CN109100061A - 一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置及方法，其配合电阻应变计，通过检测材料内应力的变化来进行锁止力设定。在锁止力设定上更加便捷简单，采用的检测元器件相对现有技术大大简化，对锁止力变化的反应更灵敏且能长期保持精确度，无需周期性的调校。从而使各领域内应用的阻挡机构中门单元的制造成本与维护成本会进一步下降，可靠性进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及自动控制的门结构，具体涉及一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置及方法；应用于门禁、自动检票设备及轨道交通设备。
背景技术
目前，应用于门禁、自动检票设备，轨道交通设备的阻挡机构，其门单元都具备防恐慌设计功能，要求在正常情况下具备锁止力来抵抗一定程度的冲击，而当冲击力度超过某个阈值时，门单元则解除锁止，自动打开保证人群在紧急情况下可以快速通过。
现有的锁止力控制都是针对拍打门的，基本都是电机驱动。目前已有的锁止力控制方法是通过制动器及驱动检测电路的方式实现的，制动器对拍打门进行制动和锁止控制，对制动器的控制就是对拍打门的控制。如图1a图1b所示，当电机的转速降低到接近静止状态时，制动器的核心部件第一花键齿1与第二花键齿7进行吸合动作，其中，第一花键齿7为材质为H62的黄铜花键齿，第二花键齿7为材质为45#的钢花键齿，第一花键齿1及第二花键齿7均设置材质为20#的低碳钢(导磁)挡片5，当第一花键齿1与第二花键齿7吸合后，啮合齿咬死，对拍打门进行制动锁止，使扇门保持相应的姿态；在该姿态下，制动器保持吸合状态，形成锁止力。当对扇叶的冲击力度产生的扭矩大于预设的阈值时，处于吸合状态的第一花键齿1相对第二花键齿7产生位移差，如图1b所示，为两个啮合齿的微观结构及微观位置示意图。位移差造成了第一花键齿上的第一啮合齿81和第二花键齿上的第二啮合齿82的啮合状态发生改变形成位错，该位错可由驱动器检测电路进行捕捉，最小精度达到0.5度，当位移差达到预设的阈值，第一花键齿1与第二花键齿7分开，此时制动器打开，门的锁止状态解除。
扭矩的阀值及位移差的阀值的设定依据主要来自扇门所需的锁止力值。该锁止力值一般是客户根据行业标准或地方标准规定的。在不同的应用领域，锁止力值是不相同的，在同一领域里，是默认公知的，后者作为可调节的技术指标存在。
显然，上述现有技术存在一定的缺陷和局限：由于作为锁定机构的制动器的两个花键齿需要啮合通过摩擦力制动和锁紧，在长期工作后，花键齿由于经常受摩擦力作用，会产生一定的磨损和微观形变，而这些磨损和形变反过来又改变了摩擦力系数，使得静摩擦力发生改变，可被检测的位错形成值也就会产生相应的变化，因此现有技术需要定期进行人工干预调校，才能使得锁止力保持均衡。
发明内容
为了克服现有技术中锁止力控制方法需要经常进行人工调校的不足，本发明的目的是提供一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置及方法，其配合电阻应变计，通过检测材料内应力的变化来进行锁止力设定。在锁止力设定上更加便捷简单，采用的检测元器件相对现有技术大大简化，对锁止力变化的反应更灵敏且能长期保持精确度，无需周期性的调校。从而使各领域内应用的阻挡机构中门单元的制造成本与维护成本会进一步下降，可靠性进一步提高。
为达上述目的，本发明采取的具体技术方案是：
一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，应用于一门单元，该门单元具有一力臂及一驱动单元，包括：
贴设于所述力臂的至少一电阻应变计，用以将所述力臂产生的应变转化为电阻变化；
一应变检测平衡电桥电路，用以根据该电阻变化的值计算所述力臂的应变的值；
一信号处理及控制单元，用以根据应变的值计算门单元的锁止力，并将该锁止力的值与一预设阀值比较，根据比较结果向驱动单元发送一控制信号；
驱动单元根据控制信号解除或保持锁止。
进一步地，所述电阻应变计包括：
一敏感栅，用以将应变量转换成电阻变化量，并形成一电信号；
连接所述敏感栅的引线，用以传输该电信号；
一基底，所述敏感栅通过粘接方式固定于所述基底的一表面；
覆盖所述敏感栅的一覆盖层。
进一步地，所述敏感栅为由金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。
进一步地，所述电阻应变计的数量为4个，在所述力臂的两侧以对称方式各布置2个。
