摩擦表面相齊平的第一磁通集中器和磁極極面與摩擦表面相距較遠的第二磁通集中器；

圖15為電梯制動監測系統的總體架構。

附圖標記說明

電梯制動器1

電梯制動塊2

固定部件10

運動部件20

磁通集中器34，64

磁場發生裝置35，65

磁場感測裝置36，66

第一叉腿34c，64c

第二叉腿34d，64d

第一磁極極面34a，64a

第二磁極極面34b，64b

第一級反饋線圈36a，66a

第二級反饋線圈36b，66b

導線36e，66e

第一電梯制動元件30

第一摩擦表面31

第二電梯制動元件40

第二摩擦表面41

磨損層32

控制與評估單元50

信號調制單元52

激勵級51

具體實施方式

下面將參照附圖對本發明的各個優選的實施方式進行描述。提供以下參照附圖的描述，以幫助對由權利要求及其等價物所限定的本發明的示例實施方式的理解。其包括幫助理解的各種具體細節，但它們只能被看作是示例性的。因此，本領域技術人員將認識到，可對這里描述的實施方式進行各種改變和修改，而不脫離本發明的范圍和精神。而且，為了使說明書更加清楚簡潔，將省略對本領域熟知功能和構造的詳細描述。

如圖1所示，具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊，包括馬蹄形結構的磁通集中器34、纏繞在磁通集中器34上的磁場發生裝置35即驅動線圈，以及纏繞在磁通集中器34上的磁場感測裝置36即反饋線圈。磁通集中器34具有形成磁極的兩個叉腿，第一叉腿34c和第二叉腿34d。磁通集中器34在叉腿的端部具有兩個磁極極面，第一磁極極面34a和第二磁極極面34b。應當注意，也可以由霍爾傳感器如mr傳感器或gmr傳感器充當纏繞在磁通集中器34周圍的驅動線圈和反饋線圈。

圖2為磁通集中器34與鐵磁材料制成的測試對象即第二電梯制動元件40彼此間隔較大放置；圖3為磁通集中器34與鐵磁材料制成的測試對象即第二電梯制動元件40彼此間隔較小放置。磁通集中器34的兩個磁極極面34a、34b與第二電梯制動元件40的摩擦表面41面對面放置，磁極極面34a、34b與摩擦表面41之間的距離為s。分析可知，當鐵磁材料制成的測試對象即第二電梯制動元件40被放置得更靠近磁通集中器34時，則由磁場發生裝置35產生的磁感線更容易從磁通集中器34的一個磁極極面移動到另一個磁極極面，更利于磁場發生裝置35和磁場感測裝置36之間的信號傳遞。

如圖4所示，為了提高信號傳遞功能并補償第二電梯制動元件40和磁通集中器34之間由于安裝誤差所導致的傾斜，將磁場感測裝置36分解為兩個較短的獨立的反饋線圈，即第一級反饋線圈36a（標記為）和第二級反饋線圈36b（標記為）。分別將第一級反饋線圈36a和第二級反饋線圈36b放置在磁通集中器叉腿的一端，并且兩個獨立的反饋線圈相互連接。

如圖5所示，所述的嵌入式的傳感器系統作為距離傳感器使用。磁場發生裝置35和磁場感測裝置36之間信號的傳遞函數取決于驅動線圈所使用的信號類型，還取決于放置在磁通集中器34兩個磁極之間的材質。假設用于驅動磁場發生裝置35的電信號是恒定的交流電流幅值和頻率不變，則在磁場感測裝置36接收到的感應電流信號幅值將隨著第二電梯制動元件40與磁通集中器34之間的距離s的變化而變化，距離s越小，磁場感測裝置36的輸出信號越大。當第二電梯制動元件40逐漸靠近磁通集中器34時，磁場感測裝置36輸出的感應電流信號幅值呈指數形式增長；當第二電梯制動元件40接觸到磁通集中器34的兩個磁極極面時，磁場感測裝置36輸出的感應電流信號幅值變得非常高。因此，所述的嵌入式的傳感器系統能夠測量出第二電梯制動元件40與磁通集中器34之間的距離，實際應用中可以測量電梯制動塊與電梯制動盤或電梯制動鼓之間的距離。

如圖6所示，所述的嵌入式的傳感器系統作為力傳感器使用。當第二電梯制動元件40的摩擦表面41與磁通集中器34的磁極極面34a、34b剛剛接觸到一起時，二者之間無作用力擠壓力，則磁場感測裝置36輸出的感應電流信號幅值達到一個較高的水平。當二者之間的作用力擠壓力繼續增加時，接合位置的磁通量密度將繼續增加，磁場感測裝置36輸出的感應電流信號幅值以接近線性的方式隨之增加，直到達到最大值。但是，相比于測試對象未接觸磁通集中器而不斷靠近時，感應電流信號幅值增加的速率要小得多。應當注意，磁場感測裝置36輸出的感應電流信號幅值達到最大值時所對應的作用力擠壓力取決于幾個不同的因素，圖6所示的數值僅代表一個示意。

