一種扶梯梯級(jí)與圍裙板間隙測(cè)量儀器的研制*

張 捷，王 葵

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣東佛山 521251）

0 引言

隨著我國城市化程度不斷提升，大型商場(chǎng)、火車站、高鐵站、飛機(jī)場(chǎng)等公共設(shè)施的數(shù)量快速增加，作為這些場(chǎng)所非常重要的自動(dòng)扶梯的數(shù)量也迅速增長，為人們的公共出行帶來了極大的便利。然而自動(dòng)扶梯引發(fā)的事故卻時(shí)有發(fā)生，通過媒體的傳播造成了社會(huì)的恐慌。確保自動(dòng)扶梯安全運(yùn)行、降低安全事故，成為自動(dòng)扶梯從業(yè)人員研究的重要課題[1-11]。

根據(jù)GB 16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》 要求：自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道的圍裙板設(shè)置在梯級(jí)、踏板或膠帶的兩側(cè)，任何一側(cè)的水平間隙不應(yīng)大于4 mm，并且兩側(cè)對(duì)稱位置處的間隙總和不應(yīng)大于7 mm。如果自動(dòng)人行道的圍裙板設(shè)置在踏板或膠帶的之上時(shí)，則踏板表面與圍裙板下端所測(cè)得的垂直間隙不應(yīng)超過4 mm；踏板或膠帶產(chǎn)生橫向移動(dòng)時(shí)，不允許踏板或膠帶的側(cè)邊與圍裙板垂直投影間產(chǎn)生間隙[12]。

自動(dòng)扶梯在運(yùn)行過程中，梯級(jí)與圍裙板一個(gè)運(yùn)動(dòng)一個(gè)靜止，在兩者之間形成了動(dòng)靜結(jié)合處。當(dāng)動(dòng)靜結(jié)合處的間隙過大時(shí)，很容易造成剪切和擠壓的風(fēng)險(xiǎn)，小孩子身體比較小而且活潑好動(dòng)，很容易將身體深入到間隙處，造成夾傷甚至夾斷手指、腳趾的事故。

檢驗(yàn)人員在對(duì)梯級(jí)和圍裙板間隙測(cè)量時(shí)，通常采用斜塞尺完成測(cè)量。斜塞尺測(cè)量時(shí)，在自動(dòng)扶梯狹小的空間內(nèi)，檢驗(yàn)人員操作非常不方便，數(shù)據(jù)讀取也存在困難，導(dǎo)致測(cè)量的精度和效率都無法保證。

在采用斜塞尺測(cè)量時(shí)，測(cè)量的結(jié)果并不是梯級(jí)和圍裙板實(shí)際的間隙值。如圖1 所示，梯級(jí)的邊角并不是絕對(duì)的直角，其邊上有個(gè)弧形的倒角。采用斜塞尺測(cè)量時(shí)，檢驗(yàn)人員通常讀取的是圖中2 位置處的間隙值，但是圖中1 位置處才是夾人位置，應(yīng)該測(cè)量得到該處的間隙值。標(biāo)準(zhǔn)的初衷就是避免間隙過大造成夾人事故的發(fā)生，所以間隙測(cè)量時(shí)，應(yīng)該以間隙夾人位置的間隙值作為最終測(cè)量值。

圖1 塞尺測(cè)量

本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)扶梯梯級(jí)和圍裙板間隙測(cè)量儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯梯級(jí)和圍裙板之間夾人位置處間隙的測(cè)量，通過顯示屏直接顯示測(cè)量結(jié)果，攜帶方便，提高檢驗(yàn)精度和效率，保障乘客乘梯安全。

1 儀器測(cè)量原理

如圖2 所示，在進(jìn)行間隙測(cè)量時(shí)，將測(cè)量儀器的尺身部分垂直插入到梯級(jí)與圍裙板之間的間隙中。在壓力傳感器上逐漸施加壓力，尺身上的懸臂端開始發(fā)生變形。當(dāng)尺身下端完全貼合在圍裙板上時(shí)，壓力傳感器上施加的力為F2，梯級(jí)施加在尺身上的力為F1，梯級(jí)作用在尺身的位置距離懸臂上端的距離為d，懸臂的長度為L，尺身插入間隙位置的尖角的角度為θ，間隙為Δ。

