ひずみゲージ

ひずみゲージ（ひずみゲージとも表記）は、物体のひずみを測定するのに使用される装置である。1938年にエドワード・E・シモンズとアーサー・C・ルージュによって発明された、最も一般的なタイプのひずみゲージは、金属箔パターンを支える絶縁性の柔軟な裏地から構成される。ゲージは、シアノアクリレートなどの適切な接着剤によって物体に取り付けられる。^[1] 物体が変形すると、箔が変形し、電気抵抗が変化する。この抵抗の変化は、通常ホイートストンブリッジを使用して測定され、ゲージ係数と呼ばれる量によってひずみに関連付けられる。

エドワード・E・シモンズとアーサー・C・ルーゲ教授が独立してひずみゲージを発明しました。

シモンズは、1936 年から 1938 年にかけて、カリフォルニア工科大学のデトワイラーとクラークの研究プロジェクトに参加しました。彼らは、衝撃荷重を受けた金属の応力-ひずみ挙動を研究しました。シモンズは、細い抵抗線を備えたダイナモメーターを装備することで、サンプルに加わる力を測定する独自の方法を考案しました。

一方、MITの教授アーサー・C・ルーゲは地震学の研究を行っていました。彼は、振動台に設置された模型の水槽の挙動を分析しようとしました。彼の模型は規模が小さく、ひずみも小さかったため、当時の標準的な光学ひずみ測定法を利用することができませんでした。ルーゲ教授 (と助手の J・ハンス・マイヤー) は、水槽模型の薄い壁に接着された金属線のひずみによる抵抗変化を測定するというひらめきを思いつきました。

ひずみゲージの開発は、本質的には他の研究プロジェクトの副産物に過ぎませんでした。エドワード・E・シモンズとアーサー・C・ルージュ教授は、当時代替手段がなかったため、広く使用され、有用な測定ツールを開発しました。アーサー・C・ルージュは、ひずみゲージの商業的有用性を認識しました。彼の雇用主であるMITは、経済的かつ大規模な使用の可能性を予測していなかったため、発明の権利に関するすべての請求を放棄しました。この予測は誤りであることが判明しました。ひずみゲージの用途は、ひずみを誘発する他のすべての量を間接的に検出するのに役立つため、急速に普及しました。さらに、科学者が簡単に設置でき、観測対象に障害や特性の変化を引き起こさず、測定結果を偽造することはありませんでした。おそらく最後の最も重要な特性は、電気出力信号の伝送が容易なことでした。^[2]

ひずみゲージは、電気伝導性の物理的特性と、それが導体の形状に依存するという特性を利用します。電気導体が、破損したり永久変形したりしない程度に弾性の限界内で引き伸ばされると、導体は細くなり長くなり、端から端までの電気抵抗が増加します。逆に、導体が座屈しない程度に圧縮されると、導体は広くなり短くなり、端から端までの電気抵抗が減少します。ひずみゲージの測定された電気抵抗から、誘発された応力の量を推測できます。

一般的なひずみゲージは、長くて薄い導電性ストリップを平行線のジグザグ パターンに配置します。これにより感度は上がりません。ジグザグ全体の特定のひずみに対する抵抗のパーセンテージ変化は、単一のトレースの場合と同じだからです。単一の線形トレースは非常に細くする必要があり、そのため過熱しやすく (抵抗が変化して膨張します)、またははるかに低い電圧で動作させる必要があるため、抵抗の変化を正確に測定することが困難になります。

ゲージ係数 は次のように定義されます。 ${\displaystyle GF}$

${\displaystyle GF={\frac {\Delta R/R_{G}}{\epsilon }}}$

どこ

${\displaystyle \Delta R}$ひずみによって生じる抵抗の変化である。

${\displaystyle R_{G}}$は変形していないゲージの抵抗であり、

${\displaystyle \epsilon }$緊張です。

一般的な金属箔ゲージの場合、ゲージ係数は通常2を少し超えます。^{[3]バランスのとれた}ホイートストンブリッジ構成 で、アクティブゲージ1個とアクティブゲージの周囲にある同じ抵抗値のダミー抵抗器3個の場合、ブリッジからの 出力センサー電圧はおおよそ次のようになります。${\displaystyle SV}$

