ひずみゲージ：動作原理と図

ひずみゲージとは

ひずみゲージは、物体のひずみを測定するために使用される抵抗器です。外部からの力が物体に加わると、その形状が変形します。この形状の変形は圧縮または引張りであり、これをひずみと呼び、ひずみゲージによって測定されます。物体が弾性限界内で変形すると、長く細くなるか、短く太くなります。これにより、端から端までの抵抗値に変化が生じます。

ひずみゲージは、物体の形状の微小な変化に敏感です。物体の抵抗値の変化を測定することで、誘起されたストレスの量を計算することができます。

抵抗値の変化は通常非常に小さな値であり、その微小な変化を検出するためには、ひずみゲージには非導体材料（キャリア）上に長くて薄い金属ストリップがジグザグパターンで配置されています。これにより、平行線のグループ内の小さなストレス量を拡大し、高精度で測定することができます。ゲージは接着剤によって装置に貼り付けられます。

物体が物理的に変形すると、その電気抵抗値が変化し、その変化はゲージによって測定されます。

ひずみゲージブリッジ回路

ひずみゲージブリッジ回路は、不均衡の程度によって測定されたストレスを示し、ブリッジの中心にあるボルトメータを使用して、その不均衡を正確に測定します：

この回路では、R1とR3は等しい比腕であり、R2はひずみゲージの抵抗値と同じ値を持つ可変抵抗です。ゲージがひずみがないとき、ブリッジはバランスしており、ボルトメータはゼロ値を示します。ひずみゲージの抵抗値に変化があると、ブリッジはアンバランスになり、ボルトメータに表示が出ます。ブリッジからの出力電圧は、差動増幅器によってさらに増幅することができます。

ひずみゲージの温度変動

ゲージの抵抗値に影響を与えるもう一つの要素は温度です。温度が高いと抵抗値が高くなり、温度が低いと抵抗値が低くなります。これはすべての導体の一般的な性質です。この問題を克服するには、自己温度補償機能を持つひずみゲージを使用するか、ダミーひずみゲージ技術を使用することができます。

ほとんどのひずみゲージは、温度による抵抗値の影響をキャンセルするコンスタンタン合金で作られています。しかし、一部のひずみゲージはイソエラスティック合金ではありません。このような場合、ダミーゲージが四分の一ブリッジひずみゲージ回路のR2の位置に配置され、温度補償デバイスとして機能します。

温度が変化すると、抵抗値はレオスタットの両腕で同じ割合で変化し、ブリッジはバランスした状態を維持します。温度の影響が相殺されます。ひずみゲージの自己発熱を避けるために、電圧を低く保つことが望ましいです。自己発熱はゲージの機械的な挙動に依存します。

この配置は四分の一ブリッジと呼ばれます。さらに、半ブリッジおよびフルブリッジ構成があり、四分の一ブリッジ回路よりも高い感度を提供します。それでも、四分の一ブリッジ回路は広くひずみ測定システムで使用されています。

ひずみゲージの用途

• 機械工学開発の分野。

• 機械によって生成されるストレスを測定する。

• 航空機の部品テストの分野、例えばリンク機構や構造損傷など。

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