秋千座椅防撞擊試驗裝置的研制

陳素娟 吳文珍 湯龍剛（永嘉縣產品質量監督檢驗所 溫州 325105）

秋千座椅防撞擊試驗裝置的研制

陳素娟 吳文珍 湯龍剛
（永嘉縣產品質量監督檢驗所 溫州 325105）

秋千座椅的防撞擊性能是小型游樂設施秋千的重要安全性能指標，通過自動提升起吊機構、角度傳感器、三維加速度傳感器等一體化整體結構綜合設計，基于虛擬儀器技術LabVIEW進行編程，研制秋千座椅防撞擊試驗裝置。

秋千座椅 角度傳感器 三維加速度

隨著人們生活水平的不斷提高，幼兒園、學校、游樂場所及社區等場所對兒童娛樂用的小型游樂設施的需求量也越來越大，這類游樂設施出口量也日益增加。秋千是一種最常見的小型游樂設施，應用非常廣泛，其安全性能要求對兒童游樂安全至關重要。2012 年9月3日，我國發布了GB/T 28711—2012《無動力類游樂設施 秋千》國家標準（以下簡稱秋千國標）。于2013年1月1日開始實施的秋千國標［1］使秋千有了生產和檢驗的法定依據。秋千座椅防撞擊要求是國標的一項重要的特殊安全性能要求，旨在防止秋千在運動過程中發生意外時對頭部產生的傷害。根據國標對秋千座椅的防撞擊試驗設備的要求，通過試驗分析，確定了試驗裝置的基本結構及工作原理，完成了硬件、軟件設計研制，解決了研制過程中的難點。該試驗裝置的研制成功，填補國內技術空白，為確保秋千產品質量、開展安全性能評估和監管提供了重要的技術支撐，對確保兒童游樂安全、提升整個小型游樂設施行業的技術水平具有極其重要的意義。

1　試驗裝置的研發

1.1基本結構

試驗裝置由固定支架、起吊機構（包括左右移動調節機構、上下升級調節機構、角度傳感器、釋放電磁鐵、鋼絲繩及鏈條）、內置三維加速度傳感器的測試鋁球幾部分構成，如圖1所示。

1.2工作原理

測試時，通過起吊機構提高秋千座椅，角度傳感器可以感應到提升角度。當角度達到標準要求的60°時停止起吊并釋放秋千座椅，秋千座椅正面撞擊測試鋁球（直徑為160mm±5mm，重心處安裝三維加速度傳感器，并以外部配置重塊來確保鋁半球總質量為4.6kg±0.05kg），碰撞產生的振動信號通過三維加速度傳感器轉化為模擬電壓信號，再由數據采集卡轉化為數字信號并送入計算機中，通過基于LabVIEW開發的軟件實現數據的采集、計算、保存、處理和輸出。

圖1　裝置結構圖

1.3硬件設計

●1.3.1 起吊方式的采用

起吊方式采用起吊機構自動提升，并且角度采用角度傳感器進行初始下落位置的定位，精度可靠，使用簡單，并且提高了試驗效率。

●1.3.2 三維加速度傳感器的選用

目前的三維加速度傳感器類型有壓阻式、壓電式和電容式等多種，這些傳感器的工作原理為加速度與電阻、電壓和電容呈正比增減，采集經過相應的放大和濾波的電路［2］。該試驗裝置采用了測量頻率為0～5000Hz的美國PCB公司356A26型三維加速度傳感器，其測量范圍達±100g，測量精度為0.0002g，可同時進行X、Y、Z軸測量，完全符合測試要求。

●1.3.3 數據采集卡的選用

選用NI公司生產的4通道C系列動態系列NIUSB-9234型采集卡。NIUSB-9234具有102dB的動態范圍，并能對加速度傳感器進行信號調理。4條輸入通道借助自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器，同時以每通道高達51.2kHz的速率數字化信號。

●1.3.4 針對細節難點的設計

鋁球是通過一根金屬絲懸掛在試驗機的整體框架上，容易雙向晃動旋轉，為了確保秋千座椅下擺時能夠撞擊鋁球正向，必須保證鋁球穩定，為此，在鋁球的正后方加了一根細金屬繩，金屬繩在撞擊平面內水平反向延伸，通過一個滑輪90°轉向，尾端掛一小墜。

