無線加速度測(cè)試技術(shù)在過山車檢測(cè)中的應(yīng)用研究

拉巴次仁 旦增讓真 徐麗潔

摘 要：乘客在乘坐過山車時(shí)，因其運(yùn)行速度較快，導(dǎo)致實(shí)測(cè)加速度與計(jì)算加速度之間具有較大差異性，因此為了確保運(yùn)行的安全性，應(yīng)在過山車檢測(cè)中加強(qiáng)加速度測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用研究。本文就加速度測(cè)試要求以及無線加速度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討，并對(duì)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：加速度;測(cè)試技術(shù);過山車檢測(cè)

引 言

過山車作為受廣大游客青睞的游樂設(shè)施，深受廣大游客的喜愛，目前在過山車軌道設(shè)計(jì)中，通常采用各種螺旋環(huán)、立環(huán)、直線段等元素，使過山車運(yùn)行產(chǎn)生高加速度，使乘客受傷風(fēng)險(xiǎn)增加。所以在山車檢測(cè)中加強(qiáng)加速度測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。

一、加速度測(cè)試要求分析

在過山車高速運(yùn)行過程中，為了有效避免乘人受到傷害，應(yīng)對(duì)過山車的加速度在一定范圍內(nèi)予以限制。目前我國(guó)的過山車相關(guān)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)加速度允許值進(jìn)行了明確規(guī)定，其與歐洲標(biāo)準(zhǔn)基本保持一致。

（一）基本要求。通常將座席上方600mm 處作為計(jì)算或測(cè)量加速度的參考點(diǎn)。通過對(duì)加速度時(shí)間變化歷程圖的制作，并利用10Hz 低通高頻濾波器進(jìn)行加速度的測(cè)量。在測(cè)量過程中，利用實(shí)際加速度與重力加速度g的比值對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行表示，其中沖擊加速度為持續(xù)時(shí)間≦ 0.1s 的加速度，穩(wěn)態(tài)加速度為持續(xù)時(shí)間>0.1s 的加速度。如有沖擊載荷出現(xiàn)，會(huì)降低加速度允許值約10%。

（二）人體坐標(biāo)及加速度組合。在進(jìn)行過山車邊速度檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)乘客坐標(biāo)進(jìn)行確定，其主要設(shè)定為：背靠方向定義為 x 軸正向，面向方向定義為 x 軸負(fù)向。乘客左手方向定義為 y 軸正向，右手方向定義為y軸負(fù)向。座椅面向下方向定義為z軸正向，向上方向定義為z軸負(fù)向[1]。

進(jìn)行y方向的側(cè)向加速度的測(cè)量時(shí)，如圖一所示， 按三角形對(duì)測(cè)量加速度信號(hào)進(jìn)行記錄。圖中頻率10Hz以上為虛線區(qū)域;加速度持續(xù)時(shí)間為Δt，s為單位;另外尚未得以驗(yàn)證的為超為4s的Δt區(qū)域。

對(duì)z 方向的垂直加速度進(jìn)行測(cè)量，如圖二所示。按三角形信號(hào)對(duì)測(cè)量加速度進(jìn)行記錄。加速度持續(xù)時(shí)間為s，另外尚過驗(yàn)證區(qū)域?yàn)槌^4s的區(qū)域。

當(dāng)側(cè)向加速度和垂事直加速度同時(shí)存在時(shí)，如圖4所示，其中實(shí)測(cè)側(cè)向加速度和垂直加速度分別為ay、az，側(cè)向加速度允許值和垂直加速度允許值分別為[ay]、[az]。橫軸為az/[az]為，縱軸為ay/[ay]，并且測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求相符合。

由于加速度持續(xù)時(shí)間與允許值之間存在聯(lián)系，實(shí)際測(cè)試時(shí)如圖三所示，并且對(duì)結(jié)果難以判斷。結(jié)合具有代表性的情況，對(duì)加速度組合的允許區(qū)域進(jìn)行繪制，如圖四所示。

二、無線加速度測(cè)試技術(shù)在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

無線加速度傳感器測(cè)量系統(tǒng)主要由無線網(wǎng)關(guān)、無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集和處理軟件等組成[2]。

由加速度傳感器、電源、無線通信、數(shù)據(jù)采集處理等四個(gè)模塊構(gòu)成的無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，其中提供電量的主要為電源模塊;力信號(hào)通過加速度傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào);傳感器輸出的微弱信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)行放大、濾波等處理后，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再通過主處理器對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)傳感器有效值進(jìn)行計(jì)算，利用無線通信模塊利用無線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的加速度數(shù)據(jù)，可利用無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行接收，再由計(jì)算機(jī)通過 USB 接口進(jìn)行接收和存儲(chǔ)。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)，通過無線網(wǎng)關(guān)將傳感器參數(shù)設(shè)置傳輸至傳感器節(jié)點(diǎn)。無線網(wǎng)關(guān)由外置天線、電源、USB、網(wǎng)線接口等組成。另外設(shè)備接收裝置具有體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，能夠?qū)Χ鄠€(gè)相同或不同種類傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接測(cè)試[3]。

此系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理軟件是其中重要組成部分，在測(cè)試應(yīng)用中主要應(yīng)用的采集軟件為BeeData，利用采集控制軟件能夠使多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，以及實(shí)時(shí)顯示、分析和存儲(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)通道數(shù)據(jù)、傳感器校準(zhǔn)參數(shù)、數(shù)字濾波等信息的寫入。實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和設(shè)備故障狀況，并能夠監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)電量，并進(jìn)行開機(jī)自檢。

結(jié)束語(yǔ)

在過山車檢測(cè)中，通過無線加速度測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)相應(yīng)的加速度測(cè)試結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，通過實(shí)踐應(yīng)用看出，過山車加速度的首次存在著輪距精度差、軌道制造或安裝精度差、車體與車橋連接緩沖差等問題，通過不斷的設(shè)計(jì)和調(diào)整后，測(cè)試效果已能夠達(dá)到測(cè)試要求。另外針對(duì)非空曠場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試時(shí)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的在線傳輸中存在著傳輸不穩(wěn)定的情況，可利用離線存儲(chǔ)和無線下載進(jìn)行解決。同時(shí)對(duì)于型式多變的安全壓杠類型過山車，自行設(shè)計(jì)的加速度測(cè)試安裝架還無法適用，應(yīng)對(duì)通用性能更好的安裝架進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳衛(wèi)衛(wèi)， 龐昂. 無線加速度測(cè)試技術(shù)在過山車檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)特種設(shè)備安全， 2017（2）.

[2] 余文君. 無線加速度傳感器在地質(zhì)位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 電子測(cè)試， 2017（19）.

[3] 李根， 朱玉田， 謝波. 基于加速度信號(hào)的過山車監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2012（08）：105-107+111.