悬臂梁式超载报警器

奥　翔　张　璐　宋士贤

(西北工业大学明德学院,陕西 西安　710124)



悬臂梁式超载报警器

奥翔张璐宋士贤

(西北工业大学明德学院,陕西 西安710124)

我们设计开发了一种悬臂梁式超重报警器.本文详细介绍了悬臂梁式超重报警的力学原理和电学测量原理，利用电阻应变片作为传感元件将悬臂梁的微弱应变转化为电阻变化，并通过电桥电路将其转换为微弱的电信号；该信号被放大后驱动报警器，从而实现对超载力学量的报警.本文涉及的仪器有较高的灵敏度和反应速度，并具有一定的创新性，同时由于这种电阻应变传感器结构简单，非常容易实现，可将其作为一种教学演示仪器使用，提高教学效果.

悬臂梁；演示仪；电阻应变片

演示实验是物理教学中重要的教学手段和有效的教学形式，能培养学生的观察能力、思维能力、探索精神以及良好的学习方法.我校演示实验室的建设既注重物理及科技的前沿发展，同时也注重科普性和趣味性，使学生置身于物理情境之中，对理论课堂上的物理概念和规律获得感性认识，从而使学生产生良好的情绪和学习动机，激发学生的学习兴趣，产生良好的教学效果.悬臂梁式超载报警器是我们开发的一台新型演示仪.

1　原理简介

1.1力学原理

图1　悬臂梁示意图

图1为矩形悬臂梁示意图，O点为固定端.S为电阻应变片，是基于应变效应制作的导体或半导体材料，将其牢固地粘贴在悬臂梁的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使其电阻发生变化，再测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值.

悬臂梁所受的应力、应变之间有如下关系式：

(1)

其中： ε为悬臂梁所受的应变；δ为悬臂梁所受的应力；E为弹性模量.

因为当力F集中作用在悬臂梁自由端时，距作用力任何距离的截面上的应力δ都相等，即

(2)

其中,M为被测点的力矩，M=FL;F为对悬臂梁所施加的力，即载荷；L为力的作用点到固定点的距离.

W为矩形悬臂梁的抗弯模量，W=bh2/6，b为梁的宽度，h为梁的厚度.

所以

(3)

(4)

1.2电测原理

在本仪器中，将电阻应变片S粘贴在弹性受力元件上，利用电阻应变片作为传感元件测量应变.当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，再通过转换测量电路将其转变成电学量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小.

(5)

式中K为应变片的灵敏系数(此值由应变片厂家给出)；R是未加力时应变片阻值的初始值；ΔR是加力变形后应变片的电阻改变量.

变形后应变片的电阻值变化ΔR可通过电桥电路测量出来，测量电路及功能框图如图2所示。

图2　电测方框图

(6)

如果放大器的放大倍数为A ,则放大后的信号幅度Uout为：

(7)

(8)

2　仪器结构图

图3为悬臂梁式超重报警仪的电气原理图,图4为仪器装置的实物照片.

图3　测量电路图

图4　悬臂梁式超重报警仪实物照片

3　仪器使用介绍

打开信号放大器电源开关，设定最大载荷值，加载砝码，当砝码达到设定的最大值时，报警器就会声光报警，减去砝码，报警即刻停止.

4　结语

在此款超重报警演示仪中创新地采用悬臂梁式应变传感器，将微弱的力学应变量转换为放大的电学量进行检测，具有较高的灵敏度和反应速度，并且由于这种电阻应变传感器结构简单、加工粘贴容易，非常容易实现.教师可将此超重报警演示仪带入教学课堂，结合理论教学进行演示，使学生置身于物理情境之中，对理论课堂上的物理概念和规

律获得感性认识，也利于激发学生的学习兴趣.

[1]张如一,沈观林, 李朝弟.应变电测与传感[M].北京:清华大学出版社,1998.

[2]苟文选,王安强.材料力学[M]. 北京:科学出版社,2005.

[3]宋士贤,文喜星,吴平.工科物理教程[M].北京:国防工业出版社,2005.

[4]路峻岭.物理演示实验教程[M].北京:清华大学出版社,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“物理演示与探索实验的设计与创新研究”项目代号：50103010331.

奥翔，男，研究方向为光信息科学与技术、实验仪器研究与开发; 张璐，女，讲师， 主要从事物理教学科研工作，研究方向为光电材料与器件.15389294285@163.com; 宋士贤，男，教授,主要从事物理教育工作，研究方向为光辐射理论与应用.sxsong@nwpu.edu.cn

引文格式: 奥翔，张璐，宋士贤. 悬臂梁式超载报警器[J]. 物理与工程，2016，26(3)：43-44，48.