ひずみゲージ

導電性金属のストリップが引き伸ばされると、それはより細く長くなり、両方の変化がエンドツーエンドの電気抵抗の増加をもたらします。逆に、導電性金属のストリップが圧縮力（座屈なし）の下に置かれると、それは広がり、短くなります。これらの応力が金属ストリップの弾性限界内に保たれている場合（ストリップが永久に変形しないように）、ストリップは、その抵抗の測定から推測される物理的な力の測定要素として使用できます。

ひずみゲージとは何ですか？

このようなデバイスは、ひずみゲージと呼ばれます。 。ひずみゲージは、機械工学の研究開発で、機械によって発生する応力を測定するために頻繁に使用されます。航空機コンポーネントのテストは、アプリケーションの1つの領域であり、構造部材、リンケージ、および機体の他の重要なコンポーネントに接着された小さなひずみゲージストリップで、応力を測定します。ほとんどのひずみゲージは切手よりも小さく、次のようになります。

ひずみゲージの導体は非常に細いです。丸線でできている場合、直径は約1/1000インチです。あるいは、ひずみゲージ導体は、キャリアと呼ばれる非導電性基板材料上に堆積された金属膜の薄いストリップである場合があります。 。ひずみゲージの後者の形式は、前の図に示されています。 「結合ゲージ」という名前は、応力下でより大きな構造に接着されたひずみゲージ（試験片と呼ばれる）に付けられています。 ）。ひずみゲージを試験片に接着する作業は非常に簡単に見えるかもしれませんが、そうではありません。 「ゲージング」はそれ自体が技術であり、正確で安定したひずみ測定を行うために絶対に不可欠です。 2つの機械的なポイントの間に張られたマウントされていないゲージワイヤを使用して張力を測定することもできますが、この手法には限界があります。

ひずみゲージ抵抗

一般的なひずみゲージの抵抗は、30Ωから3kΩ（ストレスなし）の範囲です。この抵抗は、ゲージの材料と試験片の弾性限界によって課せられる制限を考えると、ゲージの全力範囲でほんのわずかなパーセントしか変化しない可能性があります。より大きな抵抗変化を誘発するのに十分な大きな力は、試験片および/またはゲージ導体自体を永久に変形させ、測定装置としてのゲージを台無しにします。したがって、ひずみゲージを実用的な機器として使用するには、抵抗の非常に小さな変化を高精度で測定する必要があります。

ブリッジ測定回路

このような要求の厳しい精度には、ブリッジ測定回路が必要です。前の章で示した、ヌルバランス検出器と人間のオペレーターを使用してバランスの状態を維持するホイートストンブリッジとは異なり、ひずみゲージブリッジ回路は、測定されたひずみを不均衡の程度で示します。 、およびブリッジの中央にある高精度電圧計を使用して、その不均衡を正確に測定します。

通常、ブリッジのレオスタットアーム（R ₂ 図中）は、力を加えずにひずみゲージの抵抗に等しい値に設定されています。ブリッジの2つのレシオアーム（R ₁ およびR ₃ ）は互いに等しく設定されます。したがって、ひずみゲージに力が加えられていない場合、ブリッジは対称的にバランスが取られ、電圧計はひずみゲージにかかる力がゼロであることを示すゼロボルトを示します。ひずみゲージが圧縮または緊張すると、その抵抗はそれぞれ減少または増加し、ブリッジのバランスが崩れ、電圧計に表示されます。測定された変数（機械的な力）に応じて抵抗が変化するブリッジの単一の要素を備えたこの配置は、クォーターブリッジとして知られています。 回路。

ひずみゲージとブリッジ回路内の他の3つの抵抗との間の距離はかなり大きい可能性があるため、ワイヤ抵抗は回路の動作に大きな影響を与えます。ワイヤ抵抗の影響を説明するために、同じ概略図を示しますが、ワイヤを表すためにひずみゲージと直列に2つの抵抗記号を追加します。

ワイヤ抵抗

ひずみゲージの抵抗（R _ゲージ ）が測定されている唯一の抵抗ではありません：ワイヤ抵抗R _wire1 およびR _wire2 、R _ゲージと直列になっている 、また、ブリッジのレオスタットアームの下半分の抵抗に寄与し、その結果、電圧計の表示に寄与します。もちろん、これはメーターによってゲージの物理的ひずみとして誤って解釈されます。

この構成ではこの影響を完全に排除することはできませんが、電圧計の右側をひずみゲージの上部のワイヤーに直接接続する3本目のワイヤーを追加することで最小限に抑えることができます。

3番目のワイヤには実質的に電流が流れないため（電圧計の内部抵抗が非常に高いため）、その抵抗によって実質的な量の電圧が低下することはありません。一番上のワイヤー（R _wire1 ）電圧計がひずみゲージの上部端子に直接接続され、下部のワイヤの抵抗（R _wire2 ）のみが残るようになったため、「バイパス」されました。 ）ゲージと直列の漂遊抵抗に寄与します。もちろん、完璧な解決策ではありませんが、最後の回路の2倍優れています！

ただし、今説明した方法をはるかに超えてワイヤ抵抗誤差を低減し、温度による別の種類の測定誤差を軽減するのに役立つ方法があります。

温度の抵抗変化

ひずみゲージの不幸な特性は、温度の変化に伴う抵抗の変化です。これは、すべての導体に共通の特性であり、他の導体よりも優れています。したがって、示されているクォーターブリッジ回路（ゲージをブリッジに接続する2本または3本のワイヤーを使用）は、ひずみインジケーターと同様に温度計として機能します。ひずみを測定するだけなら、これは良くありません。ただし、R ₂ の代わりに「ダミー」ひずみゲージを使用することで、この問題を超越することができます。 、両方 レオスタットアームの要素は、温度が変化すると同じ割合で抵抗を変化させるため、温度変化の影響をキャンセルします。