进一步地，所述力臂受到一维应力的作用时，所述电阻应变计的主轴线与该一维应力方向一致。
一种基于应变电桥电路的门的锁止控制方法，应用于一门单元，该门单元具有一力臂及一驱动单元，包括以下步骤：
将所述力臂产生的应变转化为电阻变化；
根据该电阻变化的值计算所述力臂的应变的值；
根据应变的值计算门单元的锁止力，并将该锁止力的值与一预设阀值比较，根据比较结果向驱动单元发送一控制信号；
驱动单元根据控制信号解除或保持锁止。
进一步地，根据电阻变化的值通过下式计算所述力臂的应变的值：
其中，εx为应变的值，K为电阻应变计的灵敏系数；R是未加力时电阻应变计阻值的初始值；ΔR是加力变形后电阻应变计的电阻变化。
进一步地，所述预设阀值根据门单元所需的锁止力值设定。
通过采取上述技术方案，本发明改变了现有技术必须通过驱动器的编码器检测电路进行反馈的设计原理，简化了开发与维护的复杂程度，节省了制造成本。并且通过应变电桥电路检测可以进一步提高被检测力度的灵敏值，将锁止力的控制精度大大提高，有利于门单元适应更广阔的应用范围。另外，锁止力的控制区间得到进一步延伸，从现有技术书仅能提供预设锁止力阈值附近较小的范围力度，扩大为可自定义锁止力的区间。有利于门单元适应不同种类的防恐慌预警预案。最后相对现有技术受花键齿磨损，校准等影响，本发明无需经常调校门单元，节省了维护成本。
附图说明
图1a及图1b为背景技术中现有的门单元的锁止结构示意图。
图2为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中电阻应变计的结构示意图。
图3为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中电阻应变计的K值图。
图4为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中电阻应变计在门单元中的安装位置示意图。
图5a为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中电阻应变计在力臂上的安装位置示意图。
图5b为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中电阻应变计在力臂上的另一安装位置示意图。
图6为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中应变检测平衡电桥电路的元件连线示意图。
图7为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中单片机采样与判断流程示意图。
图8为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置中门单元力臂应力与电压值的线性关系图。
图9为本发明一实施例中基于应变电桥电路的门的锁止控制装置的模块组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
参考图9，在一实施例中，本发明提供一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，应用于一门单元，该门单元具有一力臂及一驱动单元，装置包括：贴设于所述力臂的至少一电阻应变计，用以将所述力臂产生的应变转化为电阻变化；一应变检测平衡电桥电路，用以根据该电阻变化的值计算所述力臂的应变的值；一信号处理及控制单元，用以根据应变的值计算门单元的锁止力，并将该锁止力的值与一预设阀值比较，根据比较结果向驱动单元发送一控制信号；驱动单元根据控制信号解除或保持锁止。
其中，电阻应变计的结构如图2所示，其中，敏感栅2301是电阻应变计中把应变量转换成电阻变化量的敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引线2302是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。
粘结剂2303是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅2301固定在基底2305上。
覆盖层2304用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。
基底2305用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。