${\displaystyle SV=EV{\frac {GF\cdot \epsilon }{4}}}$

どこ

${\displaystyle EV}$ブリッジ励起電圧です。

フォイルゲージのアクティブ領域は通常、約 2 ～ 10 mm ²の大きさです。適切なゲージと適切な接着剤を慎重に取り付ければ、少なくとも 10% までのひずみを測定できます。

励起電圧がゲージ ネットワークの入力リードに印加され、出力リードから電圧が読み取られます。一般的な入力電圧は 5 V または 12 V で、一般的な出力の読み取り値はミリボルト単位です。

箔ひずみゲージはさまざまな状況で使用されます。用途によってゲージの要件は異なります。ほとんどの場合、ひずみゲージの向きが重要です。

ロード セルに取り付けられたゲージは、通常、数十年とは言わないまでも、数年間にわたって安定した状態を保つことが期待されます。一方、動的実験で応答を測定するために使用されるゲージは、対象物に数日間取り付けたままにし、1 時間未満通電し、1 秒未満動作するだけでよい場合があります。

ひずみゲージは、特殊な接着剤で基板に取り付けられます。接着剤の種類は、測定システムの必要な寿命によって異なります。短期間の測定 (数週間まで) にはシアノアクリレート接着剤が適していますが、長期間の設置にはエポキシ接着剤が必要です。通常、エポキシ接着剤は高温硬化 (約 80 ～ 100 °C) を必要とします。ひずみゲージを接着する表面の準備は、最も重要です。表面を滑らかにし (たとえば、非常に目の細かいサンドペーパーを使用)、溶剤で脱油し、溶剤の痕跡を除去してから、準備した領域の酸化や汚染を防ぐために、すぐにひずみゲージを接着する必要があります。これらの手順に従わないと、表面へのひずみゲージの接着が信頼できず、予測できない測定エラーが発生する可能性があります。

ひずみゲージ ベースの技術は、圧力センサーの製造によく使用されます。圧力センサー自体に使用されるゲージは、通常、シリコン、ポリシリコン、金属フィルム、厚膜、および接着箔で作られています。

温度の変化はさまざまな影響を引き起こします。物体は熱膨張によってサイズが変化し、ゲージによってひずみとして検出されます。ゲージの抵抗が変化し、接続ワイヤの抵抗も変化します。

ほとんどのひずみゲージはコンスタンタン合金で作られています。^[4]さまざまなコンスタンタン合金とカルマ合金は、ひずみゲージ自体の抵抗に対する温度の影響が、試験対象物の熱膨張によるゲージの抵抗変化を大幅に打ち消すように設計されています。材料によって熱膨張量が異なるため、自己温度補償（STC）では、試験対象物の材料に合った特定の合金を選択する必要があります。

自己温度補償機能のないひずみゲージ（等弾性合金など）は、ダミーゲージ技術を使用することで温度補償できます。ダミーゲージ（アクティブひずみゲージと同じ）を、試験片と同じ材料のひずみのないサンプルに取り付けます。ダミーゲージ付きのサンプルは、アクティブゲージに隣接して試験片と熱接触するように配置されます。ダミーゲージは、アクティブゲージに隣接するアームのホイートストンブリッジに配線され、アクティブゲージとダミーゲージへの温度の影響が互いに打ち消されます。^[5]（マーフィーの法則は、ゲージセットがホイートストンブリッジに誤って配線されたことに反応して最初に考案されました。^[6]）

すべての材料は、加熱または冷却されると反応します。これにより、ひずみゲージは材料の変形を記録し、信号を変化させます。これを防ぐために、ひずみゲージは温度によるこの変化を補正するように作られています。ひずみゲージが取り付けられている表面の材料に応じて、異なる膨張を測定できます。

リード線の温度の影響は、「3線ブリッジ」または「4線オーム回路」^[7]（「4線ケルビン接続」とも呼ばれる）を使用することでキャンセルできます。

いずれにしても、ひずみゲージの自己発熱を避けるために、ホイートストン ブリッジの電圧駆動を低く抑えることが、エンジニアリング上は良い方法です。ひずみゲージの自己発熱は、その機械的特性に依存します (大きなひずみゲージは自己発熱しにくくなります)。ブリッジの電圧駆動レベルが低いと、システム全体の感度が低下します。

