JPH038481B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ひずみゲージで構成されるホイート
ストンブリツジ回路（以下単に「ブリツジ回路」
という）を用いたひずみ測定装置に係り、更に詳
しくは非安定のブリツジ電圧でブリツジ回路を励
振しても真のひずみ量を測定し得るひずみ測定装
置に関するものである。

本来ひずみゲージで構成されるブリツジ回路に
おいて、ブリツジ回路出力の不平衡電圧は、ひず
みゲージの素材で決定されるゲージ率と、ひずみ
ゲージの抵抗変化に比例したひずみ量と、ブリツ
ジ回路を励振するブリツジ電圧の３種類のパラメ
ータの積で表わされる。

第１図は、上記の関係を説明するためのブリツ
ジ回路の一構成例を示す回路図である。同図にお
いて、Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれＲの抵抗値をもつ
ひずみゲージ、１はこれら４枚のひずみゲージＧ
１〜Ｇ４で構成されたブリツジ回路、２はブリツ
ジ電圧Ｅでブリツジ回路１を励振するブリツジ電
源である。ここでブリツジ回路１の入力端子ｃ，
ｄにブリツジ電源からブリツジ電圧Ｅを供給する
と、ひずみゲージＧ１，Ｇ３およびＧ２，Ｇ４に
はそれぞれひずみ量εに比例した抵抗変化Ｒ＋
ΔRおよびＲ−ΔRが生じ、その結果ブリツジ回
路１の出力端子ａ，ｂ間には次式で示す不平衡電
圧ｅが発生する。

ｅ＝Va−Vb＝Ks・ε・Ｅ …(1) （但しVa：端子ａの電圧、Vb：端子ｂの電
圧、Ks：ひずみゲージの素材で決まる定数で時
間や温度に対して一定な既知数であるひずみゲー
ジのゲージ率、Ｅ：ひずみ測定装置の回路設計に
より選択できるパラメータであるブリツジ電圧） 上記(1)式より明らかなように、もしいかなる条
件下でもブリツジ電圧が定数となるように安定化
したブリツジ電圧Ｅをブリツジ回路１に印加すれ
ば、上記(1)よりひずみ量εのみに比例する不平衡
電圧ｅを得ることができ、不平衡電圧ｅを測定す
ることによつてひずみ量εを求めることができ
る。

なお、第１図は４枚ゲージで構成される一般的
なブリツジ回路で示してあるが、１枚ゲージまた
は２枚ゲージでブリツジ回路を構成した場合には
(1)式で示す不平衡電圧ｅの値がそれぞれ1/4また
は1/2の感度になるだけであり、基本的には前述
した３種類のパラメータの積に比例し、１枚ゲー
ジまたは２枚ゲージでブリツジ回路を構成しても
よい。

第２図は、従来のひずみ測定装置の一例の構成
を示すブロツク図である。この例においては、ひ
ずみ測定装置の内部に安定化したブリツジ電圧Ｅ
を出力するブリツジ電源２を内蔵しその安定化し
たブリツジ電圧Ｅをブリツジ回路１の入力端子
ｃ，ｄに供給するように構成されている。１０
は、従来のひずみ測定装置で、その内部にはブリ
ツジ電源２と、ブリツジ回路１の不平衡電圧ｅを
測定する電圧計３と、その不平衡電圧ｅをひずみ
表示する表示器４を備えている。このひずみ測定
装置１０から離隔した地点に設けられるブリツジ
回路１とひずみ測定装置とは、ケーブル抵抗ｒを
もつ４本の接続ケーブルCa，Cb，Cc，Cdで接続
されている。

ところで、この第２図に示した従来のひずみ測
定装置には、次のような問題があつた。

(イ) 測定精度上の点からブリツジ電圧Ｅは、温度
変化や経時変化に対して安定していることはも
ちろんのこと、一般的に使用される60〜1000Ω
のゲージ抵抗の負荷範囲に対しても励振できる
電流容量をもち、且つ充分に安定性をもつこと
が要求されるが、このような要求を充足させ得
るブリツジ電源は高価とならざるを得ない。

(ロ) ブリツジ回路１とひずみ測定装置１０の設置
場所が離隔して遠くなると、ケーブル抵抗ｒの
値がゲージ抵抗Ｒと比較して無視できなくな
り、充分安定化したブリツジ電圧Ｅを供給して
も実際にブリツジ回路１に印加されるブリツジ
電圧E′は、 E′＝Ｅ・Ｒ／（Ｒ＋2r） なる関係で電圧が低下し、このブリツジ電圧の
低下によつて感度低下誤差が発生する。この感
度低下を防ぐ対策として、(i)ブリツジ電圧をリ
モートセンシング方式で励振する方法、(ii)ブリ
ツジ電圧を定電流で励振する方法および(iii)ブリ
ツジ電源をブリツジ回路側の近傍に設置する方
法、がとられている。

