一種扶梯梯級與圍裙板間隙測量儀器的研制*

張 捷，王 葵

（廣東省特種設備檢測研究院， 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、飛機場等公共設施的數量快速增加，作為這些場所非常重要的自動扶梯的數量也迅速增長，為人們的公共出行帶來了極大的便利。然而自動扶梯引發的事故卻時有發生，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，成為自動扶梯從業人員研究的重要課題[1-11]。

根據GB 16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》 要求：自動扶梯與自動人行道的圍裙板設置在梯級、踏板或膠帶的兩側，任何一側的水平間隙不應大于4 mm，并且兩側對稱位置處的間隙總和不應大于7 mm。如果自動人行道的圍裙板設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超過4 mm；踏板或膠帶產生橫向移動時，不允許踏板或膠帶的側邊與圍裙板垂直投影間產生間隙[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合處。當動靜結合處的間隙過大時，很容易造成剪切和擠壓的風險，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，檢驗人員操作非常不方便，數據讀取也存在困難，導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生，所以間隙測量時，應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

本文設計一種自動扶梯梯級和圍裙板間隙測量儀器，實現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

根據受力平衡可得：

懸臂處的力學分析可得：

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

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：

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

根據測量原理，只要得到測試過程中某一瞬間的應變傳感器和壓力傳感器的數值，就可以通過公式運算得到梯級和圍裙板的間隙測量結果。但是，在對應變傳感器的輸出信號進行采集時，懸臂發生相同位移的情況下，應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，輸出的結果更加大。通過分析，由于應變傳感器處每次動作后都會有應力殘余，導致應變傳感器的輸出不穩定。鑒于應變傳感器上存在應力殘余，儀器不能直接通過采集兩個傳感器的數值，然后計算得到測量結果。

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

2 硬件開發

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轉動副。在尺身上端加工一個螺紋孔，便于壓力傳感器的安裝，整個尺身結構緊湊、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 處理器內核，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。應力傳感器采用BF350 高精度電阻式應變片，通過和350 Ω精密電阻組成半橋應變電路，當懸臂處發生位移時，半橋應變電路輸出相應的電壓值。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，結構緊湊小巧，高度低，適合于安裝空間有限的設備上的力值檢測、控制。應變放大器采用OP07C 型運算放大器集成電路，具有低噪聲、非斬波穩零的雙極性（雙電源供電）、低輸入偏置電流、低失調電壓漂移等優點。數模轉換模塊采用24 位ADS1256 型號數模轉換模塊， 模塊上搭載高精度TI?ADS1256IDBADC 芯片以及ADR032.5 V 電源基準芯片；數據輸出速率可達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

應力傳感器搭載精密電阻組成半橋電路，當懸臂發生位移時，半橋電路輸出響應電壓，并且通過應變放大電路將輸出電壓放大，然后通過數模轉換模塊轉換為數字電壓送至STM32 單片機進行數據處理。壓力傳感器輸出的電壓信號通過數模轉換模塊轉換為數字電壓送至STM32 單片機進行數據處理。STM32 單片機通過處理得到的測量結果，并以數字形式顯示在顯示模塊上。

3 軟件開發

儀器采用C#程序設計語言完成硬件/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。具體流程實現如圖4 所示，設置儀器初始化程序，當開始測量按鍵按下時，儀器開始測量。首先，儀器開始采集應變傳感器的數據，儀器將連續采集的數據按照順序編制成數組，在開始階段，數組內的數字都是隨著時間逐漸增大。當某一數組內的數字出現先增大然后變小時，可以判斷此時應變傳感器輸出應變數值達到最大值，懸臂的位移值達到最大。當應變數值達到最大值時，儀器讀取此時壓力傳感器上的數值。儀器根據標定得到間隙值和壓力傳感器輸出之間的對應關系，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值形式直接顯示在顯示屏上，結束測試。

圖4 軟件開發流程

4 試驗與結果分析

搭建的試驗平臺如圖5 所示。通過調整平臺上的螺絲使上下平臺之間的間隙發生變化，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

根據項目任務書要求，測量儀器能夠完成3～15 mm范圍內的間隙測量。本次試驗選擇3～15 mm范圍內13個整數間隙值重復測量了5次，得到如表1所示的測量數據，并計算出最大、最小標準偏差。根據表1，測量結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 多次測量數據

測量結果未能穩定達到0.1 mm以內，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變值基本不變這個假設，但是在不同的間隙處，應變值會有一定不同。

（2）在對尺身進行力學分析時，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生大量的數據，數據處理難度比較大，導致每次測量不能準確的找到應變片達到最大值的時刻。

5 結束語

本文從儀器原理、硬件開發、軟件開發、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論。

（1）儀器可以實現對自動扶梯梯級和圍裙板之間間隙的測量，測量結果直接在顯示屏上，測量人員可以直接讀取測量數據。

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

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