構造ヘルスモニタリング(SHM) は、構造物の完成後に監視するために使用されます。故障を防ぐために、ひずみゲージを使用して損傷やクリープを検出し、その位置を特定します。具体的な例としては、橋梁ケーブルの監視が挙げられます。これにより、損傷の可能性を検出して安全性が向上します。また、特殊な重量物輸送などの異常な荷重に対する橋梁の挙動を分析することもできます。

皮膚のひずみを測定すると、人間や他の動物の姿勢、関節の回転、呼吸、腫れなど、さまざまな生体力学的測定を行うことができます。ただし、抵抗箔ひずみゲージはひずみ限界が低いため、これらの用途にはほとんど使用されません。代わりに、柔らかく変形可能なひずみゲージがホスト衣類に取り付けられることが多く、センサーを体の適切な部分に簡単に適用できますが、皮膚に直接取り付けられることもあります。通常、これらの用途では、このような柔らかいひずみゲージ [1] はストレッチセンサーとして知られています。医療用途では、センサーは正確で再現性がある必要があり、通常は静電容量ストレッチセンサーを使用する必要があります。

工業用途の多くの物体や材料には寿命があります。寿命と所有コストを改善するために、予測メンテナンスの原則が使用されています。ひずみゲージは、材料の疲労の指標としてひずみを監視するために使用でき、ソフトウェアシステムが特定のコンポーネントの交換やメンテナンスが必要になる時期を予測できるようにします。抵抗箔ゲージは、金属、セラミック、複合材などの硬い材料を計測するために使用できますが、高弾性ひずみゲージは、ゴム、プラスチック、繊維などの柔らかい材料を監視するために使用されます。[2]

航空業界では、ひずみゲージは構造荷重の測定と翼のたわみの計算に標準的な方法です。ひずみゲージは航空機の複数の場所に取り付けられています。しかし、たわみ測定システムは遠隔で信頼性の高いひずみを測定できることが実証されています。これにより航空機の計器重量が軽減されるため、ひずみゲージに代わるシステムになりつつあります。^[8]

ひずみを測定しなければ目的の結果を得られないことが最初から明らかでない用途もあります。たとえば、特定の構造物への侵入者の検出では、ひずみゲージを使用して侵入者の存在を検出できます。これは、その構造物のひずみのわずかな変化を測定することによって行われます。^[9]

• ゼロ オフセット - ゲージをフォース コレクターに接続した後、4 つのゲージ アームのインピーダンスが正確に同じでない場合は、ゼロ オフセットが発生しますが、これは 1 つ以上のゲージ アームに並列抵抗器を導入することで補正できます。
• ゲージ係数の温度係数 (TCGF) は、温度の変化に伴うデバイスの歪みに対する感度の変化です。これは通常、入力レッグに固定抵抗を導入することで補正されます。これにより、温度の上昇に伴って有効な供給電圧が減少し、温度の上昇に伴う感度の増加が補正されます。これは、トランスデューサ回路のモジュラス補正として知られています。温度が上昇すると、ロードセル要素の弾性が増し、一定の負荷の下では変形が大きくなり、出力が増加しますが、負荷は同じままです。この中で巧妙なのは、ブリッジ電源の抵抗器が、ゲージが接着されている材料とゲージ要素の材料の両方に適合する温度に敏感な抵抗器でなければならないことです。その抵抗器の値は、これらの両方の値に依存し、計算できます。簡単に言えば、出力が増加すると抵抗値も増加し、トランスデューサへの正味電圧が減少します。抵抗値を正しく設定すれば、変化は見られません。
• 温度によるゼロシフト - 各ゲージの TCGF が同じでない場合、温度によるゼロシフトが発生します。これは、フォースコレクターの異常によっても発生します。これは通常、補償ネットワークに戦略的に配置された 1 つ以上の抵抗器によって補償されます。
• 直線性は、圧力範囲全体にわたって感度が変化する誤差です。これは通常、意図した圧力に対する力収集厚さの選択と接合の品質の関数です。
• ヒステリシスとは、圧力変動後にゼロに戻る際の誤差です。
• 再現性 - この誤差はヒステリシスと関係している場合もありますが、圧力範囲全体にわたります。
• 電磁干渉 ( EMI ) によるエラー - ひずみゲージの出力電圧は mV の範囲ですが、ホイートストン ブリッジの電圧駆動を低く抑えて素子の自己発熱を防げば μV になることもあります。出力信号の増幅には、重畳ノイズも増幅しないように特別な注意が必要です。よく採用される解決策は、「キャリア周波数」増幅器を使用することです。この増幅器は電圧変動を周波数変動に変換し (電圧制御発振器の場合と同様)、帯域幅が狭いため、帯域外 EMI が減少します。
• 過負荷 – ひずみゲージに設計限界 (マイクロストレインで測定) を超える負荷がかかると、パフォーマンスが低下し、回復できなくなります。通常、優れたエンジニアリング プラクティスでは、ひずみゲージに ±3000 マイクロストレインを超える負荷をかけないことが推奨されています。
• 湿度 – ひずみゲージを信号コンディショナーに接続する配線が、裸線などのように湿度から保護されていない場合、腐食が発生して寄生抵抗が生じる可能性があります。これにより、配線とひずみゲージが接着されている基板の間、または 2 本の配線間に直接電流が流れ、ひずみゲージを流れる電流と競合するエラーが発生します。このため、高電流、低抵抗のひずみゲージ (120 オーム) では、このタイプのエラーが発生しにくくなります。このエラーを回避するには、絶縁エナメル (エポキシまたはポリウレタン タイプなど) でひずみゲージの配線を保護するだけで十分です。保護されていない配線のひずみゲージは、乾燥した実験室環境でのみ使用できますが、産業環境では使用できません。