ところが、上記(i)のリモートセンシング方式で
は、ブリツジ回路の入出力ケーブルの芯数が２芯
多くなり計６芯のケーブルを使用する必要があ
る。また、上記(ii)の定電流方式ではケーブル抵抗
の影響はなくなるがひずみゲージの抵抗値によつ
てブリツジ電圧が変わるのでその電流値をゲージ
抵抗値に合わせて調整する必要がある。さらに上
記(iii)のようにブリツジ電源２をブリツジ回路１の
近傍に設置し、直接ブリツジ回路１の入力端子
ｃ，ｄに接続すれば、ケーブル抵抗ｒの感度誤差
は防ぐことができる。しかしながら、通常ブリツ
ジ回路１が設置される場所の温度環境は、ひずみ
測定装置が設置される場所の温度環境よりも厳し
くなり、ブリツジ電圧の安定性の点からブリツジ
電源２をブリツジ回路１の近傍に設置できないこ
とがある。このように上記いずれの方式を採るに
しろ問題があつた。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもの
で、安価で、非安定のブリツジ電圧をもつブリツ
ジ電源でブリツジ回路を励振しても、そのブリツ
ジ電圧の非安定による影響を受けず、真のひずみ
量を測定し得るひずみ測定装置を提供することを
目的としている。

以下図面を参照しながら本発明を詳細に説明す
る。

第３図は、本発明の一実施例の構成を示すブロ
ツク図である。同図中第２図と同一の符号を付し
た部分は同一または相当部分を示す。同図におい
て、２′は、ブリツジ回路１の近傍に設置したブ
リツジ電源で、この実施例の場合乾電池で構成さ
れている。一般的な乾電池の特性は、その放電作
用によつて時間と共にその電圧が低減するし、温
度変化によつてもその影響を受ける。また、新品
の乾電池の電圧値自身もかなりのバラツキがあ
り、ひずみ測定のブリツジ電源として使用する場
合、電気等価的に非安定のブリツジ電圧とみなす
ことができる。ここで、そのブリツジ電圧をEx
とする。１０′は本発明の要部であるひずみ測定
装置本体（以下装置本体という）であり、その内
部は、ブリツジ回路１の出力端子ａ，ｂに発生す
る不平衡電圧exを測定する電圧計３と、ブリツ
ジ回路１の出力側に設けられ、すなわちブリツジ
回路１の出力側から非安定のブリツジ電圧Exを
検出する一対のバツフア増幅器２１，２２とその
バツフア増幅器２１，２２の出力を加算する加算
増幅器と抵抗Ｒ１からなるブリツジ電圧検出回路
２０と、電圧計３の出力（すなわちブリツジ回路
１の不平衡電圧値）ex、ブリツジ電圧検出回路
２０の出力（すなわち、非安定のブリツジ電圧
値）Ex、所定の基準電圧を発生する基準電圧発
生器（図示せず）の出力（すなわち基準電圧値）
Eoの３入力を受けてe′＝ex・Eo／Exなる出力
e′を得るべく演算処理を行なつて自動感度補正処
理をする演算器５と、演算器５の出力e′（＝ex・
Eo／Ex）をひずみ表示する表示器４と、ブリツ
ジ電圧検出回路２０の出力Exが、上限しきい値
電圧VHと下限しきい値電圧VLとの範囲に入つ
ているか否かを比較し、その範囲内に入つている
ときは測定値正常と判定して背定信号を出力し、
上限しきい値VHより高いときまたは下限しきい
値VLより低いとき測定値異常と判定し否定信号
を出力する比較器６と、この比較器６の判定の結
果つまり否定信号が出力されたとき、警報音（ま
たは警報光）を発する警報器７とで構成されてい
る。なお、非安定なブリツジ電源２′は、装置本
体１０′より分離され、ひずみゲージＧ１〜Ｇ４
が設けられた近傍に設置されており、ひずみゲー
ジＧ１〜Ｇ４で構成されるブリツジ回路１の出力
端子ａ，ｂと電圧計３およびブリツジ電圧検出回
路２０の入力端子a′，b′との間は２本の共通のケ
ーブルCa′，Cb′で接続され、前記ブリツジ回路
１の負極側端子ｄとブリツジ電圧検出回路２０の
接地点d′との間はコモンラインとしての１本のケ
ーブルCd′で接続されている。