本試驗機角度定位是通過編碼器+軟件來實現的。如果將秋千繩直接連到編碼器上，抬升秋千座椅至60°時，秋千繩會形成自然下凹，使得編碼器定位不準。為了解決這個問題，將兩條硬質薄鋼條連接在編碼器上，薄鋼條長200cm，前段50cm鏤空處理，鏤空處可以橫插一根細桿，細桿處于兩根秋千繩末端的上方，當抬升秋千座椅的時候，會同時抬升薄鋼條，從而實現角度準確定位。

1.4軟件設計

LabVIEW是一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發工具，其核心技術是采用了模塊化編程技術的軟件設計。本系統主要分四個功能，如圖2、圖3所示：一是數據采集，采集波形信號，結合參數計算，并以加速度峰值保存。二是調用波形，即調用和查閱歷史檢測數據；三是校驗設置，設定三軸的校準系數；四是中文報告，就是通過系統將加速度波形和峰值生成測試報告［3］。

秋千座椅與鋁球的撞擊作用時間十分短暫，因而產生的大部分振動信號無法分析。本數據采集功能可以時域性的截取其中有效信號，信號經分析與處理后，直接合成三維加速度峰值。該功能提高檢測的準確性和觀察的直觀性。

圖2　軟件流程圖

2　試驗結果及分析驗證

表1為該試驗裝置的檢測系統所采集到的數據。測量10次連續撞擊的加速度峰值（單位：g），在第一次撞擊的同時，記錄撞擊面積（單位：mm2），計算該10次撞擊的平均加速度峰值。結合平均加速度峰值得出本次試驗的平均表面壓力（單位：kPa）。

表1　實驗數據

從圖3中可以看出，該試驗裝置的檢測系統能同時測量三維加速度傳感器的峰值（X、Y、Z），并自動濾波合成加速度峰值。從表1中可以看出，根據10次撞擊的測試結果，并結合測量的撞擊面積，檢測系統可自動計算撞擊位置的表面壓力。

圖3　系統主界面

3　結束語

在研究GB/T 28711ü2012及LabVIEW虛擬儀器技術的基礎上，針對秋千座椅撞擊性能測試要求，結合秋千座椅的大小長短規格型號差異的實際調研成果，采用自動可調節樣品安放機構及LabVIEW編程，研制了一臺秋千座椅撞擊性能檢測裝置，并將其應用于秋千安全性能測試中，該試驗裝置實現了人機界面、數據采集、數據保存、數據處理、報表輸出等功能。實驗結果充分顯示了LabVIEW的技術優勢，使測試精度、穩定性和可靠性都得到充分保障［4］。同時實驗完全滿足了無動力類游樂設施秋千標準的測試要求，為無動力類游樂設施安全性能評估和監管提供了重要的技術支撐［5］。

［1］ GB/T 28711—2012 無動力類游樂設施 秋千［S］.

［2］ 溫淑慧.一種電容式加速度傳感器設計和研究［J］.傳感技術學報，2005，18（2）：329-332+357.

［3］ 劉強.基于LabVIEW的游樂場鋪面緩沖性能測試系統開發［J］.輕工標準與質量，2014，（1）：56-58.

［4］ 王玉偉.基于LabVIEW的測試軟件設計［D］.山西：中北大學，2009.

［5］ 佟俐，潘宏俠，胡田.基于LabVIEW的機電設備狀態監測與故障診斷系統［J］.儀表技術與傳感器，2008，（7）：34-35+49.

Development of Anti Impact Test Device for Swing Seat

Chen Sujuan Wu Wenzhen Tang Longgang
(Yongjia Institute of Product Quality Supervision and Inspection Wenzhou 325105)

Anti impact performance of swing seat is a significant safe parameter for small amusement devices--swing. Based on the virtual instrument technology LabVIEW, the swing seat anti impact test device is developed through a integral and comprehensive design, which includes a automatic lifting appliance, an angle sensor and a triple-axis acceleration sensor.

Swing seat Angle sensor Triple-axis acceleration

X941

B

1673-257X（2016）07-0074-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.020

陳素娟（1969～），女，本科，副所長，高級工程師，從事產品質量檢驗檢測、產品質量分析、質量管理及標準化等技術管理工作。
（

2016-04-18）