圖2 儀器測(cè)量原理

根據(jù)受力平衡可得：

懸臂處的力學(xué)分析可得：

式中：ε為應(yīng)變片的應(yīng)變值；E為彈性模量；M為懸臂上的彎矩；W為抗彎截面系數(shù)。

其中，懸臂上的彎矩W計(jì)算公式如下：

對(duì)尺身進(jìn)行幾何分析可得：

綜合分析式（1）～（4）可得：

儀器通過采集應(yīng)變片和壓力傳感器的數(shù)值，然后通過式（5）得到梯級(jí)和圍裙板的間隙值。

根據(jù)測(cè)量原理，只要得到測(cè)試過程中某一瞬間的應(yīng)變傳感器和壓力傳感器的數(shù)值，就可以通過公式運(yùn)算得到梯級(jí)和圍裙板的間隙測(cè)量結(jié)果。但是，在對(duì)應(yīng)變傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，懸臂發(fā)生相同位移的情況下，應(yīng)變傳感器的輸出并不相同，特別是時(shí)間相差比較少的兩次采集之間，輸出的結(jié)果更加大。通過分析，由于應(yīng)變傳感器處每次動(dòng)作后都會(huì)有應(yīng)力殘余，導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的輸出不穩(wěn)定。鑒于應(yīng)變傳感器上存在應(yīng)力殘余，儀器不能直接通過采集兩個(gè)傳感器的數(shù)值，然后計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)懸臂處的應(yīng)變分析，當(dāng)力作用在懸臂不同位置使懸臂作用到最大位移處時(shí)，應(yīng)力傳感器粘貼處產(chǎn)生的應(yīng)變值基本是不變的，也就是當(dāng)懸臂的位移達(dá)到最大值時(shí)，應(yīng)變值ε是一個(gè)常量。根據(jù)式（5），間隙值Δ和壓力傳感器上的力F2之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過試驗(yàn)標(biāo)定和數(shù)據(jù)擬合，可以得到兩者的準(zhǔn)確關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)間隙的測(cè)量。

2 硬件開發(fā)

尺身采用線切割方式一體化加工，在懸臂處形成一個(gè)柔順機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)副。在尺身上端加工一個(gè)螺紋孔，便于壓力傳感器的安裝，整個(gè)尺身結(jié)構(gòu)緊湊、輕便，利于單手操作。

如圖3 所示，本儀器的核心原件——單片機(jī)，采用STM32F103C8T6 型號(hào)單片機(jī)， 基于超低功耗的ARMCor?tex-M3 處理器內(nèi)核，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。應(yīng)力傳感器采用BF350 高精度電阻式應(yīng)變片，通過和350 Ω精密電阻組成半橋應(yīng)變電路，當(dāng)懸臂處發(fā)生位移時(shí)，半橋應(yīng)變電路輸出相應(yīng)的電壓值。壓力傳感器采用LFS-13（0～5 kg）型號(hào)S形壓力傳感器，精度高，易于安裝，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，高度低，適合于安裝空間有限的設(shè)備上的力值檢測(cè)、控制。應(yīng)變放大器采用OP07C 型運(yùn)算放大器集成電路，具有低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）、低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓漂移等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用24 位ADS1256 型號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊， 模塊上搭載高精度TI?ADS1256IDBADC 芯片以及ADR032.5 V 電源基準(zhǔn)芯片；數(shù)據(jù)輸出速率可達(dá)30 ksps，低非線性度為±0.0010%；模塊可配置為8路單端輸入或4路差分輸入。本項(xiàng)目中由于應(yīng)變放大板只支持單路輸出，因此采用8路單端輸入模式；模塊工作電壓5 V。

圖3 硬件的開發(fā)

