センサは現代の生活に欠かせない非常に重要なツールです。 試験、データの取得、オートメーション、品質保証など、種々の量をはかることを目的として使用されます。これは、センサの市場が急速に拡大し(1) 、新しい計測方法が生み出されていることを意味しています。

選択可能な技術の幅が広がる傾向により、この分野への関心が高まります。しかしながら、これまでに確立したテクノロジーは過去何年にもわたり築き上げられた経験に基づくものであり、その利点が多くあることも忘れてはなりません。


例えば、箔タイプのひずみゲージは、確立された科学的原理(2)(3) に基づいており、たゆまぬ技術進歩に伴い改良されてきています。 箔タイプのひずみゲージは取り付けが簡単で、単一的な計測の要求にも非常に低価格で利用できるという特長があります。

箔タイプのひずみゲージの測定方法

金属箔タイプのひずみゲージは、力、トルク、圧力測定における主要な検出原理として、広く使用されています。力変換器、ロードセル、トルク変換器、超高圧変換器の大半は、この設計に基づいており、多様な測定体で利用できます。


箔タイプのひずみゲージは、すべて共通の原理に基づいています。つまり、正のひずみと負のひずみを利用してその機械的な変化を電気信号に変換します。 負荷下で高いひずみが発生するきわい体の中央部位に、4個のひずみゲージ(正のひずみに2個、負のひずみに2個)でホイートストンブリッジ回路を構成するように接続します。 隣の抵抗に対して抵抗を変えて検量する「ダブル分圧器」では、出力電圧はきわい体のひずみにほぼ比例します。

図1.ひずみゲージをホイートストンブリッジ回路に接続して、生じる出力電圧により変形度を容易に測定できます。

出力信号は供給電圧と出力電圧の比率となります。 この算出方法は以下のとおりです。

箔タイプのひずみゲージ変換器を使用すると、力学量が最も正確に測定できます。同時に、不確かさを最低限に抑えるための最適なツールにもなります。


ひずみゲージの作動原理は、確立した原理であるため、測定作業を簡単にすることができます。
他の多くの検出原理とは異なり、箔タイプのひずみゲージは、測定体をスケールアップすることにより、ほぼ無制限に高い公称負荷に対応できます。

この応用例としてMN範囲での力変換器、MNm範囲でのトルク変換器およびGPa範囲での超高圧変換器があります (7).

動的特性を重要とする場合、ひずみ帯域をできるだけ小さく設計して高剛性を確保する必要があります (4)(5)(6).

静水圧測定における圧力変換器などの力学量計測に対しさらに多くの選択肢があります。 圧力計測市場で最も大きなシェアを持つ低圧アプリケーションでは、特に数気圧の低圧測定の場合には一般に静電容量またはピエゾ抵抗MEMSソリューションを使用しています。 近年新しい計測方法が見られますが、静電容量またはピエゾ抵抗MEMSソリューションがまだ使用できない高圧測定では過負荷抵抗が依然として重要です。

図2は、異なるタイプのひずみゲージテクノロジーを比較し、様々な局面から、圧力測定に適しているかどうかを示しています。

図2: 異なる圧力測定テクノロジーの比較(8)

この表から、ひずみゲージに基づく超高圧力変換器は非常に高い精度と長期間安定性が必要な測定が優先される場合、第一選択肢であることが分かります。これは、各国における様々な国立計量標準機関の結果を比較する場合、妥当であると言えます(9).

選択した原理は調査するプロセスまたは現象との重要なインターフェースとなるため、その他の測定可能量に対しても同様に様々な原理の分析をすることができ、測定課題に対し一連の最適化された測定チェーンを設計しようとする場合に最適です。

まとめ

ひずみゲージを使った変換器は、非常に高精度かつ長期にわたる安定性が確保でき、高速計測への対応が可能です。受動抵抗ネットワークにより、変換器を製造する際のキャリブレーションも容易です。規模が大きく、タスクが独立し、かつ高い計測精度が求められるような利用には最適な選択肢といえるでしょう。高精度な計測により、様々な機械量を国内/外レベルでトレースできます (10)(11)(12)

基本的なアプリケーションには、シンプルで低コストの箔タイプのひずみゲージ変換器が適しています。ロードセルのようにコアな市場では、一般消費材の計量から輸送用トラックの計量まで、様々なアプリケーションに利用できます。

参考資料など

[1] Survey “World Emerging Sensors Markets”, Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 Mar 2011, U.S.A.

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” Patent application no. 2322319 to the United States Patent Office; 16. Sept. 1939, approved 22. June1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” Publisher Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Germany

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle“, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” Proceedings of “Eurosensors 2008”, Dresden, Germany, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” Proceedings of "Sensor+Test" Conference, Nurnberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges”, XVII IMEKO World Congress 2003, Metrology in the 3rd Millennium, Dubrovnik, Croatia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa”, The Asia-Pacific Metrology Programme (APMP) and the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) 1000 MPa , Hydraulic pressure inter-laboratory comparation, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” IEEE I2MTC Conference, Mai 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Examples and proposed solutions regarding the growing importance of calibration of high nominal forces IMEKO 2010 TC3, TC5 and TC22 Conferences, November 22-25, 2010, Pattaya, Chonburi, Thailand

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China”, Mechanics and Acoustics Division, National Institute of Metrology, Beijing, P. R. China, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit”, “APMF 2000”, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, pp. 204, Tsukuba, Japan, 2000

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