張 捷，王 葵

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院， 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、火車站、高鐵站、飛機場等公共設(shè)施的數(shù)量快速增加，作為這些場所非常重要的自動扶梯的數(shù)量也迅速增長，為人們的公共出行帶來了極大的便利。然而自動扶梯引發(fā)的事故卻時有發(fā)生，通過媒體的傳播造成了社會的恐慌。確保自動扶梯安全運行、降低安全事故，成為自動扶梯從業(yè)人員研究的重要課題[1-11]。

根據(jù)GB 16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》 要求：自動扶梯與自動人行道的圍裙板設(shè)置在梯級、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)對稱位置處的間隙總和不應(yīng)大于7 mm。如果自動人行道的圍裙板設(shè)置在踏板或膠帶的之上時，則踏板表面與圍裙板下端所測得的垂直間隙不應(yīng)超過4 mm；踏板或膠帶產(chǎn)生橫向移動時，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]。

自動扶梯在運行過程中，梯級與圍裙板一個運動一個靜止，在兩者之間形成了動靜結(jié)合處。當動靜結(jié)合處的間隙過大時，很容易造成剪切和擠壓的風(fēng)險，小孩子身體比較小而且活潑好動，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。

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

在采用斜塞尺測量時，測量的結(jié)果并不是梯級和圍裙板實際的間隙值。如圖1 所示，梯級的邊角并不是絕對的直角，其邊上有個弧形的倒角。采用斜塞尺測量時，檢驗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)該測量得到該處的間隙值。標準的初衷就是避免間隙過大造成夾人事故的發(fā)生，所以間隙測量時，應(yīng)該以間隙夾人位置的間隙值作為最終測量值。

圖1 塞尺測量

本文設(shè)計一種自動扶梯梯級和圍裙板間隙測量儀器，實現(xiàn)對自動扶梯梯級和圍裙板之間夾人位置處間隙的測量，通過顯示屏直接顯示測量結(jié)果，攜帶方便，提高檢驗精度和效率，保障乘客乘梯安全。

1 儀器測量原理

如圖2 所示，在進行間隙測量時，將測量儀器的尺身部分垂直插入到梯級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。當尺身下端完全貼合在圍裙板上時，壓力傳感器上施加的力為F2，梯級施加在尺身上的力為F1，梯級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計算公式如下：

對尺身進行幾何分析可得：

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）得到梯級和圍裙板的間隙值。

根據(jù)測量原理，只要得到測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，就可以通過公式運算得到梯級和圍裙板的間隙測量結(jié)果。但是，在對應(yīng)變傳感器的輸出信號進行采集時，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)變傳感器處每次動作后都會有應(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傳感器的數(shù)值，然后計算得到測量結(jié)果。

根據(jù)懸臂處的應(yīng)變分析，當力作用在懸臂不同位置使懸臂作用到最大位移處時，應(yīng)力傳感器粘貼處產(chǎn)生的應(yīng)變值基本是不變的，也就是當懸臂的位移達到最大值時，應(yīng)變值ε是一個常量。根據(jù)式（5），間隙值Δ和壓力傳感器上的力F2之間存在對應(yīng)關(guān)系，通過試驗標定和數(shù)據(jù)擬合，可以得到兩者的準確關(guān)系，進而實現(xiàn)間隙的測量。

2 硬件開發(fā)

尺身采用線切割方式一體化加工，在懸臂處形成一個柔順機構(gòu)轉(zhuǎn)動副。在尺身上端加工一個螺紋孔，便于壓力傳感器的安裝，整個尺身結(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，采用STM32F103C8T6 型號單片機， 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，當懸臂處發(fā)生位移時，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、控制。應(yīng)變放大器采用OP07C 型運算放大器集成電路，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。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用24 位ADS1256 型號數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊， 模塊上搭載高精度TI?ADS1256IDBADC 芯片以及ADR032.5 V 電源基準芯片；數(shù)據(jù)輸出速率可達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，當懸臂發(fā)生位移時，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 單片機進行數(shù)據(jù)處理。壓力傳感器輸出的電壓信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓送至STM32 單片機進行數(shù)據(jù)處理。STM32 單片機通過處理得到的測量結(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現(xiàn)。具體流程實現(xiàn)如圖4 所示，設(shè)置儀器初始化程序，當開始測量按鍵按下時，儀器開始測量。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)字都是隨著時間逐漸增大。當某一數(shù)組內(nèi)的數(shù)字出現(xiàn)先增大然后變小時，可以判斷此時應(yīng)變傳感器輸出應(yīng)變數(shù)值達到最大值，懸臂的位移值達到最大。當應(yīng)變數(shù)值達到最大值時，儀器讀取此時壓力傳感器上的數(shù)值。儀器根據(jù)標定得到間隙值和壓力傳感器輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，得到梯級和圍裙板的間隙值。最后，儀器將計算得到的間隙值以數(shù)值形式直接顯示在顯示屏上，結(jié)束測試。

圖4 軟件開發(fā)流程

4 試驗與結(jié)果分析

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

圖5 測試平臺

根據(jù)項目任務(wù)書要求，測量儀器能夠完成3～15 mm范圍內(nèi)的間隙測量。本次試驗選擇3～15 mm范圍內(nèi)13個整數(shù)間隙值重復(fù)測量了5次，得到如表1所示的測量數(shù)據(jù)，并計算出最大、最小標準偏差。根據(jù)表1，測量結(jié)果中最大標準偏差最大的為4 mm和7 mm間隙處，達到0.35 mm，最小標準偏差最小的為4 mm間隙處,達到0，平均最大偏差為0.192 mm，平均最小偏差為0.122 mm。

表1 多次測量數(shù)據(jù)

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

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

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

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

5 結(jié)束語

本文從儀器原理、硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、試驗等幾個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）儀器可以實現(xiàn)對自動扶梯梯級和圍裙板之間間隙的測量，測量結(jié)果直接在顯示屏上，測量人員可以直接讀取測量數(shù)據(jù)。

（2）通過搭建試驗平臺，完成儀器在3～15 mm范圍內(nèi)的測量，儀器的測量精度不能穩(wěn)定在0.1 mm內(nèi)，儀器的硬件和軟件上還需要進一步改進。

（3）儀器尚未進行現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場測試的效率和精度方面的提升還需要進一步賀現(xiàn)有測量方法進行比較研究。