圖7為所述的嵌入式的傳感器系統的組裝方式，第二電梯制動元件40如電梯制動盤或電梯制動鼓安裝在電梯制動器1的運動部件20如傳動軸上，電梯制動塊2通過固定部件10安裝在電梯制動器保持架上的適當位置并且初始狀態為靜止狀態。當運動部件20移動或旋轉時，第二電梯制動元件40也隨之運動。當電梯制動器進行制動操作時，電梯制動塊2被按壓到第二電梯制動元件40的摩擦表面41上，此時磨損層32的摩擦表面31與第二電梯制動元件40的摩擦表面41之間的距離d可以被檢測出來。

在實際應用中，由于磁場發生裝置35和磁場感測裝置36通常通過多根導線36e連接到控制與評估單元50，所以最恰當的安裝方式是將磁場發生裝置35和磁場感測裝置36放置在電梯制動系統的固定部件10上。應當注意，磁場發生裝置35和磁場感測裝置36也可以放置在運動部件20上，此時通過無線連接的方式進行信號傳輸。此外，電梯制動塊2的磨損層32必須由比第二電梯制動元件40如電梯制動盤或電梯制動鼓更軟的材料制造。因此，電梯制動塊的壽命是有限的，需要根據使用時間和磨損程度進行更換。新的電梯制動塊2的磨損層32的厚度最大；隨著使用過程中的不斷磨損，磨損層32變得越來越薄。在測量磨損層32的摩擦表面31與第二電梯制動元件40的摩擦表面41之間的距離時，必須考慮到磨損層32的厚度在正常使用期間不斷變化。

如圖8所示，磁通集中器34、磁場發生裝置35以及磁場感測裝置36嵌入在磨損層32內部，與電梯制動塊一起前后移動。在進行制動力的測量時，需要保證磁通集中器34的兩個磁極極面34a、34b與磨損層32的摩擦表面31即電梯制動塊的工作表面相齊平，使得第二電梯制動元件40與摩擦表面31、兩個磁極極面34a和34b同時接觸。

如圖9、10、11所示，磨損層32會隨著每個電梯制動動作的執行而逐漸磨損，磨損層32變得越來越薄。應當注意，所選擇的磁通集中器34的材料必須比第二電梯制動元件40更軟，使其不會損壞第二電梯制動元件40的摩擦表面41；同時，所選擇的磁通集中器34的材料必須使其兩個磁極極面與磨損層32具有相同的磨損速率。

如圖11所示，當磨損層32達到最大磨損位置時，磁場感測裝置36的第一級反饋線圈36a和第二級反饋線圈36b的導線36e將會被切斷或損壞，此時36a、36b的阻抗將會增大。此外，當電梯制動塊達到最大磨損位置時，導線36e可能會與第二電梯制動元件40相接觸而造成短路。一般情況下，當導線36e沒有損壞時，反饋線圈的阻抗大約在二到十歐姆；當導線36e被切斷或損壞時，反饋線圈的阻抗大約在幾百千歐姆到幾兆歐姆。

如圖12所示，電梯制動塊2中嵌入磁通集中器34，使其兩個磁極極面34a、34b與電梯制動塊2的磨損層32的摩擦表面31相齊平。此時電梯制動塊2的摩擦表面31與第二電梯制動元件40的摩擦表面41之間的距離可以被檢測出來。磁場發生裝置35和第一級反饋線圈36a及第二級反饋線圈36b的導線36e與控制與評估單元50連接。

如圖13所示，在另一種情況下，電梯制動塊2中嵌入磁通集中器64，使其兩個磁極極面64a、64b與電梯制動塊2的磨損層32的摩擦表面31之間的間距為h。此時電梯制動塊2的摩擦表面31與極面64a，64b之間的距離h代表磨損層的剩余厚度或剩余生命周期。磁場發生裝置65和第一級反饋線圈66a及第二級反饋線圈66b的導線66e與控制與評估單元50連接。

以上設置中，所述磨損層32、磁通集中器34，64、磁場發生裝置35，65和磁場感測裝置36，66設置在第一電梯制動元件30或第二電梯制動元件40中。第一電梯制動元件30或第二電梯制動元件40與固定部件10或運動部件20的安裝方式，以及所述固定部件10和運動部件20在電梯制動器1中的設置和安裝方式，可以采用現有技術電梯制動器中的安裝方式。