一部のアプリケーションでは、ひずみゲージは、測定対象のハードウェアの振動プロファイルに質量と減衰を追加します。ターボ機械業界では、回転ハードウェアの振動を測定する際にひずみゲージ技術の代替として、ブレードやディスクに取り付けられたハードウェアなしでブレードの振動を測定できる非侵入型応力測定システムが使用されています...

市場には、以下の異なる種類のひずみゲージが存在します。

• リニアひずみゲージ
• メンブレンロゼットひずみゲージ
• ダブルリニアひずみゲージ
• フルブリッジひずみゲージ
• せん断ひずみゲージ
• ハーフブリッジひずみゲージ
• 柱状ひずみゲージ
• 45°ロゼット（3つの測定方向）
• 90°ロゼット（測定方向2つ）。

ひずみゲージ測定装置はドリフトの問題を起こしやすい。さらに、製造にはすべての製造工程で正確な要件が求められる。そのため、ひずみを測定する方法も複数ある。^[2]

• 小さなひずみの測定には、箔ゲージよりも半導体ひずみゲージ、いわゆるピエゾ抵抗器が好まれることが多いです。半導体ゲージは通常、箔ゲージよりもゲージ係数が大きくなっています。半導体ゲージは箔ゲージよりも高価で、温度変化に敏感で、壊れやすい傾向があります。
• ナノ粒子ベースのひずみゲージは、有望な新技術として登場しました。金や炭素などの導電性ナノ粒子の集合体によってアクティブ領域が作られるこれらの抵抗センサーは、高いゲージ係数、大きな変形範囲、および高インピーダンスによる小さな電力消費を兼ね備えています。
• 生物学的測定、特に血流や組織の膨張には、ゴム内水銀ひずみゲージと呼ばれる変種が使用されます。このタイプのひずみゲージは、小さなゴムチューブに封入された少量の液体水銀で構成されており、たとえばつま先や脚の周りに適用されます。身体の一部が膨張するとチューブが伸びて長く細くなり、電気抵抗が増加します。
• 光ファイバーセンシングは光ファイバーに沿ったひずみを測定するために使用できます。測定値は光ファイバーに沿って分散させることも、光ファイバー上の所定のポイントで取得することもできます。2010年のアメリカズカップボートであるアリンギ5とUSA-17はどちらもこのタイプの埋め込みセンサーを採用しています。^[10]