次に、上記のように構成された実施例の動作に
つき説明する。

安定化されていない、いわゆる非安定の励振電
圧（ブリツジ電圧）Exを出力するブリツジ電源
２によりブリツジ回路１を励磁させたときの不平
衡電圧exは、(1)式より次の(2)式で表わされる。

ex＝Va−Vb＝Ks・ε・Ex …(2) 次に、ブリツジ電圧検出回路２０の動作を説明
する。

第４図は、第１図に示したブリツジ回路１を端
子ａ，ｂ側からみたときの等価回路図を示してい
る。端子ａおよびｂの電圧VaおよびVbは、次の
(3)，(4)式で表わされる。

Va＝Ex／２＋ex／２… (3) Vb＝Ex／２−ex／２… (4) なお、一対のバツフア増幅器２１，２２の入力
端子は、入力インピーダンスが大きく且つ入力バ
イアス電流が小さいのでこれら入力端子を端子
a′，b′に接続することによつて発生するインピー
ダンス整合の問題やひずみ測定精度の問題につい
ては無視することができる。ここで、一対のバツ
フア増幅器２１，２２の出力電圧をE21，E22と
し、加算増幅器２３の出力電圧をE23とすると、
E21，E22は(3)，(4)式から次の(5)，(6)式で表わさ
れる。

E21＝Va＝Ex／２＋ex／２ …(5) E22＝Vb＝Ex／２−ex／２ …(6) 一方、加算増幅器２３の出力E23は、次の(7)式
で表わされる。

E23＝E21＋E22 …(7) (7)式のE23は、(5)，(6)式より次の(8)式となる。

E23＝Va＋Vb＝（Ex／２＋ex／２） ＋（Ex／２−ex／２）＝Ex …(8) 上記(8)式により、ブリツジ電圧検出回路２０の
出力は、Exとなり、ブリツジ回路１の出力側よ
り乾電池を使用した非安定のブリツジ電圧Exを
抽出することができることを示している。

次に演算器５の動作につき説明する。

電圧計３およびブリツジ電圧検出回路２０で検
出した(2)および(8)式で示されるexおよびExと、
基準電圧発生回路から基準電圧Eoとが、演算器
５の入力端子Ｘ，Ｙ，Ｚにそれぞれ入力される
と、演算器５の出力端子Ｗからは、次の(9)式に示
すような出力e′が出力される。

e′＝Ｘ・Ｚ／Ｙ＝ex・Eo／Ex …(9) 上記(9)式に(2)式を代入すれば、次の(10)式が得ら
れる。

e′x＝（Ks・ε・Ex）・Eo／Ex ＝Ks・ε・Eo …(10) ここで、基準電圧Eoが、安定化されたブリツ
ジ電圧Ｅと等しくなるように、すなわちEo＝Ｅ
となるように設定すると(10)式は(1)式と同じにな
る。このことは、演算器５の出力e′が、非安定の
ブリツジ電圧Exでブリツジ回路１を励振しても
ブリツジ電圧の非安定による影響を受けない、換
言すれば、安定したブリツジ電圧Ｅでブリツジ回
路１を励振した場合と同じ不平衡電圧ｅになるこ
とを示している。この演算器５の出力e′を表示器
４によつてひずみ（ε）を表示する。

ところで、実際の使用上、この非安定のブリツ
ジ電圧Exの値は、無限に選択できるわけではな
く、ある上限および下限のしきい値の許容範囲内
でなければならないという制約を受ける。そこ
で、第２の発明においては、ブリツジ電圧検出回
路２０の出力Exを、上限しきい値（電圧）VHと
下限のしきい値（電圧）VLをもつ比較器６に入
力し、その比較器６によつて、測定値の正常また
は異常を判定するようにしている。すなわち、比
較器６は、ブリツジ電圧検出回路２０の出力Ex
を、予め設定した上限しきい値VHおよび下限し
きい値VLと比較し、そのブリツジ電圧Exが上限
および下限のしきい値間にあるとき測定値正常と
判定して肯定信号を出力し、一方上限しきい値
VHより高いときまたは下限しきい値VLより低
いとき測定値異常と判定して否定信号を出力す
る。そして、この比較器６から測定値異常を示す
否定信号を警報器７が受けたとき、この警報器７
は、警報音または警報光を発するので、これによ
りオペレータはそのときの測定値は精度保証され
ないものであることを認識することができる。