如圖14所示，更優的使用方式是將圖12和圖13中的兩種嵌入形式的電梯制動塊2組合使用。換句話說，圖14的電梯制動塊2包括兩個磁通集中器，其一是嵌入在磨損層32中的第一磁通集中器34，使其兩個磁極極面34a、34b與電梯制動塊2的磨損層32的摩擦表面31相齊平，從而對電梯制動塊2的摩擦表面31與第二電梯制動元件40的摩擦表面41之間的距離和制動力進行測量；其二是嵌入在磨損層32中的第二磁通集中器64，使其兩個磁極極面64a、64b與電梯制動塊2的磨損層32的摩擦表面31之間的間距為h，從而對電梯制動塊2的摩擦表面31與兩個磁極極面64a，64b之間的距離即磨損層的剩余厚度或剩余生命周期進行測量。

圖15介紹了嵌入式的傳感器系統的整體構成，展示了如何設計一個自動的信號調制解調模塊。主信號傳輸路徑i用于將感測信號傳輸到信號調制單元52。根據將第一級反饋線圈和第二級反饋線圈的測量結果，輸出信號可以表明距離變化以及作用在第二電梯制動元件40（本圖未示出）上的制動力。經過微控制器處理后的信號被傳輸到控制與評估單元50中，并將經過校正和補償后的信號viii輸出。此外，外部信號iv、v例如磁場發生裝置的信號幅值、磁場感測裝置的溫度、干擾信號等被收集并反饋到微控制器中進行分析。微控制器通過不同算法對信號進行自動調整和補償，可以采用下面a、b、c三種解決方案中的一種。

方案a是通過信號調節電路52的專用控制線via和vib對重新進行信號調理，包括信號放大、調整濾波器頻率、彌補信號偏移等。

方案b是通過激勵級51處理信號的幅值vic和信號的頻率vid。這將補償環境溫度變化以及當測試對象使用不同的材料時所引起的嵌入式的傳感器系統性能變化。

方案c是通過對測量信號進行數字處理達到信號補償的目的。這種輸出信號的補償和調整將完全在微控制器的內部完成，不需要前端電子設備的任何操作。雖然最后一個方案c的成本最低，但其效果不如方案a和方案b。

本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊被布置在電梯制動器中，并在電梯制動器系統運行期間能夠可靠地分析出電梯制動條件和電梯制動塊狀況，特別是通過分析至少一個磁通集中器中產生的磁通量來確定磨損層的狀態，包括摩擦表面之間的制動力、摩擦表面之間的距離、電梯制動元件相對于彼此的移動速度和方向（例如，電梯制動盤或電梯制動鼓的移動或旋轉）、磨損層的磨損程度以及何時需要更換等物理指標，但不限于此。

本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊基于磁性物理學，根據磁通集中器中磁場的變化規律可以確定電梯制動器的三個主要參數：在電梯制動器未啟動（即未閉合）時，第一磁通集中器可以確定兩個摩擦表面（電梯制動塊和電梯制動盤/電梯制動鼓）之間的距離；在電梯制動器被激活（即閉合）時，第一磁通集中器可以確定電梯制動器的制動力；在電梯制動器被激活時（即閉合）時，第二磁通集中器可以確定磨損層的厚度，從而確定電梯制動元件或電梯制動塊的壽命。此外，本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊可以檢測電梯制動器是否在指定的工作溫度范圍內。在理想情況下，可以從同一磁場感測裝置中檢測和測量出上述所有功能。

本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊的磁通集中器、磁場發生裝置以及磁場感應裝置可以預先制造成標準模塊，并將其嵌入到磨損層中。由于嵌入電梯制動塊的傳感器系統的大部分部件都是低成本、無源的線圈，因此傳感器系統可以作為電梯制動塊磨損層的一部分，在磨損層達到損耗壽命時一起更換。應當注意，也可以用永磁體代替磁場發生線圈與磁通集中器相配合使用；磁通集中器的兩條腿上可以布置兩級反饋線圈，從而顯著提高裝置的電磁感應性能；此外，馬蹄形結構或軛架結構的磁通集中器也可能只有一個纏繞在磁通集中器上的反饋線圈。

本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊的嵌入式的傳感器系統可以安裝到新、舊電梯制動系統的電梯制動塊中，幫助電梯控制系統確定在發布控制指令時電梯制動塊是否動作或響應，確定電梯制動塊厚度是否滿足條件，或者電梯制動塊是否磨損以及是否需要更換。

本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊的嵌入式的傳感器系統具備損壞自診斷功能，可以檢測傳感器和傳感器電子設備內部是否存在斷路或短路。

本發明的具有嵌入式傳感器系統的電梯制動塊可以進行多個方面的監控，有效避免了布置多個單一傳感器的相對復雜（體積大）和昂貴的電氣和機械設計。

以上對本發明進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。

通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發明可實施。當然，以上所列的情況僅為示例，本發明并不僅限于此。本領域的技術人員應該理解，根據本發明技術方案的其他變形或簡化，都可以適當地應用于本發明，并且應該包括在本發明的范圍內。