懸臂梁式超載報(bào)警器

奧　翔　張　璐　宋士賢

(西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院,陜西 西安　710124)

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懸臂梁式超載報(bào)警器

奧翔張璐宋士賢

(西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院,陜西 西安710124)

我們設(shè)計(jì)開發(fā)了一種懸臂梁式超重報(bào)警器.本文詳細(xì)介紹了懸臂梁式超重報(bào)警的力學(xué)原理和電學(xué)測量原理，利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件將懸臂梁的微弱應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，并通過電橋電路將其轉(zhuǎn)換為微弱的電信號；該信號被放大后驅(qū)動(dòng)報(bào)警器，從而實(shí)現(xiàn)對超載力學(xué)量的報(bào)警.本文涉及的儀器有較高的靈敏度和反應(yīng)速度，并具有一定的創(chuàng)新性，同時(shí)由于這種電阻應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)簡單，非常容易實(shí)現(xiàn)，可將其作為一種教學(xué)演示儀器使用，提高教學(xué)效果.

懸臂梁；演示儀；電阻應(yīng)變片

演示實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中重要的教學(xué)手段和有效的教學(xué)形式，能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、探索精神以及良好的學(xué)習(xí)方法.我校演示實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)既注重物理及科技的前沿發(fā)展，同時(shí)也注重科普性和趣味性，使學(xué)生置身于物理情境之中，對理論課堂上的物理概念和規(guī)律獲得感性認(rèn)識(shí)，從而使學(xué)生產(chǎn)生良好的情緒和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生良好的教學(xué)效果.懸臂梁式超載報(bào)警器是我們開發(fā)的一臺(tái)新型演示儀.

1　原理簡介

1.1力學(xué)原理

圖1　懸臂梁示意圖

圖1為矩形懸臂梁示意圖，O點(diǎn)為固定端.S為電阻應(yīng)變片，是基于應(yīng)變效應(yīng)制作的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料，將其牢固地粘貼在懸臂梁的測點(diǎn)上，構(gòu)件受力后由于測點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片也隨之變形而使其電阻發(fā)生變化，再測得其電阻變化大小，并轉(zhuǎn)換為測點(diǎn)的應(yīng)變值.

懸臂梁所受的應(yīng)力、應(yīng)變之間有如下關(guān)系式：

(1)

其中： ε為懸臂梁所受的應(yīng)變；δ為懸臂梁所受的應(yīng)力；E為彈性模量.

因?yàn)楫?dāng)力F集中作用在懸臂梁自由端時(shí)，距作用力任何距離的截面上的應(yīng)力δ都相等，即

(2)

其中,M為被測點(diǎn)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(diǎn)到固定點(diǎn)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(yīng)變片S粘貼在彈性受力元件上，利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件測量應(yīng)變.當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，再通過轉(zhuǎn)換測量電路將其轉(zhuǎn)變成電學(xué)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(yīng)變片的靈敏系數(shù)(此值由應(yīng)變片廠家給出)；R是未加力時(shí)應(yīng)變片阻值的初始值；ΔR是加力變形后應(yīng)變片的電阻改變量.

變形后應(yīng)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(shù)為A ,則放大后的信號幅度Uout為：

(7)

(8)

2　儀器結(jié)構(gòu)圖

圖3為懸臂梁式超重報(bào)警儀的電氣原理圖,圖4為儀器裝置的實(shí)物照片.

圖3　測量電路圖

圖4　懸臂梁式超重報(bào)警儀實(shí)物照片

3　儀器使用介紹

打開信號放大器電源開關(guān)，設(shè)定最大載荷值，加載砝碼，當(dāng)砝碼達(dá)到設(shè)定的最大值時(shí)，報(bào)警器就會(huì)聲光報(bào)警，減去砝碼，報(bào)警即刻停止.

4　結(jié)語

在此款超重報(bào)警演示儀中創(chuàng)新地采用懸臂梁式應(yīng)變傳感器，將微弱的力學(xué)應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為放大的電學(xué)量進(jìn)行檢測，具有較高的靈敏度和反應(yīng)速度，并且由于這種電阻應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工粘貼容易，非常容易實(shí)現(xiàn).教師可將此超重報(bào)警演示儀帶入教學(xué)課堂，結(jié)合理論教學(xué)進(jìn)行演示，使學(xué)生置身于物理情境之中，對理論課堂上的物理概念和規(guī)

律獲得感性認(rèn)識(shí)，也利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

[1]張如一,沈觀林, 李朝弟.應(yīng)變電測與傳感[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[2]茍文選,王安強(qiáng).材料力學(xué)[M]. 北京:科學(xué)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(yè)出版社,2005.

[4]路峻嶺.物理演示實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:清華大學(xué)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究”項(xiàng)目代號：50103010331.

奧翔，男，研究方向?yàn)楣庑畔⒖茖W(xué)與技術(shù)、實(shí)驗(yàn)儀器研究與開發(fā); 張璐，女，講師， 主要從事物理教學(xué)科研工作，研究方向?yàn)楣怆姴牧吓c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?yàn)楣廨椛淅碚撆c應(yīng)用.sxsong@nwpu.edu.cn

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