抵抗器R ₁ およびR ₃ は等しい抵抗値であり、ひずみゲージは互いに同一です。力を加えない場合、ブリッジは完全にバランスの取れた状態になり、電圧計は0ボルトを記録する必要があります。両方のゲージは同じ試験片に接着されていますが、物理的なひずみにさらされるように1つだけが位置と向きに配置されています（アクティブ ゲージ）。もう一方のゲージは、すべての機械的応力から隔離されており、単に温度補償デバイスとして機能します（「ダミー」 ゲージ）。温度が変化すると、両方のゲージ抵抗が同じ割合で変化し、ブリッジのバランス状態は影響を受けません。ブリッジのバランスを変えることができるのは、試験片に物理的な力によって生じる抵抗差（2つのひずみゲージ間の抵抗の差）だけです。

両方のひずみゲージをブリッジに接続するワイヤはほぼ同じ長さであるため、ワイヤ抵抗は以前ほど回路の精度に影響を与えません。したがって、橋のレオスタットアームの上部と下部には、ほぼ同じ量の漂遊抵抗が含まれており、それらの影響はキャンセルされる傾向があります。

クォーターブリッジおよびハーフブリッジ回路

現在、ブリッジ回路には2つのひずみゲージがありますが、機械的ひずみに反応するのは1つだけであるため、この配置をクォーターブリッジと呼びます。 。ただし、上部のひずみゲージを使用して、下部のゲージとは反対の力がかかるように配置すると（つまり、上部のゲージが圧縮されると、下部のゲージが引き伸ばされます）、その逆も同様です。 両方 ゲージはひずみに反応し、ブリッジは加えられた力により反応しやすくなります。この使用率は、ハーフブリッジとして知られています。 。両方のひずみゲージは、温度の変化に応じて同じ割合で抵抗を増減するため、温度変化の影響はキャンセルされたままであり、回路は温度による測定誤差を最小限に抑えます。

この効果を生み出すために、ひずみゲージのペアを試験片に結合する方法の例を次に示します。

試験片に力を加えない場合、両方のひずみゲージの抵抗は等しくなり、ブリッジ回路のバランスがとれます。ただし、試験片の自由端に下向きの力を加えると、試験片は下向きに曲がり、ゲージ＃1を伸ばし、同時にゲージ＃2を圧縮します。

フルブリッジ回路

このような相補的なひずみゲージのペアを試験片に結合できるアプリケーションでは、ブリッジの4つの要素すべてを「アクティブ」にして、感度をさらに高めることが有利な場合があります。これはフルブリッジと呼ばれます 回路：

ハーフブリッジ構成とフルブリッジ構成はどちらも、クォーターブリッジ回路よりも高い感度を提供しますが、多くの場合、ひずみゲージの相補的なペアを試験片に結合することはできません。したがって、クォーターブリッジ回路はひずみ測定システムで頻繁に使用されます。

可能な場合は、フルブリッジ構成を使用するのが最適です。これは、他の製品よりも感度が高いだけでなく、線形であるために当てはまります。 他の人はそうではありませんが。クォーターブリッジ回路とハーフブリッジ回路は、おおよそだけの出力（不均衡）信号を提供します。 加えられたひずみゲージ力に比例します。これらのブリッジ回路の直線性または比例性は、加えられた力による抵抗の変化量がゲージの公称抵抗と比較して非常に小さい場合に最適です。ただし、フルブリッジの場合、出力電圧は加えられた力に正比例し、近似値はありません（ただし、加えられた力によって引き起こされる抵抗の変化が4つのひずみゲージすべてで等しい場合）。

完全なバランスの状態で測定を提供し、したがってソース電圧に関係なく機能するホイートストンブリッジやケルビンブリッジとは異なり、このような不平衡ブリッジでは、ソース（または「励起」）電圧の量が重要になります。したがって、ひずみゲージブリッジは、 あたりに生成される不均衡のミリボルトで評価されます。 励起ボルト、あたり 力の単位測定。産業環境で力を測定するために使用されるタイプのひずみゲージの典型的な例は、1000ポンドで15 mV / Vです。つまり、正確に1000ポンドの力（圧縮または引張）が加えられると、ブリッジは励起電圧1ボルトごとに15ミリボルトずつ不均衡になります。繰り返しになりますが、このような数値は、ブリッジ回路がフルアクティブ（4つのアクティブひずみゲージ、ブリッジの各アームに1つ）の場合は正確ですが、ハーフブリッジとクォーターブリッジの配置では概算にすぎません。

ひずみゲージは完全なユニットとして購入でき、ひずみゲージ要素とブリッジ抵抗の両方が1つのハウジングにあり、要素から保護するために密封およびカプセル化され、機械または構造物に取り付けるための機械的固定ポイントが装備されています。このようなパッケージは通常、ロードセルと呼ばれます。 。

この章で取り上げる他の多くのトピックと同様に、ひずみゲージシステムは非常に複雑になる可能性があり、ひずみゲージに関する完全な論文はこの本の範囲を超えます。

レビュー：

• ひずみゲージは、応力がかかったとき（弾性限界内で伸びたり縮んだりしたとき）に抵抗を変化させることで機械的負荷を測定するように設計された薄い金属片です。
• ひずみゲージの抵抗変化は通常、ブリッジ回路で測定され、小さな抵抗変化の正確な測定を可能にし、温度による抵抗変動の補償を提供します。

関連するワークシート：

• DCブリッジ回路ワークシート