JP3757226B2 - Carrier type 3-wire strain measurement system - Google Patents
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本発明は、抵抗式ひずみゲージを含むブリッジ回路の電源として交流電源電圧を用いる搬送波型3線式ひずみ測定システムに関する。 The present invention relates to a carrier-type three-wire strain measurement system that uses an AC power supply voltage as a power supply for a bridge circuit including a resistance strain gauge.
物体に生じるひずみを抵抗式ひずみゲージ(ひずみに応じて抵抗値が変化するひずみゲージ)を用いて測定する場合、物体に貼着するひずみゲージの微小な抵抗値変化を検出するために、通常、複数の固定抵抗値の抵抗体からなる抵抗回路にひずみゲージを接続してブリッジ回路(詳しくはホイートストンブリッジ回路)を構成するようにしている。そして、このブリッジ回路に電源電圧を付与しつつ、ひずみゲージの抵抗値変化に応じた信号電圧をブリッジ回路から出力させ、この信号電圧に基づいてひずみ測定を行うようにしている。 When measuring strain generated in an object using a resistance-type strain gauge (a strain gauge whose resistance value changes according to the strain), in order to detect a minute resistance value change of the strain gauge attached to the object, A strain gauge is connected to a resistance circuit composed of a plurality of resistors having a fixed resistance value to constitute a bridge circuit (specifically, a Wheatstone bridge circuit). Then, while applying a power supply voltage to the bridge circuit, a signal voltage corresponding to a change in the resistance value of the strain gauge is output from the bridge circuit, and the strain measurement is performed based on the signal voltage.
この場合、ブリッジ回路の電源電圧として、交流電圧を使用する搬送波型のひずみ測定システムが一般に知られている。この搬送波型のひずみ測定システムでは、前記ブリッジ回路から出力される信号電圧は、電源電圧と同一周波数の搬送波(キャリア)をひずみゲージの抵抗値変化に応じて振幅変調したものとなり、この信号電圧から、搬送波成分を除去することで、ひずみゲージの抵抗値変化に応じた信号成分を得るようにしている。 In this case, a carrier-type distortion measurement system that uses an AC voltage as the power supply voltage of the bridge circuit is generally known. In this carrier-type strain measurement system, the signal voltage output from the bridge circuit is obtained by amplitude-modulating a carrier wave having the same frequency as the power supply voltage in accordance with a change in the resistance value of the strain gauge. By removing the carrier wave component, a signal component corresponding to the change in resistance value of the strain gauge is obtained.
一方、ひずみゲージを含むブリッジ回路の構成及びその出力の測定手法として、所謂3線式のものが知られている。この3線式の測定手法を図9を参照して説明する。図示のように、ひずみゲージAの一端には、第1リード線a1が接続されると共に、他端には、第2及び第3リード線a2,a3の2本のリード線が接続される。これらのリード線a1〜a3は、通常はひずみゲージAにあらかじめ結線されている。このひずみゲージAと合わせてブリッジ回路Bを構成するための抵抗回路Cは、図示のように直列に接続された3個の固定抵抗値の抵抗体D2〜D4を備え、ひずみゲージAの一端が前記第1リード線a1を介して抵抗体D4に接続されると共に、他端が第2リード線a2を介して抵抗体D2に接続される。これにより、ひずみゲージAを第1〜第4辺(4つの辺)のうちの一つである第1辺b1に含むブリッジ回路Bが構成される。 On the other hand, a so-called three-wire type is known as a configuration of a bridge circuit including a strain gauge and a method for measuring its output. The three-wire measurement method will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the first lead wire a1 is connected to one end of the strain gauge A, and the two lead wires of the second and third lead wires a2 and a3 are connected to the other end. These lead wires a1 to a3 are usually connected to the strain gauge A in advance. The resistance circuit C for constituting the bridge circuit B together with the strain gauge A includes three fixed resistance resistors D2 to D4 connected in series as shown in the figure, and one end of the strain gauge A is The other end is connected to the resistor D2 via the second lead wire a2 while being connected to the resistor D4 via the first lead wire a1. Thereby, the bridge circuit B including the strain gauge A on the first side b1 which is one of the first to fourth sides (four sides) is configured.
