一种扶梯梯级与围裙板间隙测量仪器的研制*

2021-09-26张捷，王葵

机电工程技术 2021年8期

张捷，王葵

（广东省特种设备检测研究院，广东佛山 521251）

0 引言

随着我国城市化程度不断提升，大型商场、火车站、高铁站、飞机场等公共设施的数量快速增加，作为这些场所非常重要的自动扶梯的数量也迅速增长，为人们的公共出行带来了极大的便利。然而自动扶梯引发的事故却时有发生，通过媒体的传播造成了社会的恐慌。确保自动扶梯安全运行、降低安全事故，成为自动扶梯从业人员研究的重要课题[1-11]。

根据GB 16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》要求：自动扶梯与自动人行道的围裙板设置在梯级、踏板或胶带的两侧，任何一侧的水平间隙不应大于4 mm，并且两侧对称位置处的间隙总和不应大于7 mm。如果自动人行道的围裙板设置在踏板或胶带的之上时，则踏板表面与围裙板下端所测得的垂直间隙不应超过4 mm；踏板或胶带产生横向移动时，不允许踏板或胶带的侧边与围裙板垂直投影间产生间隙[12]。

自动扶梯在运行过程中，梯级与围裙板一个运动一个静止，在两者之间形成了动静结合处。当动静结合处的间隙过大时，很容易造成剪切和挤压的风险，小孩子身体比较小而且活泼好动，很容易将身体深入到间隙处，造成夹伤甚至夹断手指、脚趾的事故。

检验人员在对梯级和围裙板间隙测量时，通常采用斜塞尺完成测量。斜塞尺测量时，在自动扶梯狭小的空间内，检验人员操作非常不方便，数据读取也存在困难，导致测量的精度和效率都无法保证。

在采用斜塞尺测量时，测量的结果并不是梯级和围裙板实际的间隙值。如图1 所示，梯级的边角并不是绝对的直角，其边上有个弧形的倒角。采用斜塞尺测量时，检验人员通常读取的是图中2 位置处的间隙值，但是图中1 位置处才是夹人位置，应该测量得到该处的间隙值。标准的初衷就是避免间隙过大造成夹人事故的发生，所以间隙测量时，应该以间隙夹人位置的间隙值作为最终测量值。

图1 塞尺测量

本文设计一种自动扶梯梯级和围裙板间隙测量仪器，实现对自动扶梯梯级和围裙板之间夹人位置处间隙的测量，通过显示屏直接显示测量结果，携带方便，提高检验精度和效率，保障乘客乘梯安全。

1 仪器测量原理

如图2 所示，在进行间隙测量时，将测量仪器的尺身部分垂直插入到梯级与围裙板之间的间隙中。在压力传感器上逐渐施加压力，尺身上的悬臂端开始发生变形。当尺身下端完全贴合在围裙板上时，压力传感器上施加的力为F2，梯级施加在尺身上的力为F1，梯级作用在尺身的位置距离悬臂上端的距离为d，悬臂的长度为L，尺身插入间隙位置的尖角的角度为θ，间隙为Δ。

图2 仪器测量原理

根据受力平衡可得：

悬臂处的力学分析可得：

式中：ε为应变片的应变值；E为弹性模量；M为悬臂上的弯矩；W为抗弯截面系数。

其中，悬臂上的弯矩W计算公式如下：

对尺身进行几何分析可得：

综合分析式（1）～（4）可得：

仪器通过采集应变片和压力传感器的数值，然后通过式（5）得到梯级和围裙板的间隙值。

根据测量原理，只要得到测试过程中某一瞬间的应变传感器和压力传感器的数值，就可以通过公式运算得到梯级和围裙板的间隙测量结果。但是，在对应变传感器的输出信号进行采集时，悬臂发生相同位移的情况下，应变传感器的输出并不相同，特别是时间相差比较少的两次采集之间，输出的结果更加大。通过分析，由于应变传感器处每次动作后都会有应力残余，导致应变传感器的输出不稳定。鉴于应变传感器上存在应力残余，仪器不能直接通过采集两个传感器的数值，然后计算得到测量结果。