电阻应变计能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变——电阻效应。金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其截面积A成反比，即
式中ρ是导线的电阻率。
如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变——电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，将上述公式取对数后进行微分得
式中，为金属导线长度的相对变化，用轴向应变ε来表示，即 是截面积的相对变化。A＝πr2(r为金属导线的半径)， 是金属导线半径的相对变化，即径向应变εr。导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变ε与径向应变εr有下列关系：
εr＝-με；
μ为金属材料的泊松比。
根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为C为金属材料的一个常数，如铜丝C＝1。
由V＝A·L我们可导出与ε、εr之间的关系。
由此得出
代入式得
Ks称为金属丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。由此可见Ks由两部分组成，前一部分由金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属材料的泊松比μ在0.3左右，因此(1+2μ)≈1.6，后一部分为电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属丝几何尺寸有关外还与金属本身的特性有关。Ks对于一种金属材料在一定应变范围内是一常数，于是得出
敏感栅为单丝时，以单丝延伸方向为为电阻应变计的主轴线方向；敏感栅为栅状体，则以栅形延伸方向为电阻应变计的主轴线方向，为表示电阻应变计的电阻变化与门单元力臂应变的关系，引入电阻应变计的灵敏系数K，定义为：门单元力臂受到一维应力的作用时，如电阻应变计的主轴线与应力方向一致，则电阻应变计的电阻变化率和门单元力臂主应力方向的应变εx(即)之比称为电阻应变计的灵敏系数，即
由于粘结剂传递形变的失真与电阻应变计的横向变形等因素的影响，电阻应变计的灵敏系数K总是小于金属丝的灵敏系数Ks。K值由生产厂家给出,见图3。选取电阻应变计的时候根据形变与电阻变化灵敏度，选择适用于门单元锁止力范围的电阻应变计。
电阻应变计的敏感栅受力后使其电阻发生变化。将其粘贴在门单元力臂上，利用应变——电阻效应便能把门单元力臂表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量，电阻应变计就是利用这一原理制成的传感元件。
将电阻应变计粘贴在门单元力臂的表面，电阻应变计的两端接入测量电路(电桥)。随着门单元力臂受力变形，电阻应变计的电阻丝也获得相应的形变使电阻值发生变化。由电阻应变计的工作原理可知，当应变沿电阻应变计的主轴方向时，电阻应变计的电阻变化率和门单元力臂的主应变εx成线性正比，即
或
式中K为前述的电阻应变计的灵敏系数；R是未加力时电阻应变计阻值的初始值；ΔR是加力变形后电阻应变计的电阻变化。
所以只要测出电阻应变计阻值的相对变化，便可得出被测门单元力臂的应变。
本实验用平衡电桥测量电阻应变计电阻的相对变化。电阻应变计安装位置见图4。图4绘示了门单元的常见结构，包括输出轴21、制动器22、复位弹簧26、电机24及结构支架25；4个电阻应变计23分别安装在门单元的力臂的两侧，所有的电阻应变计规格一致
结合图5a及图5b所绘示的电阻应变计23在门单元的力臂一侧的安装位置，在另一侧也可对称安装，如此安装4个，以便组成电桥电路用。当然，图中所绘示的仅仅是较佳的实施例，要实现本发明的技术构思，可至少在力臂的单侧仅设置1个电阻应变，通过调整应变检测平衡电桥电路结构可适应上述设置。
在电气控制上，如图6所示,电路左侧部分为电桥电路，右侧部分是个放大器电路，将反馈信号放大以便于检测。由于上述电路结构中除4支相同的电阻应变计(编号为sensor1、Sensor2、Sensor3及sensor4，sensor1与Sensor2同侧，sensor3与Sensor4同侧)组成的平衡电桥电路部分外，其与均为公知电路结构，对其中元件，不再进行具体说明，本领域技术结合附图标记即可了解元件类型及功能，平衡电桥电路与负反馈放大电路相连，当门单元锁止并受到冲击时,门单元力臂的应力发生变化时，sensor1至sensor4的电阻值变化如表中所示:
