懸臂梁式超載報警器

奧　翔　張　璐　宋士賢

(西北工業大學明德學院,陜西 西安　710124)

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懸臂梁式超載報警器

奧翔張璐宋士賢

(西北工業大學明德學院,陜西 西安710124)

我們設計開發了一種懸臂梁式超重報警器.本文詳細介紹了懸臂梁式超重報警的力學原理和電學測量原理，利用電阻應變片作為傳感元件將懸臂梁的微弱應變轉化為電阻變化，并通過電橋電路將其轉換為微弱的電信號；該信號被放大后驅動報警器，從而實現對超載力學量的報警.本文涉及的儀器有較高的靈敏度和反應速度，并具有一定的創新性，同時由于這種電阻應變傳感器結構簡單，非常容易實現，可將其作為一種教學演示儀器使用，提高教學效果.

懸臂梁；演示儀；電阻應變片

演示實驗是物理教學中重要的教學手段和有效的教學形式，能培養學生的觀察能力、思維能力、探索精神以及良好的學習方法.我校演示實驗室的建設既注重物理及科技的前沿發展，同時也注重科普性和趣味性，使學生置身于物理情境之中，對理論課堂上的物理概念和規律獲得感性認識，從而使學生產生良好的情緒和學習動機，激發學生的學習興趣，產生良好的教學效果.懸臂梁式超載報警器是我們開發的一臺新型演示儀.

1　原理簡介

1.1力學原理

圖1　懸臂梁示意圖

圖1為矩形懸臂梁示意圖，O點為固定端.S為電阻應變片，是基于應變效應制作的導體或半導體材料，將其牢固地粘貼在懸臂梁的測點上，構件受力后由于測點發生應變，應變片也隨之變形而使其電阻發生變化，再測得其電阻變化大小，并轉換為測點的應變值.

懸臂梁所受的應力、應變之間有如下關系式：

(1)

其中： ε為懸臂梁所受的應變；δ為懸臂梁所受的應力；E為彈性模量.

因為當力F集中作用在懸臂梁自由端時，距作用力任何距離的截面上的應力δ都相等，即

(2)

其中,M為被測點的力矩，M=FL;F為對懸臂梁所施加的力，即載荷；L為力的作用點到固定點的距離.

W為矩形懸臂梁的抗彎模量，W=bh2/6，b為梁的寬度，h為梁的厚度.

所以

(3)

(4)

1.2電測原理

在本儀器中，將電阻應變片S粘貼在彈性受力元件上，利用電阻應變片作為傳感元件測量應變.當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，再通過轉換測量電路將其轉變成電學量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小.

(5)

式中K為應變片的靈敏系數(此值由應變片廠家給出)；R是未加力時應變片阻值的初始值；ΔR是加力變形后應變片的電阻改變量.

變形后應變片的電阻值變化ΔR可通過電橋電路測量出來，測量電路及功能框圖如圖2所示。

圖2　電測方框圖

(6)

如果放大器的放大倍數為A ,則放大后的信號幅度Uout為：

(7)

(8)

2　儀器結構圖

圖3為懸臂梁式超重報警儀的電氣原理圖,圖4為儀器裝置的實物照片.

圖3　測量電路圖

圖4　懸臂梁式超重報警儀實物照片

3　儀器使用介紹

打開信號放大器電源開關，設定最大載荷值，加載砝碼，當砝碼達到設定的最大值時，報警器就會聲光報警，減去砝碼，報警即刻停止.

4　結語

在此款超重報警演示儀中創新地采用懸臂梁式應變傳感器，將微弱的力學應變量轉換為放大的電學量進行檢測，具有較高的靈敏度和反應速度，并且由于這種電阻應變傳感器結構簡單、加工粘貼容易，非常容易實現.教師可將此超重報警演示儀帶入教學課堂，結合理論教學進行演示，使學生置身于物理情境之中，對理論課堂上的物理概念和規

律獲得感性認識，也利于激發學生的學習興趣.

[1]張如一,沈觀林, 李朝弟.應變電測與傳感[M].北京:清華大學出版社,1998.

[2]茍文選,王安強.材料力學[M]. 北京:科學出版社,2005.

[3]宋士賢,文喜星,吳平.工科物理教程[M].北京:國防工業出版社,2005.

[4]路峻嶺.物理演示實驗教程[M].北京:清華大學出版社,2005.

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THECANTILEVEROVERWEIGHTANALOGALARM

AoXiangZhangLuSongShixian

(CollegeofMingDe,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi710124)

Wedesignacantilevertypeoverweightalarmandintroduceitsmechanicalandelectricalmeasuringprincipleinthispaper.Aresistancestraingageisusedasstrainmeasurementsensor,whichconvertstheweakstrainofcantileverbeamtotheresistancevariation.Andthebridgecircuitconvertsmechanicaloverloadtotheweakelectricalsignal,whichisamplifiedlatertodrivethealarm.Theinstrumentreferredinthispaperhashighsensitivityandshortresponsetimewithcertaininnovationinitsconstruction.Inthemeanwhile,thisinstrumentissimpleindesignandeasytowork.Therefore,itcanbeusedasakindofdemonstrationequipmentforteachinginordertoimproveteachingeffect.

cantileverbeam;demonstrationinstrument；resistancestraingauge

2015-03-11;

2015-09-01

院科研基金“物理演示與探索實驗的設計與創新研究”項目代號：50103010331.

奧翔，男，研究方向為光信息科學與技術、實驗儀器研究與開發; 張璐，女，講師， 主要從事物理教學科研工作，研究方向為光電材料與器件.15389294285@163.com; 宋士賢，男，教授,主要從事物理教育工作，研究方向為光輻射理論與應用.sxsong@nwpu.edu.cn

引文格式: 奧翔，張璐，宋士賢. 懸臂梁式超載報警器[J]. 物理與工程，2016，26(3)：43-44，48.