高架地铁站半高式屏蔽门防翻越报警装置设计与研究

2020-12-22唐艳英

机电产品开发与创新 2020年6期

郭勇，唐艳英

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510700）

0 引言

出于保护乘客安全、增加车站空调及广播利用率、减缓火灾影响，当前国内各地铁站台基本都采用了封闭式屏蔽门设计，高架地铁站因受限于地理条件，其站台通常为半高式屏蔽门。由于半高式屏蔽门的门体不能将乘客与铁轨区进行有效隔离，这就使得乘客容易翻越半高式屏蔽门进入铁轨区域，地铁工作人员不能及时发现制止，存在乘客触电、地铁设备被破坏的安全隐患，为地铁运营带来较大安全隐患。

1 设计思路

如何设计防翻越报警系统，既不影响屏蔽门正常使用，又可以增加有人翻入时报警提醒功能，在这一背景下，本文提出设计基于压阻式薄膜传感器的屏蔽门防翻越系统，实现有人翻越端门时，自动触发本地声光器报警，起到警示乘客和提醒车站工作人员的作用。

2 系统设计方案

2.1 整体结构设计

如图1 所示，半高式屏蔽门的防翻越报警装置在半高式屏蔽门的门体顶部101 设置有压力信息采集器1，并且设置有与压力信息采集器1 顺次连接的压力信息检测器2、驱动电路3 和声光报警器4，则当发生乘客翻越半高式屏蔽门的行为时，可通过该压力信息采集器1 采集到乘客翻越半高式屏蔽门产生的压力信息，压力信息检测器2 在检测到该压力信息时，则向驱动电路3 输出该压力信息，使得驱动电路3输出驱动信号，促使声光报警器4 根据该驱动信号发出声光警报，实现乘客翻越半高式屏蔽门行为的监测并及时发出警报来警示乘客和地铁工作人员，防止乘客进入铁轨区域（见图2）。

图1 压力信息采集器和声光报警器的布设示意图

图2 半高式屏蔽门的防翻越报警装置的电气结构框图

2.2 薄膜压力传感器工作原理

本文所选的压力传感器采用柔性薄膜压敏传感器[1，2]，由综合机械性能优异的聚酯薄膜，高导电材料和纳米级压力敏感材料组成，压敏层复合在柔性薄膜中构成传感器的顶层，导电线路复合在柔性薄膜中构成传感器的底层。当感应区受压时，传感感器底层彼此断开的线路会通过顶层的压敏层导通，端口的电阻输出值随着压力变化，本设计中电阻式薄膜压力传感器RS 采用带状结构，以增加压力信息采集的面积，提高压力信息采集的准确性。电阻式压敏传感器是电阻值随着作用于感应区上的压力增大而减小的柔性薄膜传感器。

图3 所示为一个在特定测试条件下电阻随压力变化的曲线图，当压力感应范围在200g～10kg 间，当压力超过10kg 时，该传感器阻值变化不明显，但但已满足使用要求。

图3 压敏传感器阻值受力变化曲线图

2.3 控制电路设计

如图4 所示，本文采用惠斯登电桥[3]设计压力采集器，压力信息采集器1 包括电阻式薄膜压力传感器RS；所述压力信息检测器2 包括基准电阻Ro、第一电阻R1、第二电阻R2 和电压比较器U，所述第一电阻R1 和所述第二电阻R2 的电阻值相同；所述基准电阻Ro 的第一端连接至第一电源VCC1，第二端通过所述第一电阻R1 接地，并连接至所述电压比较器U 反相输入端；所述电阻式薄膜压力传感器RS 的第一端连接至所述第一电源VCC1，第二端通过所述第二电阻R2 接地，并连接至所述电压比较器U 的同相输入端；所述电压比较器U 的输出端通过第三电阻R3 连接至所述第一电源VCC1。

