ひずみゲージ測定の基礎

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ひずみゲージは、力が加えられたときの材料の膨張または収縮を正確に測定するための最も有用なツールの1つです。ひずみゲージは、材料の変形とほぼ直線的に整列している場合、加えられた力を間接的に測定するのにも役立ちます。

ひずみゲージとは

ひずみゲージは、ひずみ量(材料の変形)に比例して電気抵抗が変化するセンサーです。



理想的なひずみゲージは、センサーが取り付けられている表面の縦方向のひずみに比例して抵抗を変化させます。

ただし、温度、材料特性、ゲージを材料に接着する接着剤など、抵抗に影響を与える可能性のある他の要因があります。



ひずみゲージは、エポキシの薄い絶縁層によってひずみ面に接着された非常に細い金属線または箔の平行グリッドで構成されています。接着された材料にひずみが生じると、そのひずみは接着剤を介して伝達されます。グリッド形状は、単位面積あたりの抵抗変化が最大になるパターンで設計されています。

ひずみゲージの選び方

アプリケーションのひずみゲージを選択する場合、3つの主な考慮事項は、動作温度、検出されるひずみの性質、および安定性の要件です。

ひずみゲージは歪んだ表面に取り付けられるため、ゲージが表面と等しく歪むことが重要です。接着剤は、広い温度範囲やその他の条件で確実にセンサーにひずみを伝達するように慎重に選択する必要があります。

ひずみゲージの抵抗値は、適用されるひずみの関数として、R / R = S eの変化に従って変化します。ここで、Rは抵抗、eはひずみ、Sはひずみ感度係数です。金属箔ゲージの場合、ひずみ感度係数は約2です。

ひずみの増分は通常0.005インチ/インチ未満であり、多くの場合、微小ひずみ単位で表されます。式から、ひずみゲージの抵抗は、与えられたひずみに対して0.1%のオーダーで非常に少量変化することがわかります。

次に、電圧の読み取り値をミリボルト/ボルト(mV / V)でこの抵抗から取り出して、ひずみの測定値を提供できます。

ポアソン比は、材料が歪むときに発生する薄化と伸びの尺度です。たとえば、抵抗線に引張力を加えると、線が少し長くなり、同時に細くなります。これら2つの株のこの比率がポアソン比です。

ポアソン効果によりワイヤ抵抗が比例して増加するため、これがひずみゲージ測定の背後にある基本原理です。

ひずみゲージ出力を正確に測定する方法

抵抗の小さな変化を正確に測定するために、ひずみゲージはほとんどの場合、電圧励起源を備えたブリッジ構成で見つかります。

図に示すように、ホイートストンブリッジが一般的に使用されます。抵抗比が両側で等しい場合、またはR1 / R2 = R4 / R3の場合、ブリッジは平衡状態になります。明らかに、この条件下では出力電圧はゼロです。

ひずみゲージ抵抗(Rg)が変化すると、出力電圧(Vout)が数ミリボルト変化し、この電圧が差動増幅器によって増幅されて、読み取り可能な値が返されます。

このホイートストン回路は、温度補償にも適しています。温度の影響をほとんどなくすことができます。ゲージ材料が熱膨張を補償するように設計されている場合もありますが、これによって熱感度が完全に失われるわけではありません。

より良い熱補償を達成するために、R3などの抵抗器を同様のひずみゲージに置き換えることができます。これは、温度の影響を無効にする傾向があります。

実際、最大の温度安定性を実現するために、4つの抵抗すべてをひずみゲージセンサーに置き換えることができます。それらのうちの2つ(R1とR3)は圧縮を測定するように設定でき、他の2つ(R2とR4)は張力を測定するように設定できます。

これにより、温度が補正されるだけでなく、感度が4倍に向上します。電気抵抗素子を備えたひずみゲージは、コストが低いという利点もあるため、ひずみを測定するための最も一般的なタイプのセンサーです。確立されているように。

それらは小さいサイズで入手可能であり、温度変化によって中程度の影響しか受けず、同時に+/- 0.10%未満の誤差を達成します。結合抵抗ひずみゲージも高感度であり、静的ひずみと動的ひずみの両方を測定するために使用できます。

ただし、ピエゾ抵抗、カーボン抵抗、半導体、音響、光学、誘導など、特定のアプリケーションで使用できる他のタイプがあります。

コンデンサ回路をベースにしたひずみゲージセンサーもあります。




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