| 序号 | 电阻应变计编号 | 阻值变化趋势 |
| 1 | sensor1 | 下降 |
| 2 | Sensor2 | 上升 |
| 3 | Sensor3 | 下降 |
| 4 | Sensor4 | 上升 |
在检测应变的平衡电桥的节点A受sensor1和sensor3的影响而电压升高,节点B受sensor2和sensor4的影响而电压下降,形成电位差。
此电位差经过与电桥相连的负反馈放大电路进行放大，产生电平信号传入与之相连的作为信号处理及控制单元的单片机中，由单片机内置程序判断，然后将产生控制信号，传递给门单元驱动器，如图7所示。
由前文可知，应力的变化与电阻应变计的阻值变化是线性关系，而在电桥电路的检测中，电阻值的变化与电压(电桥电路A、B两点电位差)也是线性关系。
因此，门单元力臂产生的应变可以借由检测电路电压实现判断，如图8所示。
单片机通过内置嵌入式程序对采集到的电平信号进行滤波，在门单元力臂未产生形变时，负反馈放大电路会传入一个初始电压值，该初始电压值可为设定的输入或基于电路连接结构自然形成的持续的输入。由单片机进行采样和记录作为初始校准值，当门单元力臂产生形变，电桥电路产生的电位差又放大电路转换为电平信号传入，单片机与初始校准值进行比较，并根据嵌入式程序设定的阈值进行锁止力大小的判断。当达到判定条件时，意味着锁止力已达到阈值，该阀值可以由使用者根据需要进行设定，此时单片机将向门单元驱动器发送指令，由驱动器控制门单元打开，达到防恐慌设计的效果。
因为每次检测前均有初始电压值的传入单片机作为初始基准，可免去门单元机构因外界温度变化或门单元机构长时间工作磨损所带来的工况改变而产生的起始测量值偏差，平衡电桥电路仅检测应力变化幅度，大大降低了测量的误差范围，而且提高了灵敏度。
显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，应用于一门单元，该门单元具有一力臂及一驱动单元，其特征在于，包括：
贴设于所述力臂的至少一电阻应变计，用以将所述力臂产生的应变转化为电阻变化；
一应变检测平衡电桥电路，用以根据该电阻变化的值计算所述力臂的应变的值；
一信号处理及控制单元，用以根据应变的值计算门单元的锁止力，并将该锁止力的值与一预设阀值比较，根据比较结果向驱动单元发送一控制信号；
驱动单元根据控制信号解除或保持锁止。
2.如权利要求1所述的基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，其特征在于，所述电阻应变计包括：
一敏感栅，用以将应变量转换成电阻变化量，并形成一电信号；
连接所述敏感栅的引线，用以传输该电信号；
一基底，所述敏感栅通过粘接方式固定于所述基底的一表面；
覆盖所述敏感栅的一覆盖层。
3.如权利要求2所述的基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，其特征在于，所述敏感栅为由金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。
4.如权利要求2所述的基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，其特征在于，所述力臂受到一维应力的作用时，所述电阻应变计的主轴线与该一维应力方向一致。
5.如权利要求1所述的基于应变电桥电路的门的锁止控制装置，其特征在于，所述电阻应变计的数量为4个，在所述力臂的两侧以对称方式各布置2个。
6.一种基于应变电桥电路的门的锁止控制方法，应用于一门单元，该门单元具有一力臂及一驱动单元，包括以下步骤：
将所述力臂产生的应变转化为电阻变化；
根据该电阻变化的值计算所述力臂的应变的值；
根据应变的值计算门单元的锁止力，并将该锁止力的值与一预设阀值比较，根据比较结果向驱动单元发送一控制信号；
驱动单元根据控制信号解除或保持锁止。
7.如权利要求6所述的基于应变电桥电路的门的锁止控制方法，其特征在于，根据电阻变化的值通过下式计算所述力臂的应变的值：
其中，εx为应变的值，K为电阻应变计的灵敏系数；R是未加力时电阻应变计阻值的初始值；ΔR是加力变形后电阻应变计的电阻变化。
8.如权利要求6所述的基于应变电桥电路的门的锁止控制方法，其特征在于，所述预设阀值根据门单元所需的锁止力值设定。
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