• 電子スペックルパターン干渉法やデジタル画像相関法などの他の光学測定技術を使用して、歪みを測定することもできます。
• マイクロスケールのひずみゲージは、力、加速度、圧力、音などによって引き起こされるひずみを測定するために、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）で広く使用されています。 ^[11]たとえば、車のエアバッグは、MEMS加速度計で作動することがよくあります。圧電抵抗ひずみゲージの代替として、集積光 リング共振器を使用して、マイクロオプトエレクトロメカニカルシステム（MOEMS）でひずみを測定することができます。^[12]
• 容量性ひずみゲージは可変コンデンサを使用して機械的変形のレベルを示します。
• 振動ワイヤひずみゲージは、土木工学および土木工学の用途で使用されます。ゲージは、振動して張力のかかったワイヤで構成されています。ひずみは、ワイヤの共振周波数を測定することで計算されます (張力が増加すると、共振周波数も増加します)。
• 水晶ひずみゲージは、地質工学の用途にも使用されています。圧力センサー、つまりブルドン管力コレクターを備えた共振水晶ひずみゲージは、 DARTの重要なセンサーです。^{[13] DARTは、外洋の底から}津波を検出します。数キロメートルの深さで圧力を測定する場合、約1mmの水の圧力分解能があります。^[14]
• 多軸力センサは、安全性、器用さ、協調性の観点から、ひずみゲージに比べて多くの利点があります。これらは、圧電トランスデューサによって測定が行われるプレストレス共振複合プレートに基づいています。これにより、外力の3つの成分を測定できます。さらに、必要なハードウェアは、従来のひずみゲージよりも安価です。^[15]

ひずみは、デジタル画像相関（DIC）を使用して測定することもできます。この技術では、1台または2台のカメラをDICソフトウェアと組み合わせて使用​​し、部品の表面の特徴を追跡して小さな動きを検出します。テストされたサンプルの完全なひずみマップを計算し、有限要素解析と同様の表示を提供できます。この技術は、従来のひずみゲージや、伸び計、ストリングポット、LVDT、加速度計などの他のセンサーの代わりに多くの業界で使用されています。 ^[16]市販のDICソフトウェアの精度は、変位測定で通常1/100〜1/30ピクセルの範囲で、ひずみ感度は20〜100μm/mです。^[17] DIC技術により、形状、変位、ひずみを非接触で迅速に測定できるため、特に衝撃、高ひずみ、高温、高サイクル疲労試験などの従来の接触方法の問題を回避できます。^[18]

現在、ひずみ測定の分野には多くのメーカーが存在します。さまざまな取り付け面、サイズ、形状のひずみゲージを製造しています。訓練を受けていない人にとって、正しい実装と適切なタイプの測定ツールの選択は非常に困難です。使用可能なデータを確実に収集するには、ひずみゲージの正確なセットアップ プロセスに関する知識が必要です。ひずみゲージの大手プロバイダーは、各アプリケーションに適した選択に関するコンサルティングを提供しています。また、正しい実装を確実にするために、顧客向けのトレーニング プログラムも用意しています。

大手企業の一つはZemic Europeで、何千種類もの異なるタイプのひずみゲージを提供しています。^[19]

もう一つのグローバル企業はHBM（Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH）です。同社は幅広い種類のひずみゲージと関連製品を提供しています。^[20]

1995年、シュテファン・カイル博士は、ひずみゲージとその使用法に関する詳細な書籍「Dehnungsmessstreifen」の初版を出版しました。この初版はドイツ語でのみ出版されましたが、さまざまな分野でひずみゲージが幅広く使用されているため、ドイツ国外でも人気を博しました。20年以上経った2017年に、彼は英語に翻訳された第2版を出版し、ひずみゲージを使用するより多くのエンジニアが利用できるようになりました。この最新の書籍は、「ひずみゲージの技術と実用化」というタイトルです。^[2]

「ひずみゲージ」という用語は社会学でよく使われる。社会ひずみゲージ理論は、魔術や呪術の告発を理解するためのアプローチである。南アフリカの人類学者マクスウェル・マーウィックは、1965年にザンビアとマラウィでこれらの社会学的現象を研究した。 ^[21]魔術の告発は、人間関係や社会構造全体へのひずみを反映している。この理論によれば、魔術の告発は社会の圧力弁であった。^[22]

• 抵抗温度計
• コンプレッサーメーター