ひずみゲージ計測における温度影響への対処法－種類と対策

温度が上昇すると、計測中の材料は膨張します。その程度は材料の膨張係数に依存します。この係数は材料によって異なります。たとえば、鉄鋼の場合は約11 ppm/Kなので 、± 1℃の温度差は 11 μm/m の膨張を意味します。温度変化の影響による材料の膨張は、最終的には「見かけ」ひずみ（負荷のないひずみ）の計測になります。

このケースに対する最善策は、自己温度補償型ひずみゲージを使用することです。この補償型ひずみゲージにおける温度の影響は、使用されている特定の素材により見かけのひずみ（つまり温度に起因するセンサ本体の膨張）は補償されます。

2線式回路が使用されている場合（図参照）は、計測ケーブルの抵抗値が、ひずみゲージの抵抗に追加されるので、計測結果に影響します。ゼロドリフトと実効ゲージ率の低下に加えて、計測ケーブルの抵抗値も温度に依存します。

この場合の適切な対策は、以下で説明するマルチワイヤ技術の利用です

ゲージ率は、ひずみゲージの最も重要な特性です。ひずみと抵抗値の変化の間の相関関係をあらわします。ゲージ率は温度に依存しています。一般的なゲージ率の温度係数は0.01 ％/Kなので、計測結果に対する影響は比較的小さく、ほとんどが無視されます。しかし、計算により補償（温度計測値による）することも可能です。

弾性係数はゲージ本体の材料特性で、ひずみの計測値と機械的ひずみ間の相関関係を表します。この弾性係数は温度に依存しています。標準的な鋼鉄の弾性係数の温度依存の値は約-0,02 ％/Kです。実験応力解析では、弾性係数の温度効果は、通常は無視されます。校正可能な高精度トランスデューサを使用すると、ブリッジ内の温度依存性のニッケル要素によって補償が行われます。

励起電圧により、ひずみゲージの温度はセンサ本体に比べ高くなります。センサ本体の熱伝導率に応じて、熱は本体に吸収されます。センサ本体の熱伝導が悪い場合は、センサ本体とひずみゲージ間に温度差が生じます。これは自己補償型ひずみゲージの機能を阻害する可能性があります。しかしながら、最大励起電圧が守られていれば、この発熱の影響は非常に小さいので無視できます。

測定ポイントが適切に保護されていない場合は、相対湿度に応じてゼロ点のドリフトが発生する可能性があります。これは、接着剤とゲージキャリア材料（吸湿性）に吸収されている水分子によるものです。適切な対策は、測定ポイントを十分に保護することです。

温度が上昇すると接着剤は軟化し、ひずみを100 ％伝えることができなくなります。これは、ゲージ率の劣化に似た現象になります。このため、接着剤の温度制限を常に守ること、また、各アプリケーションのフィールド環境に適した接着剤を選択することが重要です。

ホイートストンブリッジ回路では、それぞれの抵抗器に異なる信号が流れるので、これを補償のために使用できます。温度補償の原理を、曲げビームの例で説明します。

正の負荷のもとでは、ビームの上側は正のひずみ(+)を受け、下側は圧縮（-）されます。このビームの上下にそれぞれひずみゲージを設置してホイートストンブリッジ回路に接続した場合、結果は信号が２倍になります。しかし温度依存のひずみが発生した場合には、両方のひずみゲージが同じひずみ信号を示します。したがって、温度効果は、ホイートストンブリッジ回路で相互に相殺されます。

センサ自体に加えて、アンプも温度の影響に関して重要な役割を担っています。これは熱起電力の場合に特に適用されます。

熱電効果のため、温度依存の電圧が異種材料の接続部に発生します。熱電対は、この効果を使用しています。しかし、これはひずみゲージ計測システム（温度依存のゼロ点誤差発生（ゼロ信号リターン）では計測精度に影響します。

熱起電力の問題は主にキャリア周波数アンプを使用して避けることができます (HBM QuantumX MX1615B / QuantumX MX1616B)。この方式では、正弦波の励起電圧を使用するので、計測信号を周期的な信号に変調できます。信号はバンドパス・フィルタ通過後にデジタルで復調されるので、準静的な熱起電力はアンプでフィルタすることができます。