ひずみゲージの出力を増幅するにはどうすればよいですか?
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ひずみゲージは、航空宇宙、自動車から土木工学、材料試験に至るまで、幅広い産業で使用される必須のセンサーです。これらのデバイスは、電気抵抗の変化を検出することによって機械的ひずみを測定し、監視および制御システムに貴重なデータを提供します。ただし、ひずみゲージの出力信号は非常に小さいことが多く、実際のアプリケーションで使用するには増幅が必要です。このブログ投稿では、ひずみゲージのサプライヤーとしての私の経験を活かし、ひずみゲージの出力を増幅する効果的な方法をいくつか紹介します。
ひずみゲージ出力の基本を理解する
増幅技術を詳しく説明する前に、ひずみゲージ出力の性質を理解することが重要です。ひずみゲージは通常、加えられたひずみに比例して変化する抵抗を持っています。抵抗の変化は通常非常に小さく、多くの場合は数オーム以下のオーダーです。この抵抗の小さな変化は、ひずみゲージが回路の一部である場合、それに応じてその両端の電圧の小さな変化をもたらします。
ひずみゲージの出力電圧は、次の式を使用して計算できます。
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
どこ：
- (\Delta V) は出力電圧の変化です
- (V_{exc}) はひずみゲージブリッジに印加される励起電圧です
- (G) はひずみゲージのゲージ率です
- (\epsilon) は適用されるひずみです
式からわかるように、出力電圧は励起電圧、ゲージ率、および加えられたひずみに正比例します。ただし、比較的高い励起電圧と大きなゲージ率を使用しても、特に小さなひずみの場合、出力電圧は依然として非常に小さくなる可能性があります。
増幅用のブリッジ構成
ひずみゲージの出力を増加させる最も一般的な方法の 1 つは、ブリッジ構成を使用することです。ホイートストン ブリッジは、ひずみゲージ アプリケーションに最も広く使用されているブリッジ回路です。これは 4 つの抵抗要素で構成されており、ひずみゲージはこれらの要素の 1 つまたは複数です。
クォーターブリッジ構成
クォーター ブリッジ構成では、ホイートストン ブリッジの 4 つの抵抗器のうち 1 つだけがひずみゲージです。他の 3 つの抵抗は固定抵抗です。この構成はシンプルでコスト効率が高くなりますが、他のブリッジ構成と比較して出力が最も低くなります。
ハーフブリッジ構成
ハーフブリッジ構成では 2 つのひずみゲージを使用します。これは、アプリケーションに応じてさまざまな方法で配置できます。たとえば、一方のひずみゲージをひずみの測定に使用し、もう一方のひずみゲージを温度補償ゲージとして使用することができます。ハーフブリッジ構成は、クォーターブリッジ構成よりも高い出力を提供します。
フルブリッジひずみゲージ
フルブリッジ構成では 4 つのひずみゲージが使用されます。この構成は最高の出力を提供し、歪みに対して最も敏感です。また、最適な温度補償も提供します。フルブリッジ構成では、ホイートストンブリッジの 4 つの抵抗器はすべてひずみゲージです。これにより、ひずみによる抵抗変化を最大限に利用できるようになり、クォーターブリッジ構成やハーフブリッジ構成と比べて出力電圧が大幅に大きくなります。
シグナルコンディショニングアンプ
ひずみゲージをブリッジ回路に構成したら、次のステップは出力信号を増幅することです。信号調整アンプは、ひずみゲージやその他のセンサーからの小さな出力信号を増幅するように特別に設計されています。これらのアンプは通常、ひずみゲージ ブリッジへの負荷効果を最小限に抑えるために高入力インピーダンスを備え、正確な信号増幅を保証するために低ノイズを備えています。
計装用アンプ
計装用アンプは、ひずみゲージ信号を増幅するための一般的な選択肢です。これらは、高ゲイン、高コモンモード除去比 (CMRR)、および低オフセット電圧を提供するように設計されています。高い CMRR は、入力信号に存在する可能性のあるコモンモード ノイズを除去するのに役立つため、ひずみゲージのアプリケーションでは特に重要です。
オペアンプ
