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ひずみゲージ（strain gaugeとも綴られる）は、物体のひずみを測定するために使用される装置です。1938年にエドワード・E・シモンズとアーサー・C・ルージ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持する絶縁性の柔軟な裏地で構成されています。ゲージは、シアノアクリレートなどの適切な接着剤で物体に取り付けられます。[ 1 ] 接着層に空気の隙間や柔軟性があると、クリープまたはヒステリシスと呼ばれる測定誤差が生じるため、適切な接着が重要です。物体が変形すると、箔も変形し、電気抵抗が変化します。この抵抗変化は、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と関連付けられます。
エドワード・E・シモンズとアーサー・C・ルージ教授は、それぞれ独立してひずみゲージを発明した。
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でデートワイラーとクラークが行った研究プロジェクトに参加した。彼らは衝撃荷重下における金属の応力-ひずみ挙動を研究していた。シモンズは、ダイナモメーターに細い抵抗線を取り付けることで、試料に加わる力を測定する独創的な方法を考案した。
一方、MITの教授であったアーサー・C・ルージは、地震学の研究を行っていた。彼は振動台に設置した模型の水槽の挙動を分析しようと試みた。しかし、模型の規模が小さく、歪みも小さいため、当時の標準的な光学式歪み測定法を用いることはできなかった。そこでルージ教授（と助手であったJ・ハンス・マイヤー）は、水槽模型の薄い壁に接着した金属線に生じる歪みによる抵抗変化を測定するというひらめきを得た。
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でした。エドワード・E・シモンズとアーサー・C・ルージ教授は、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・ルージはひずみゲージの商業的有用性を認識していました。MITの雇用主は、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主張を放棄しました。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、ひずみを引き起こす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、科学者による設置が容易で、観測対象に障害や特性の変化を引き起こさず、測定結果を歪めることもありませんでした。おそらく最後にして最も重要な特性は、電気出力信号の伝送の容易さでした。[ 2 ]
ひずみゲージは、電気伝導率という物理的特性と、それが導体の形状に依存する性質を利用しています。電気導体が、破損したり永久変形したりしない範囲で弾性限界まで引き伸ばされると、細くなり長くなり、その結果、両端間の電気抵抗が増加します。逆に、導体が座屈しない範囲で圧縮されると、太くなり短くなり、その結果、両端間の電気抵抗が減少します。ひずみゲージで測定された電気抵抗から、誘起された応力の量を推定することができます。
一般的なひずみゲージは、細長い導電ストリップを平行線でジグザグ状に配置します。しかし、この配置によって感度が向上するわけではありません。なぜなら、ジグザグ全体における特定のひずみに対する抵抗値の変化率は、個々の線路における変化率と同じだからです。単一の直線状の線路では、非常に細くする必要があり、過熱（抵抗値の変化や膨張を引き起こす）を起こしやすくなるか、あるいははるかに低い電圧で動作させる必要があり、抵抗値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。
どこ
一般的な金属箔ゲージの場合、ゲージ係数は通常2を少し超える値になります。[ 3 ] 平衡ホイートストンブリッジ構成で、1つのアクティブゲージと、アクティブゲージの周囲に同じ抵抗値のダミー抵抗器が3つある場合、出力センサ電圧は橋からの距離はおよそ次の通りです。
どこ
箔ゲージの有効面積は通常2 ～ 10mm²程度です。適切なゲージと接着剤を使用し、慎重に設置すれば、少なくとも10%までのひずみを測定できます。
ゲージネットワークの入力リード線に励起電圧を印加し、出力リード線から電圧値を読み取る。一般的な入力電圧は5V または12Vで 、一般的な出力値はミリボルト単位である。
箔ひずみゲージは様々な場面で使用されます。用途によってゲージに求められる要件は異なります。多くの場合、ひずみゲージの向きは重要な要素となります。
ロードセルに取り付けられたゲージは、通常、数年、場合によっては数十年にわたって安定した状態を維持することが期待されます。一方、動的実験における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られているだけでよく、1時間未満しか通電されず、1秒未満しか動作しない場合があります。
ひずみゲージは、特殊な接着剤を用いて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系接着剤が適していますが、長期間の設置にはエポキシ系接着剤が必要です。エポキシ系接着剤は通常、高温（約80～100 ℃）での硬化が必要です。ひずみゲージを接着する表面の準備は非常に重要です。表面は（例えば、非常に目の細かいサンドペーパーで）滑らかにし、溶剤で脱脂し、溶剤の痕跡を除去した後、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、ひずみゲージの表面への接着が不安定になり、予測不可能な測定誤差が発生する可能性があります。
圧力センサーの製造には、ひずみゲージを用いた技術が一般的に用いられています。圧力センサーに使用されるゲージ自体は、シリコン、ポリシリコン、金属膜、厚膜、および接着箔などで作られています。
温度変化は様々な影響をもたらします。物体は熱膨張によってサイズが変化し、それがゲージによって歪みとして検出されます。ゲージの抵抗値も変化し、接続線の抵抗値も変化します。
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ほぼ相殺するように設計されています。異なる材料は熱膨張量が異なるため、自己温度補償（STC）には、試験対象物の材料に適合した特定の合金を選択する必要があります。
