ひずみゲージを理解する

ひずみゲージなどの受動トランスデューサは、機械的変位を抵抗の変化に変換します。これは、加えられたひずみを測定し、適切な接着剤を使用してさまざまな材料に接続できる、薄いウェーハ状のデバイスです。応力がかかると、構造に取り付けられたひずみゲージがひずみによって変形します。ゲージの抵抗率が増加し、変形に比例した電気信号が発生します。変位を受けると、ひずみゲージ変位センサは、ひずみゲージに取り付けられ、弾性的に変形する構造を備えています。

この記事では、ひずみゲージの定義、用途、要件、部品、図、種類、働き、長所と短所を学びます。

ひずみゲージとは?

ひずみゲージ (ひずみゲージとも呼ばれます) は、アイテムのひずみの量を測定するデバイスです。 1938 年に Edward E. Simmons と Arthur C. Ruge によって発明された最も一般的なタイプのひずみゲージは、金属箔パターンを支持する絶縁性の柔軟なバッキングで構成されています。シアノアクリレートなどの適切な接着剤を使用して、ゲージをアイテムに接続します。物体が変形すると、フォイルも変形し、電気抵抗が変化します。ゲージ率は、一般にホイートストン ブリッジを使用して測定される抵抗の変化に関連する量です。

エンジニアは、オブジェクトに対する外力の影響を測定するためにひずみゲージを頻繁に使用します。ひずみを直接測定し、応力、トルク、圧力、たわみ、およびその他のさまざまな指標を推測するために使用できます。

歪みは無次元の測定値であり、オブジェクトの変更された長さと初期の長さの比率です。その結果、材料を伸ばすと正の歪みが発生し、材料を圧縮すると負の歪みが発生します。応力は、加えられた力を物体の初期断面積または物体の内部抵抗能力で割った値として定義されます。

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ひずみゲージは、土木工学や地質工学のモニタリングで、橋、建物、その他の構造物などの構造物の故障を特定するために一般的に使用されています。大幅な変形は怪我や死亡につながる可能性があるため、これらの構造は常に監視する必要があります。これらのゲージは、精度が高く、テスト対象物から離れた場所で機能し、セットアップとメンテナンスが長期間にわたって容易であるため、広く使用されています。

屋外でのテストは、多くの場合、理想的な条件下でのラボでのテストと同じではありません。ひずみゲージが非常に価値がある理由の 1 つは、厳しい条件で使用でき、信頼性の高い高精度のデータを生成できることです。エンジニアがアクセスしにくい過酷な場所で不規則な形状の製品をテストする場合、ひずみゲージのような特殊なガジェットが必要になることがよくあります。たとえば、航空宇宙アプリケーションでは、CAD (コンピュータ支援設計) および FEA (有限要素解析) シミュレーションの結果をチェックするために、何百万ものひずみゲージが使用されています。これらのテストは、さまざまな力が飛行機に与える影響を現実的に描写するために、動的な条件下で頻繁に実施されます。

ひずみゲージを使用した静的試験も日常的に行われています。ワイヤレス テレメトリは、イーサネット経由でテスト結果を送信する一部のブリッジで使用されます。一方、他のブリッジは、表面の傷を検出するために目視検査または浸透探傷検査を受けます。これらの技術は費用対効果に優れていますが、継続的な検査ができないため、I-35 ミネアポリスの鋼製トラス橋のような壊滅的な崩壊につながる可能性があります。連邦政府は 1990 年に橋を「構造的に弱い」と指定しました。橋は最終的に 2007 年に崩壊し、13 人が死亡しました。これは、ひずみゲージの継続的な監視、大規模な修理、または交換の欠如が原因でした。ひずみゲージの一般的な用途は次のとおりです。

• 歪みの測定
• 残留応力の測定
• 振動分析
• トルクの測定
• 曲げとたわみの測定
• 圧縮と張力の測定

ひずみゲージ材料の要件

優れたひずみゲージは、次のことを実行できなければなりません:

• ひずみゲージは適度なサイズで軽量でなければなりません。
• ひずみに非常に敏感であるべきです。
• ひずみゲージのゲージ率は高くなければなりません。
• 標本に簡単に取り付けられる必要があります。
• 応答時間が速く、タイムラグが少ない
• 静的ひずみ、過渡ひずみ、動的ひずみの違いを見分けることができる必要があります。
• 離れた場所から情報を表示および記録できる必要があります。
• 温度、湿度、振動、その他の環境要因の影響を受けないようにする必要があります。
• 手頃な価格で、信頼性が高く、さまざまなサイズで簡単に入手できる必要があります。

ひずみゲージの図:

ひずみゲージの種類

市販のひずみゲージにはいくつかの種類があります。以下は、さまざまな種類のひずみゲージです。

• 線形ひずみゲージ
• メンブレン ロゼットひずみゲージ
• ダブルリニアひずみゲージ
• フルブリッジひずみゲージ
• せん断ひずみゲージ
• ハーフブリッジひずみゲージ
• 柱ひずみゲージ
• 45°-ロゼット (3 つの測定方向)
• 90°-ロゼット (2 つの測定方向)。

以下は、あなたが遭遇する可能性のある他の種類の汚れゲージです:

ピエゾ抵抗としても知られる半導体ひずみゲージは、一般に、小さなひずみを測定する場合にフォイル ゲージよりも好まれます。通常、半導体ゲージのゲージ率は箔ゲージのゲージ率よりも高くなります。半導体ゲージは多くの場合、フォイル ゲージよりも高価で、温度に敏感で、繊細です。

ナノ粒子で作られたひずみゲージは、有望な新しい技術のようです。インピーダンスが高いため、金や炭素などの導電性ナノ粒子のアセンブリで構成されるアクティブ領域を持つこれらの抵抗センサーは、高いゲージ率、大きな変形範囲、および低い電力消費を備えています。

水銀入りゴムひずみゲージは、生物学的測定、特に血流と組織の腫れに使用されます。このひずみゲージは、たとえばつま先や脚に巻き付けられる小さなゴム管に入れられた少量の液体水銀で構成されています。体の一部が膨らむと、チューブが膨張し、チューブが長くなったり細くなったりして、電気抵抗が増加します。

光ファイバーと一緒にひずみを測定するには、光ファイバーセンシングを使用できます。測定は、ファイバーに沿ったランダムな場所または指定されたポイントで行われる場合があります。このタイプの組み込みセンサーは、2010 年アメリカズカップのボート、アリンギ 5 と USA-17 で使用されています。

歪みは、電子スペックル パターン干渉法やデジタル画像相関などの他の光学技術を使用して測定することもできます。

力、加速度、圧力、または音によって引き起こされる応力を監視するために、マイクロスケールのひずみゲージが MEMS で頻繁に使用されます。たとえば、MEMS 加速度計は、自動車のエアバッグを作動させるためによく使用されます。統合された光リング共振器は、ピエゾ抵抗ひずみゲージ (MOEMS) の代替として、マイクロ光電気機械システムのひずみを監視するために使用できます。

静電容量式ひずみゲージでは、機械的変形のレベルを検出するために可変コンデンサが使用されます。

地盤工学および土木工学のアプリケーションでは、振動ワイヤひずみゲージが使用されます。振動する張力のあるワイヤーがゲージを構成します。ひずみは、ワイヤの共振周波数を決定することによって計算されます (張力が増加すると、共振周波数が増加します)。

地盤工学アプリケーションでも水晶振動子ひずみゲージが使用されます。 DART の重要なセンサーは、共振水晶振動子ひずみゲージとブルドン管力コレクターを備えた圧力センサーです。 DART は海の最深部で津波を検出します。数キロメートルの深さで圧力を監視する場合、水深約 1 mm の圧力分解能があります。

動作原理

ひずみゲージの働きは非常に興味深いもので、複雑さが少なく理解しやすいものです。以下のビデオを見て、ひずみゲージがどのように機能するかを視覚的に確認してください。

ひずみゲージの長所と短所

利点:

以下は、さまざまな用途におけるひずみゲージの利点です:

• 可動部分がないため、摩耗がありません。
• ひずみゲージは非常に正確です。
• コンパクトで低コストです。
• 周波数範囲が広い。

短所:

ひずみゲージの利点にもかかわらず、いくつかの制限がまだ発生します。以下は、さまざまな用途におけるひずみゲージの欠点です。

• これは非線形システムです。
• 非常に温度に敏感です。
• 定期的に調整する必要があります。
• ひずみゲージは手動で適用する必要があります。それらを適切な場所に配置するには、時間とお金がかかります。これは、彼らの最も深刻な欠陥の 1 つです。

結論

ひずみゲージなどの受動トランスデューサは、機械的変位を抵抗の変化に変換します。これは、加えられたひずみを測定し、適切な接着剤を使用してさまざまな材料に接続できる、薄いウェーハ状のデバイスです。応力がかかると、構造に取り付けられたひずみゲージがひずみによって変形します。ひずみゲージの定義、用途、要件、部品、図、種類、働き、長所と短所について説明したこの記事は以上です。

読書から多くのことを学べることを願っています。もしそうなら、親切に他の学生と共有してください。読んでくれてありがとう。また会いましょう!