次に、この上限および下限しきい値VHおよび
VLの設定方法について説明する。

先ず、上限しきい値VHについては、ブリツジ
回路１とひずみ測定装置１０′の条件から制限さ
れるいずれか低い方のVHで決定される。ブリツ
ジ回路１の条件は、ひずみゲージとひずみゲージ
の接着される被供試体の熱容量で制限される。ひ
ずみゲージ自身は、ある抵抗値をもち、そのひず
みゲージにブリツジ電圧を印加するとひずみゲー
ジに電流が流れる。すると、ひずみゲージ自身の
自己加熱によつてひずみゲージの抵抗値が変化す
る。その結果、不平衡電圧ｅが変化し測定誤差が
発生する。さらに、過大電圧を印加すると最後に
はひずみゲージを焼損せしめるに至る。そのた
め、ひずみゲージの自己加熱による誤差が精度上
無視できるブリツジ電圧以下でなければならな
い。また、もう一方のひずみ測定装置１０′の条
件は、装置内部の各回路部の測定ダイナミツクレ
ンジの最大値で制限される。(2)式より、不平衡電
圧exのひずみ感度は、ブリツジ電圧が高ければ
大きくなるので最大測定ひずみ量のときの不平衡
電圧が、ひずみ測定装置１０′の測定ダイナミツ
クレンジ内になければならない。上述した２つの
要因で制限される最大ブリツジ電圧の低い方が上
限しきい値VHとして設定されることになる。

一方、下限しきい値VLについては、ブリツジ
回路１の不平衡電圧の信号レベルとひずみ測定装
置１０′の内部ノイズ信号レベルとの関係で制限
を受ける。(2)式より今度は、不平衡電圧のひずみ
感度は、ブリツジ印加電圧が低ければ小さくな
り、同じひずみ量であつてもその信号レベルは低
くなる。また、一方では、装置本体１０′は、内
部に装置自身が発生する固有のノイズレベルをも
つているので信号レベルがこのノイズレベルより
低くなると、ひずみ測定ができなくなる。上述し
た要因で下限しきい値VLが設定（または選択）
されることになる。

なお、本発明は、上述し且つ図面に示した実施
例にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲で種々の変形実施が可能であること
はいうまでもない。

例えば、第３図示の実施例においては、ブリツ
ジ電源２′として乾電池を用いた例につき説明し
たが他の非安定のブリツジ電源を用いてもよい。

また、装置本体１０′の内部回路をアナログ回
路またはデイジタル回路で構成したりあるいはア
ナログ、デイジタル混用の回路で構成してもよ
い。

以上詳述したように、第１の発明のひずみ測定
装置によれば、次のような利点が得られる。

第１に、ブリツジ電圧が、温度変化や経時変化
に対しさらには負荷変動に対して安定でなくても
よいので、ブリツジ電源の回路設計が容易にな
り、また安価に製作可能となる。

そして、本発明では、ブリツジ電源の他に安定
な基準電圧を生成する基準電圧発生回路を用いて
いるが、これはホイートストンブリツジを励振す
る訳ではない（換言すれば一般的に使用される60
〜1000Ωのひずみゲージ抵抗の負荷範囲に対して
励振する訳ではない）ので、電流容易も小さいも
ので足り、従つて安価にしかも小型に構成でき
る。

さらには、この基準電圧発生回路は、ブリツジ
回路を励振する訳ではないので、該ブリツジ回路
の近傍に置く必要はなく、従つて、ひずみゲージ
が設置される厳しい温度環境より緩やかで安定的
な温度環境下に設置されるひずみ測定装置内に設
けることができるから、この点でも安価な電圧発
生回路を用いることができる。

第２に、非安定のブリツジ電圧でブリツジ回路
を励振してもその非安定さの影響を受けず真のひ
ずみ量を測定できるため、ブリツジ電源の使用可
能温度範囲が従来のものより広がり、その結果、
ブリツジ電源をブリツジ回路の近傍に設置可能と
なる。ブリツジ回路の近傍にブリツジ電源を設置
することによつて、ブリツジ回路を装置本体間の
ケーブル抵抗による感度誤差をなくすことができ
る。また従来の方法では、４芯ケーブルを使用し
なければならなかつたが、本発明では３芯ケーブ
ルで信号の授受が可能となる。

