歪み​ゲージ​を​使​っ​た​歪み​測定

歪みを測定する

歪みは通常、歪みゲージによって測定されます。歪みゲージは、軸力、曲げ力、せん断力、またはねじり力を受ける物体の電気抵抗を測定して機能します。電気抵抗は、力が加えられたときのデバイスの歪み量に比例して変化するため、歪みを定量化するために使用できます。最も普及している歪みゲージは、接着型の金属製歪みゲージです。金属製の歪みゲージは、極めて細いワイヤや金属箔をグリッド状にしたものです。グリッド状に構成することにより、平行方向の歪みがかかる金属製のワイヤや箔の量が最大になります。グリッドはキャリアと呼ばれる薄いバックプレートに接着されていて、このキャリアを直接試験片に取り付けます。したがって、試験片の歪みが直接歪みゲージに伝達され、歪みゲージの電気抵抗が線形的に変化します。

図3. 金属製のグリッドの電気抵抗は、試験片に加わる歪み量に比例して変化する。

歪みゲージの基本的なパラメータは歪みに対する感度で、これは定量的にゲージ率 (GF) として表されます。GFは、長さまたは歪みのごくわずかな変化に対する電気抵抗のごくわずかな変化の比率です。

通常、金属製歪みゲージのGFはおよそ2です。特定の歪みゲージの実際のGFは、センサの販売元またはセンサのドキュメントで知ることができます。

歪み測定において、歪みが数ミリ (e × 10^-3) 以上の大きさになることはほとんどありません。したがって、歪みを測定するには、抵抗値の極めて小さな変化を正確に測定する必要があります。たとえば、試験片に500 μεという歪みが生じている場合、ゲージ率 (GF) が2の歪みゲージを使用すると、2×(500 × 10^-6) = 0.1 %しか電気抵抗が変化しません。120Ωゲージでは、この変化はわずか0.12Ωになります

このような小さな抵抗の変化を測定するために、歪みゲージの構成はホイートストンブリッジの概念に基づいています。図4に示すような一般的なホイートストンブリッジは、励起電圧VEXを持つ4つの抵抗で構成されています。ここでは、励起電圧がブリッジに印加されます。

図4.  小さな抵抗の変化を検出するため、歪みゲージはホイートストンブリッジ回路で構成されている。

ホイートストーンブリッジは、2つの分圧器回路を並列に接続した電子回路です。R₁とR₂は最初の分圧器回路を構成し、R₄とR₃は2番目の分圧器回路を構成します。ホイートストーンブリッジ出力Voとは、2つの分圧回路の中央のノード間を測定したものです。

この式から、電圧出力V_OがゼロになるのはR₁/R₂ = R₄/R₃のときだとわかります。このような場合、ブリッジが平衡状態であるといいます。ブリッジのいずれかの抵抗が変化すると、出力電圧がゼロでなくなります。したがって、図4でR₄をアクティブな歪みゲージと交換した場合、歪みゲージの抵抗が変化するとブリッジの平行状態が崩れ、出力電圧がゼロでなくなります。この出力電圧こそ歪みゲージの役割となります。

適切な歪みゲージを選ぶ

歪みゲージのタイプ

歪みゲージ構成には、クォータブリッジ、ハーフブリッジ、フルブリッジの3種類があり、これらは、ホイートストーンブリッジのアクティブ要素の数、歪みゲージの向き、測定対象の歪みのタイプによって決まります。

クォータブリッジ歪みゲージ

構成タイプI

• 軸歪みまたは曲げ歪みを測定
• ダミー抵抗として、受動的クォータブリッジ構成抵抗が必要
• ホイートストーンブリッジを構成するにはハーフブリッジ構成抵抗が必要
• R4は引っ張り応力 (+ε) を測定するアクティブな歪みゲージ

図5.  クォータブリッジ歪みゲージ構成。

構成タイプII

歪みゲージの抵抗は、加えられた歪みに対してのみ変化するのが理想ですが、実際には、歪みゲージの材質と測定対象の試験片の材質は、温度変化に反応します。クォータブリッジ歪みゲージ構成タイプIIでは、ブリッジ内で歪みゲージを2つ使用すると、温度の影響を最小限に抑えることができます。図6に示すように、通常、1つ目の歪みゲージ (R4) はアクティブで、2つ目の歪みゲージ (R3) は温度の影響は受けながらも、試験片には接着されておらず、歪みの主軸に対して直角に配置されています。したがって、歪みはこのダミーゲージに対してほとんど影響しませんが、温度変化が生じると、双方のゲージに同じように影響します。温度変化は、双方の歪みゲージに同じように影響するため、双方間での抵抗比は不変であり、出力電圧 (Vo) も変動しないので、温度による影響は最小限に抑えることができます。

図6.  ダミー歪みゲージは歪み測定に対する温度の影響を取り除く。

ハーフブリッジ歪みゲージ

ハーフブリッジ構成で双方にアクティブな歪みゲージを付けることによって、ブリッジの歪みに対する感度を2倍にすることができます。

歪みゲージに対する信号調節

歪みゲージ測定は複雑で、複数の要素が測定性能に影響し得ます。したがって、ブリッジ、信号調節、配線、およびDAQコンポーネントを適切に選択・使用して、信頼性の高い測定データを生成する必要があります。たとえば、歪みがない場合、ゲージアプリケーションによって引き起こされる抵抗公差や歪みによって、多少の初期オフセット電圧が生成されます。同様に、長いリード線はブリッジのアームに抵抗を加えることがあります。これによって、オフセットエラーが加わり、ブリッジの出力の感度が下がります。 正確な歪み測定のために以下が必要かどうかを考慮してください。

• ブリッジ構成―クォータブリッジおよびハーフブリッジ歪みゲージに必要な回路を構成する
• 励起―ホイートストーンブリッジ回路に電力供給する
• リモートセンシング―リード線が長いために生じる励起電圧の誤差を補正する
• 増幅―計測分解能を高め、SN比を向上する
• フィルタ処理―外部の高周波数ノイズを除去する
• オフセットヌル―歪みがない場合、ブリッジのバランスを整えて、0 Vを出力する
• シャントキャリブレーション―ブリッジの出力が既知の予測値かどうかを確認する

これらの誤差の補正方法や、歪み測定に関する他のハードウェアの考慮点については、「高確度のセンサ計測を実現するためのテクニカルガイド」をダウンロードしてください。

歪みセンサをNIハードウェアに接続する

センサまたはテストのニーズを把握したら、次の重要なステップとして、そのデータを収集するためのハードウェアを決めます。 収集ハードウェアの品質によって、収集するデータの品質が決まります。

NIが提供している幅広い歪み/ブリッジハードウェアは、歪みデータ収集用として設計され、さまざまな歪みゲージセンサと互換性があります。