このブリッジ回路Bは、より詳しくは、その第1辺b1がひずみゲージAと第1リード線a1とから構成され、この第1辺b1にひずみゲージAの他端を介して隣接する第2辺b2が前記第2リード線a2と抵抗体D2とから構成される。そして、第1辺b1の対辺である第3辺b3と、第2辺b2の対辺である第4辺b4とがそれぞれ抵抗体D3,D4から構成される。また、第1辺b1と第4辺b4との交点I1(第1リード線a1と抵抗体D4との接続点)と、第2辺b2と第3辺b3との交点I2(抵抗体D2と抵抗体D3との接続点)とがブリッジ回路Bの一対の電源入力部I1,I2(これらはブリッジ回路Bの一対の対角点である)とされ、この電源入力部I1,I2間に電源電圧ein(搬送波型のひずみ測定システムでは交流電圧)が付与される。また、第1辺b1と第2辺b2との交点O1(ひずみゲージAの他端)と、第3辺b3と第4辺b4との交点O2(抵抗体D3と抵抗体D4との接続点)とがブリッジ回路Bの一対の出力部O1,O2(これらはブリッジ回路Bの他の一対の対角点である)とされ、この出力部O1,O2間に発生する電圧eoutが前記信号電圧として得られる。この場合、出力部O1の電位は、前記第3リード線を介して抽出される。 More specifically, the bridge circuit B has a first side b1 composed of a strain gauge A and a first lead wire a1, and a second side adjacent to the first side b1 via the other end of the strain gauge A. b2 includes the second lead wire a2 and the resistor D2. A third side b3 that is the opposite side of the first side b1 and a fourth side b4 that is the opposite side of the second side b2 are configured by resistors D3 and D4, respectively. Further, an intersection point I1 (a connection point between the first lead wire a1 and the resistor D4) between the first side b1 and the fourth side b4, and an intersection point I2 (the resistor D2 with the second side b2 and the third side b3). (A connection point with the resistor D3) is a pair of power input portions I1 and I2 of the bridge circuit B (these are a pair of diagonal points of the bridge circuit B), and a power source is connected between the power input portions I1 and I2. A voltage ein (an AC voltage in a carrier type strain measurement system) is applied. Further, the intersection point O1 (the other end of the strain gauge A) between the first side b1 and the second side b2 and the intersection point O2 (the connection point between the resistor D3 and the resistor D4) between the third side b3 and the fourth side b4. ) Is a pair of output portions O1 and O2 of the bridge circuit B (these are the other pair of diagonal points of the bridge circuit B), and the voltage eout generated between the output portions O1 and O2 is the signal voltage. As obtained. In this case, the potential of the output unit O1 is extracted through the third lead wire.
このような3線式のものは、第1リード線a1と第2リード線a2とが、それぞれブリッジ回路Bの異なる辺(第1辺b1、第2辺b2)に含まれることとなる。このため、第1リード線a1,a2の長さや材質、径を同一として、環境温度の変化による第1及び第2リード線a1,a2の抵抗値変化がほぼ同一となるようにしておけば、ブリッジ回路Bの出力電圧eoutは、第1及び第2リード線a1,a2の抵抗値変化の影響を受けないものとなる。このため、3線式のひずみ測定手法は、第1リード線a1,a2の長さが比較的長いものとなる場合に、第1及び第2リード線a1,a2の抵抗値変化の影響を排除し得る有用な手法として多くのひずみ測定で用いられている。 In such a three-wire type, the first lead wire a1 and the second lead wire a2 are included in different sides (first side b1, second side b2) of the bridge circuit B, respectively. For this reason, if the length, material, and diameter of the first lead wires a1 and a2 are the same, and the resistance value changes of the first and second lead wires a1 and a2 due to changes in the environmental temperature are substantially the same, The output voltage eout of the bridge circuit B is not affected by the resistance value change of the first and second lead wires a1 and a2. For this reason, the three-wire strain measurement method eliminates the influence of changes in the resistance values of the first and second lead wires a1 and a2 when the lengths of the first lead wires a1 and a2 are relatively long. It is a useful technique that can be used in many strain measurements.