图4 半高式屏蔽门的防翻越报警装置的电路结构图

在该实施方式中，电阻式薄膜压力传感器RS 用于采集乘客翻越半高式屏蔽门时产生压力信息，电阻式薄膜压力传感器RS 将乘客施加于半高式屏蔽门的压力转换为电阻值，实现压力信息的采集，其中，压力与电阻式薄膜压力传感器RS 的电阻值成反比；基准电阻Ro、第一电阻R1、第二电阻R2 和电阻式薄膜压力传感器RS 构成惠斯通电桥，以检测电阻式薄膜压力传感器RS 的电阻值；当电阻式薄膜压力传感器RS 的电阻值小于基准电阻Ro的电阻值时，则表示检测到的压力信息大于预设的压力阈值，此时，电压比较器U 同相输入端的电压大于反相输入端的电压，电压比较器U 输出端输出高电平；当电阻式薄膜压力传感器RS 的电阻值大于基准电阻Ro 的电阻值时，则表示检测到的压力信息小于预设的压力阈值，此时，电压比较器U 同相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器U 输出端输出低电平；进而通过电压比较器U 输出高电平来指示检测到的压力信息大于预设的压力阈值，通过电压比较器U 输出低电平来指示检测到的压力信息小于预设的压力阈值。

在该实施方式中，基准电阻Ro 为可调电阻，以便调节基准电阻Ro 的电阻值，实现预设压力阈值的调节，提高监测的灵活性。

所述驱动电路3 包括三极管Q 和继电器K1；所述继电器K1 包括线圈和常开开关；其中，所述三极管Q 的基极通过第四电阻R4 连接至所述压力信息检测器2 的输出端，集电极通过所述继电器K1 的线圈和第五电阻R5连接至所述第一电源VCC1，发射极接地；所述继电器K1的常开开关的第一端连接至第二电源VCC2，第二端与所述声光报警器4 的一端连接；所述声光报警器4 的另一端连接至第三电源VCC3。

在该实施方式中，当压力信息检测器2 的输出端输出高电平时，三极管Q 导通，继电器K1 的线圈得电，进而继电器K1 的常开开关接通，继电器K1 处于自锁常闭状态，使得第二电源VCC2 和第三电源VCC3 为声光报警器4 供电，驱动声光报警器4 发出声光警报；当压力信息检测器2 的输出端输出低时，三极管Q 截止，继电器K1的线圈无电流通过，进而常开开关仍然保持断开状态。

该防翻越报警装置还包括：复位开关K2，串联于所述常开开关所在的串联支路上；当继电器K1 的常开开关接通且处于自锁常闭状态时，通过接通该复位开关K2 来断开继电器K1 的常开开关，以停止声光报警器4 的声光警报。

2.4 压力采集结构设计

如图5 所示，在本文设计的新型防翻越报警装置中，压力信息采集器1 除了包括电阻式薄膜压力传感器RS之外，还包括：第一橡胶保护层11，设置于所述电阻式薄膜压力传感器RS 朝向所述半高式屏蔽门的一面，且与所述半高式屏蔽门的门体顶部101 连接，用于隔离电阻式薄膜压力传感器RS 和半高式屏蔽门的门体顶部101，避免电阻式薄膜压力传感器RS 与门体顶部的金属层接触，提高压力信息采集的准确性；第二橡胶保护层12，设置于所述电阻式薄膜压力传感器RS 远离所述半高式屏蔽门的一面，以对电阻式薄膜压力传感器RS 进行保护，柔性地采集乘客翻越半高式屏蔽门所施加的压力信息。

所述第一橡胶保护层11 的厚度为3mm，所述第二橡胶保护层12 的厚度为5mm。

为了对电阻式薄膜压力传感器RS 进行防潮和防粘保护，延长电阻式薄膜压力传感器RS 的使用寿命，所述压力信息采集器1 还包括：第一蜡纸保护层13，设置于所述第一橡胶保护层11 与所述电阻式薄膜压力传感器RS 之间；第二蜡纸保护层14，设置于所述电阻式薄膜压力传感器RS 与所述第二橡胶保护层12 之间。

所述电阻式薄膜压力传感器RS 为带状，以增加压力信息采集的面积，提高压力信息采集的准确性。

在上述防翻越报警装置中，声光报警器4 设置于半高式屏蔽门的门体顶部101，以直观提醒乘客；压力信息检测器2 和驱动电路3 设置于控制箱内（图中未示出），以便对压力信息检测器2 和驱动电路3 进行收纳和保护。

具体地，在上述防翻越报警装置中，第一电源VCC1为5V 直流电源，第二电源VCC2 为24V 直流电源，第三电源VCC3 为-24V 直流电源。