オペアンプ (オペアンプ) を使用してひずみゲージ信号を増幅することもできます。オペアンプはより汎用的なアンプですが、目的の増幅を実現するためにさまざまな方法で構成できます。ただし、計装アンプと比較して、オペアンプは CMRR が低く、オフセット電圧が高い場合があり、増幅された信号の精度に影響を与える可能性があります。
励起電圧の最適化
ひずみゲージブリッジに印加される励起電圧も、出力電圧の決定に重要な役割を果たします。前述の式に従って、励起電圧を増加すると、ひずみゲージの出力電圧が直接増加します。ただし、励起電圧の増加にはいくつかの制限があります。
消費電力
主な制限の 1 つは消費電力です。励起電圧が増加すると、ひずみゲージによって消費される電力も増加します。これによりひずみゲージが過熱する可能性があり、その精度と信頼性に影響を与える可能性があります。したがって、ひずみゲージの定格電力以内の励起電圧を選択することが重要です。
ノイズと干渉
もう 1 つの考慮事項は、ノイズと干渉です。励起電圧が高くなると、電気ノイズや干渉に対するひずみゲージの影響も大きくなる可能性があります。これにより、信号対雑音比 (SNR) が低下し、測定の精度に影響を与える可能性があります。したがって、高い励起電圧の必要性とノイズや干渉を最小限に抑える必要性のバランスを取ることが重要です。
温度補償
温度変化はひずみゲージの出力に大きな影響を与える可能性があります。温度が変化すると、ひずみが加わっていない場合でも、ひずみゲージの抵抗が変化することがあります。これにより、測定に誤差が生じる可能性があります。したがって、温度補償はひずみゲージ増幅の重要な側面です。
アクティブ温度補償
アクティブな温度補償には、追加のセンサーまたは回路を使用して温度を測定し、それに応じてひずみゲージの出力を調整することが含まれます。たとえば、サーミスターを使用して温度を測定し、ひずみゲージの出力を温度の読み取り値に基づいて調整できます。
パッシブ温度補償
受動的温度補償は、ブリッジ構成を使用して実現できます。たとえば、ハーフブリッジまたはフルブリッジ構成では、1 つまたは複数のひずみゲージを温度補償ゲージとして使用できます。これらのゲージは、測定ひずみゲージと同じ温度変化の影響を受けるが、加えられたひずみの影響を受けないように配置されています。これは、測定ひずみゲージの温度による抵抗変化を打ち消すのに役立ちます。
信号フィルタリング
増幅に加えて、信号フィルタリングもひずみゲージ出力の品質を向上させるために重要です。ノイズや干渉は、電磁干渉 (EMI)、電源ノイズ、機械振動など、さまざまな発生源から信号に混入する可能性があります。
ローパスフィルター
ローパス フィルターは、ひずみゲージ信号から高周波ノイズを除去するために一般的に使用されます。これらのフィルターは、高周波ノイズを減衰しながら、低周波信号 (ひずみ誘起信号を含む) を通過させます。
ハイパスフィルター
ハイパス フィルターを使用すると、DC オフセットや遅いドリフトなどの低周波ノイズを除去できます。これらのフィルターは、高周波信号を通過させ、低周波信号を減衰させます。
結論
ひずみゲージの出力を増幅することは、多くのアプリケーションにおいて重要なステップです。適切なブリッジ構成、信号調整アンプを使用し、励起電圧を最適化し、温度補償を実装し、信号フィルタリングを適用することにより、ひずみゲージの出力を大幅に増加させ、測定精度を向上させることができます。
ひずみゲージのサプライヤーとして、私は高品質のひずみゲージと、増幅と信号調整に必要なサポートを提供することの重要性を理解しています。ひずみゲージをお探しの場合、またはその出力を増幅する方法についてアドバイスが必要な場合は、詳細な説明のために私に連絡することをお勧めします。弊社は協力して、お客様の特定のアプリケーションに最適なソリューションを見つけることができます。
参考文献
- ドーベリン、EO (2003)。測定システム: アプリケーションと設計。マグロウヒル。
- キスラーグループ。 （2021年）。ひずみゲージ技術。 [WebサイトURL]から取得
- オメガエンジニアリング。 （2021年）。ひずみゲージのハンドブック。 [WebサイトURL]から取得