根据悬臂处的应变分析，当力作用在悬臂不同位置使悬臂作用到最大位移处时，应力传感器粘贴处产生的应变值基本是不变的，也就是当悬臂的位移达到最大值时，应变值ε是一个常量。根据式（5），间隙值Δ和压力传感器上的力F2之间存在对应关系，通过试验标定和数据拟合，可以得到两者的准确关系，进而实现间隙的测量。

2 硬件开发

尺身采用线切割方式一体化加工，在悬臂处形成一个柔顺机构转动副。在尺身上端加工一个螺纹孔，便于压力传感器的安装，整个尺身结构紧凑、轻便，利于单手操作。

如图3 所示，本仪器的核心原件——单片机，采用STM32F103C8T6 型号单片机，基于超低功耗的ARMCor⁃tex-M3 处理器内核，最高工作频率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。应力传感器采用BF350 高精度电阻式应变片，通过和350 Ω精密电阻组成半桥应变电路，当悬臂处发生位移时，半桥应变电路输出相应的电压值。压力传感器采用LFS-13（0～5 kg）型号S形压力传感器，精度高，易于安装，结构紧凑小巧，高度低，适合于安装空间有限的设备上的力值检测、控制。应变放大器采用OP07C 型运算放大器集成电路，具有低噪声、非斩波稳零的双极性（双电源供电）、低输入偏置电流、低失调电压漂移等优点。数模转换模块采用24 位ADS1256 型号数模转换模块，模块上搭载高精度TI⁃ADS1256IDBADC 芯片以及ADR032.5 V 电源基准芯片；数据输出速率可达30 ksps，低非线性度为±0.0010%；模块可配置为8路单端输入或4路差分输入。本项目中由于应变放大板只支持单路输出，因此采用8路单端输入模式；模块工作电压5 V。

图3 硬件的开发

应力传感器搭载精密电阻组成半桥电路，当悬臂发生位移时，半桥电路输出响应电压，并且通过应变放大电路将输出电压放大，然后通过数模转换模块转换为数字电压送至STM32 单片机进行数据处理。压力传感器输出的电压信号通过数模转换模块转换为数字电压送至STM32 单片机进行数据处理。STM32 单片机通过处理得到的测量结果，并以数字形式显示在显示模块上。

3 软件开发

仪器采用C#程序设计语言完成硬件/模拟SPI 通信、ADS1256 的读写控制、TFT 显示屏的显示控制、键盘扫描等功能的实现。具体流程实现如图4 所示，设置仪器初始化程序，当开始测量按键按下时，仪器开始测量。首先，仪器开始采集应变传感器的数据，仪器将连续采集的数据按照顺序编制成数组，在开始阶段，数组内的数字都是随着时间逐渐增大。当某一数组内的数字出现先增大然后变小时，可以判断此时应变传感器输出应变数值达到最大值，悬臂的位移值达到最大。当应变数值达到最大值时，仪器读取此时压力传感器上的数值。仪器根据标定得到间隙值和压力传感器输出之间的对应关系，得到梯级和围裙板的间隙值。最后，仪器将计算得到的间隙值以数值形式直接显示在显示屏上，结束测试。

图4 软件开发流程

4 试验与结果分析

搭建的试验平台如图5 所示。通过调整平台上的螺丝使上下平台之间的间隙发生变化，最终以游标卡尺作为参考得到试验需要的间隙值。

图5 测试平台

根据项目任务书要求，测量仪器能够完成3～15 mm范围内的间隙测量。本次试验选择3～15 mm范围内13个整数间隙值重复测量了5次，得到如表1所示的测量数据，并计算出最大、最小标准偏差。根据表1，测量结果中最大标准偏差最大的为4 mm和7 mm间隙处，达到0.35 mm，最小标准偏差最小的为4 mm间隙处,达到0，平均最大偏差为0.192 mm，平均最小偏差为0.122 mm。