また、第２の発明（特許請求の範囲第５項記載
の発明）によれば、ブリツジ電圧検出回路で検出
した非安定のブリツジ電圧が適正レベル内に入つ
ているか否かを検出器で判定しその判定結果を警
報器で警報するように構成してあるので、異常な
測定値を測定することがなくなり、信頼の高い測
定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブリツジ回路の不平衡電圧の測定原
理を説明するための回路構成図、第２図は従来の
ひずみ測定装置の一例の構成を示すブロツク図、
第３図は本発明の一実施例の構成を示すブロツク
図、第４図は第１図示のブリツジ回路の等価回路
図である。 １……ホイートストンブリツジ回路、２，２′
……ブリツジ電源、３……電圧計、４……表示
器、５……演算器、６……比較器、７……警報
器、１０，１０′……ひずみ測定装置（装置本
体）、２０……ブリツジ電圧検出回路、２１，２
２……バツフア増幅器、２３……加算増幅器、Ｇ
１〜Ｇ４……ひずみゲージ、Ｅ……安定化したブ
リツジ電圧、Ex……非安定のブリツジ電圧、ｒ
……ケーブル抵抗、Ｒ……ひずみゲージの抵抗、
Ｒ１……抵抗、Eo……基準電圧、VH，VL……
上限および下限しきい値、Ca，Cb，Cc，Cd，
Ca′，Cb′，Cd′……ケーブル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ひずみゲージで構成されるホイートストンブ
   リツジ回路を用いたひずみ測定装置において、非
   安定の励振電圧を出力し前記ホイートストンブリ
   ツジ回路の入力側にブリツジ電圧を供給するブリ
   ツジ電源と、一対のバツフア増幅器とこれら一対
   のバツフア増幅器の出力を加算し検出出力を得る
   加算増幅器から成り前記ホイートストンブリツジ
   回路の出力側に設けられ前記非安定のブリツジ電
   圧を検出するブリツジ電圧検出回路と、前記ホイ
   ートストンブリツジ回路の不平衡電圧を測定する
   電圧計と、安定化された所定の基準電圧を発生す
   る基準電圧発生回路と、この基準電圧発生回路の
   出力Eoと前記ブリツジ電圧検出回路の出力Exと
   前記電圧計の出力e_xとを入力として受けそれらの
   入力をもとに e′＝e_x・Eo／Ex なる演算を行い、前記非安定のブリツジ電圧によ
   るひずみ感度誤差を補正し真のひずみ量に応じた
   出力e′を送出する演算器とを具備したことを特徴
   とするひずみ測定装置。 ２ 非安定なブリツジ電源のみを装置から分離し
   その分離したブリツジ電源をひずみゲージの近傍
   に設置し、ホイートストンブリツジ回路の出力端
   と電圧計の入力端およびブリツジ電圧検出回路の
   入力端との間を２本の共通のケーブルで接続し、
   前記ホイートストンブリツジ回路の一方の入力端
   と前記ブリツジ電圧検出回路の接地点とを１本の
   ケーブルで接続したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のひずみ測定装置。 ３ ひずみゲージ構成されるホイートストンブリ
   ツジ回路を用いたひずみ測定装置において、非安
   定の励振電圧を出力し前記ホイートストンブリツ
   ジ回路の入力側にブリツジ電圧を供給するブリツ
   ジ電源と、一対のバツフア増幅器とこれら一対の
   バツフア増幅器の出力を加算し検出出力を得る加
   算増幅器から成り前記ホイートストンブリツジ回
   路の出力側に設けられ前記非安定のブリツジ電圧
   を検出するブリツジ電圧検出回路と、前記ホイー
   トストンブリツジ回路の不平衡電圧を測定する電
   圧計と、安定化された所定の基準電圧を発生する
   基準電圧発生回路と、この基準電圧発生回路の出
   力Eoと前記ブリツジ電圧検出回路の出力Exと前
   記電圧計の出力e_xとを入力として受けそれらの入
   力をもとに e′＝e_x・Eo／Ex なる演算を行い、前記非安定のブリツジ電圧によ
   るひずみ感度誤差を補正し真のひずみ量に応じた
   出力e′を送出する演算器と、前記ブリツジ電圧検
   出回路により検出された非安定な電圧を、予め設
   定した上限しきい値および下限しきい値と比較
   し、そのブリツジ電圧が上限および下限のしきい
   値間にあるとき測定値正常と判定して肯定信号を
   出力し、上限しきい値より高いときまたは下限し
   きい値より低いとき測定値異常と判定して否定信
   号を出力する比較器と、この比較器の出力を受け
   その判定結果に応じて警報する警報器とを具備し
   たことを特徴とするひずみ測定装置。