應(yīng)力傳感器搭載精密電阻組成半橋電路，當(dāng)懸臂發(fā)生位移時(shí)，半橋電路輸出響應(yīng)電壓，并且通過應(yīng)變放大電路將輸出電壓放大，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓送至STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓送至STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。STM32 單片機(jī)通過處理得到的測(cè)量結(jié)果，并以數(shù)字形式顯示在顯示模塊上。

3 軟件開發(fā)

儀器采用C#程序設(shè)計(jì)語言完成硬件/模擬SPI 通信、ADS1256 的讀寫控制、TFT 顯示屏的顯示控制、鍵盤掃描等功能的實(shí)現(xiàn)。具體流程實(shí)現(xiàn)如圖4 所示，設(shè)置儀器初始化程序，當(dāng)開始測(cè)量按鍵按下時(shí)，儀器開始測(cè)量。首先，儀器開始采集應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)，儀器將連續(xù)采集的數(shù)據(jù)按照順序編制成數(shù)組，在開始階段，數(shù)組內(nèi)的數(shù)字都是隨著時(shí)間逐漸增大。當(dāng)某一數(shù)組內(nèi)的數(shù)字出現(xiàn)先增大然后變小時(shí)，可以判斷此時(shí)應(yīng)變傳感器輸出應(yīng)變數(shù)值達(dá)到最大值，懸臂的位移值達(dá)到最大。當(dāng)應(yīng)變數(shù)值達(dá)到最大值時(shí)，儀器讀取此時(shí)壓力傳感器上的數(shù)值。儀器根據(jù)標(biāo)定得到間隙值和壓力傳感器輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到梯級(jí)和圍裙板的間隙值。最后，儀器將計(jì)算得到的間隙值以數(shù)值形式直接顯示在顯示屏上，結(jié)束測(cè)試。

圖4 軟件開發(fā)流程

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示。通過調(diào)整平臺(tái)上的螺絲使上下平臺(tái)之間的間隙發(fā)生變化，最終以游標(biāo)卡尺作為參考得到試驗(yàn)需要的間隙值。

圖5 測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書要求，測(cè)量儀器能夠完成3～15 mm范圍內(nèi)的間隙測(cè)量。本次試驗(yàn)選擇3～15 mm范圍內(nèi)13個(gè)整數(shù)間隙值重復(fù)測(cè)量了5次，得到如表1所示的測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算出最大、最小標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)表1，測(cè)量結(jié)果中最大標(biāo)準(zhǔn)偏差最大的為4 mm和7 mm間隙處，達(dá)到0.35 mm，最小標(biāo)準(zhǔn)偏差最小的為4 mm間隙處,達(dá)到0，平均最大偏差為0.192 mm，平均最小偏差為0.122 mm。

表1 多次測(cè)量數(shù)據(jù)

測(cè)量結(jié)果未能穩(wěn)定達(dá)到0.1 mm以內(nèi)，具體可能由以下原因造成。

（1）儀器的測(cè)量原理是基于懸臂達(dá)到最大位移時(shí)應(yīng)變值基本不變這個(gè)假設(shè)，但是在不同的間隙處，應(yīng)變值會(huì)有一定不同。

（2）在對(duì)尺身進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，未考慮尺身和圍裙板之間的摩擦力，而且不同間隙測(cè)量時(shí)，摩擦力的大小不同。

（3）儀器測(cè)試過程中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理難度比較大，導(dǎo)致每次測(cè)量不能準(zhǔn)確的找到應(yīng)變片達(dá)到最大值的時(shí)刻。

5 結(jié)束語

本文從儀器原理、硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、試驗(yàn)等幾個(gè)方面完成了儀器的初步研制，通過研究可以得到如下結(jié)論。

（1）儀器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯梯級(jí)和圍裙板之間間隙的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直接在顯示屏上，測(cè)量人員可以直接讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)，完成儀器在3～15 mm范圍內(nèi)的測(cè)量，儀器的測(cè)量精度不能穩(wěn)定在0.1 mm內(nèi)，儀器的硬件和軟件上還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（3）儀器尚未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的效率和精度方面的提升還需要進(jìn)一步賀現(xiàn)有測(cè)量方法進(jìn)行比較研究。