自己温度補償機能を持たないひずみゲージ（等弾性合金など）は、ダミーゲージ法を用いて温度補償することができます。ダミーゲージ（アクティブひずみゲージと同一）を、試験片と同じ材料でできた無応力サンプルに取り付けます。ダミーゲージを取り付けたサンプルを、アクティブゲージに隣接して試験片と熱的に接触させます。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の温度効果が互いに打ち消し合うようにします。[ 5 ]（マーフィーの法則は、もともとゲージを誤ってホイートストンブリッジに配線したことがきっかけで生まれたものです。[ 6 ]）
あらゆる物質は、加熱または冷却されると反応します。これにより、ひずみゲージは物質の変形を検知し、信号が変化します。この変化を防ぐため、ひずみゲージは温度による変化を補正するように設計されています。ひずみゲージが取り付けられている表面の材質によって、測定される膨張率は異なります。
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）を使用することで相殺できます。
いずれにせよ、歪みゲージの自己発熱を避けるため、ホイートストンブリッジの駆動電圧を十分に低く抑えることは、優れた工学的手法である。歪みゲージの自己発熱は、その機械的特性に依存する（大型の歪みゲージほど自己発熱しにくい）。ブリッジの駆動電圧を低くすると、システム全体の感度が低下する。
構造健全性モニタリング（SHM）は、構造物の完成後にその状態を監視するために用いられます。ひずみゲージを用いて損傷やクリープを検出し、位置を特定することで、構造物の破損を未然に防ぎます。具体的な例としては、橋梁ケーブルのモニタリングが挙げられます。これにより、損傷の可能性を検出することで安全性が向上します。また、特殊な重量物輸送など、通常とは異なる荷重に対する橋梁の挙動を分析することも可能です。
皮膚のひずみを測定することで、人間や他の動物の姿勢、関節回転、呼吸、腫れなど、さまざまな生体力学的測定値を得ることができます。しかし、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、センサーを体の正しい部分に簡単に装着できるように、多くの場合、衣服に取り付けられますが、皮膚に直接取り付けられる場合もあります。通常、このような柔らかいひずみゲージは、これらは伸縮センサーとして知られています。医療用途では、センサーは正確かつ再現性が高くなければならず、そのためには通常、静電容量式伸縮センサーが使用されます。
産業用途で使用される多くの物体や材料には、寿命があります。その寿命と所有コストを改善するために、予知保全の原則が用いられています。ひずみゲージは、材料の疲労の指標となる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部品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、複合材料などの硬い材料の計測に使用できますが、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の監視に使用されます。
航空分野では、ひずみゲージは構造荷重を測定し、翼のたわみを計算するための標準的な手法です。ひずみゲージは航空機の複数の場所に固定されています。しかし、たわみ測定システムは遠隔で確実にひずみを測定できることが示されています。これにより航空機の計測機器の重量が軽減され、(一部の)ひずみゲージに取って代わりつつあります。[ 8 ]
また、目的の結果を得るためにひずみを測定することが必ずしも明らかでは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そのような侵入者の存在を検出できます。これは、当該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 ]
用途によっては、ひずみゲージは測定対象となるハードウェアの振動プロファイルに質量と減衰を加えることがあります。ターボ機械業界では、回転ハードウェアの振動測定において、ひずみゲージ技術の代替として、非接触式応力測定システムが用いられています。このシステムでは、ブレードやディスクにハードウェアを取り付けることなく、ブレードの振動を測定できます。
市場には、以下のような様々な種類のひずみゲージが販売されています。
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、その製造にはすべての製造工程で精密な要件が求められる。そのため、ひずみを測定する方法は複数存在する。[ 2 ]
ひずみは、デジタル画像相関法（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でき、有限要素解析と同様の表示が得られます。この技術は、多くの産業で、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替として使用されています。[ 16 ]市販のDICソフトウェアの精度は、変位測定の場合、通常1/100～1/30ピクセル程度で、ひずみ感度は20～100ppmになります。[ 17 ] DIC技術を使用すると、形状、変位、ひずみを非接触で迅速に測定でき、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 ]
1995年、シュテファン・カイル教授（工学博士）は、ひずみゲージとその使用方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のみで出版されましたが、ひずみゲージがさまざまな分野で幅広く使用されていることから、ドイツ国外でも人気を博しました。20年以上後（2017年）、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。この最新版のタイトルは『Technology and Practical Use of Strain Gages』です。[ 2 ]
ひずみゲージという用語は社会学でよく見られる。社会ひずみゲージ理論は、魔術や妖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ックスウェル・マーウィックは、1965年にザンビアとマラウイでこれらの社会現象を研究した。 [ 19 ]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、妖術の告発は社会の圧力弁であった。[ 20 ]
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