ところで、3線式のひずみ測定システムでは、前記第1〜第3リード線a1〜a3が比較的長いものとなる。特に、多数のひずみゲージを物体に貼り付けて多点ひずみ測定を行う場合には、各ひずみゲージを共通の抵抗回路に切り替え接続して、各測定点毎に順番にブリッジ回路を構成することが一般的であるので、各ひずみゲージに対応する第1〜第3リード線a1〜a3が長いものとなりやすい。そして、このような場合において、ブリッジ回路Bの電源として交流電源を用いる搬送波型のひずみ測定システムでは、ひずみゲージAに接続されるリード線a1〜a3間に存在する浮遊容量が、ブリッジ回路Bの出力電圧eoutに影響を及ぼし、ひずみ測定の誤差要因となることが一般に知られている。例えば、ひずみゲージAのひずみが生じていない状態でも、浮遊容量の影響によってブリッジ回路Bの不平衡(初期不平衡)を生じ、該ブリッジ回路Bの出力電圧eoutから測定されるひずみ値は0にならない。また、浮遊容量は環境温度等によって変化し、その結果、ひずみゲージのひずみが一定であっても、ブリッジ回路Bの出力電圧eoutが変化してしまう。従って、搬送波型のひずみ測定システムでは、上記浮遊容量の影響をできるだけ排除することが重要な課題となっている。 Incidentally, in the three-wire strain measurement system, the first to third lead wires a1 to a3 are relatively long. In particular, when multipoint strain measurement is performed by attaching a large number of strain gauges to an object, it is possible to switch and connect each strain gauge to a common resistance circuit and configure a bridge circuit in order for each measurement point. Since it is general, the first to third lead wires a1 to a3 corresponding to the respective strain gauges tend to be long. In such a case, in the carrier wave type strain measurement system using an AC power source as the power source of the bridge circuit B, the stray capacitance existing between the lead wires a1 to a3 connected to the strain gauge A is It is generally known that the output voltage eout is affected and becomes a distortion measurement error factor. For example, even when no strain is generated in the strain gauge A, the bridge circuit B is unbalanced (initial unbalance) due to the stray capacitance, and the strain value measured from the output voltage eout of the bridge circuit B is zero. Don't be. Further, the stray capacitance changes depending on the environmental temperature or the like. As a result, the output voltage eout of the bridge circuit B changes even if the strain of the strain gauge is constant. Therefore, in the carrier wave type strain measurement system, it is an important subject to eliminate the influence of the stray capacitance as much as possible.
この場合、浮遊容量の影響を排除する手法としては、従来、例えば特公平2−16441号公報(特許文献1)、あるいは特公平2−16962号公報(特許文献2)に見られるものが知られている。 In this case, as a technique for eliminating the influence of the stray capacitance, conventionally, for example, one shown in Japanese Patent Publication No. 2-16441 (Patent Document 1) or Japanese Patent Publication No. 2-16962 (Patent Document 2) is known. ing.
特許文献1に見られる技術は、ブリッジ回路の出力電圧の虚数成分(容量成分)に応じた電圧をブリッジ回路の一対の出力部のうちの一つに定容量コンデンサを介して帰還することで、浮遊容量によるブリッジ回路の初期不平衡を解消するようにしたものである。また、特許文献2に見られる技術は、ブリッジ回路の出力電圧の虚数成分(容量成分)に応じて、ブッリジ回路の初期不平衡による出力電圧の虚数成分(容量成分)および実数成分(抵抗成分)を打ち消すための打ち消し信号を生成し、それをブリッジ回路の出力電圧に重畳するようにしたものである。
The technique found in
しかしながら、これらの特許文献1,2に見られる技術は、ブリッジ回路の一辺にのみ、浮遊容量による容量成分が存在することを前提とするものである。このため、これらの技術を、特に3線式の搬送波型測定システムに適用しても、浮遊容量の影響を十分に排除することは困難である。なぜなら、3線式のひずみ測定システムでは、前記図9に示したように、ブリッジ回路Bの第1辺b1と第2辺b2とにそれぞれ第1リード線a1、第2リード線a2が組み込まれることとなるため、少なくともそれらの第1辺a1及び第2辺a2に浮遊容量による容量成分が組み込まれることとなる。従って、ブリッジ回路Bの一辺のみに容量成分が存在することを前提とする前記特許文献1,2の技術では、浮遊容量の影響を十分に排除することは困難であった。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、搬送波型3線式ひずみ測定システムにおいて、ひずみゲージに接続するリード線間の浮遊容量及びその変化の影響を適正に排除し、精度の良いひずみ測定を行うことができるひずみ測定システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and in a carrier-type three-wire strain measurement system, the stray capacitance between lead wires connected to a strain gauge and the influence of the change are appropriately eliminated, and a high-precision strain is obtained. An object of the present invention is to provide a strain measurement system capable of performing measurement.
本発明のひずみ測定システムは、抵抗式ひずみゲージの一端に接続された第1リード線と、他端に接続された第2リード線とを複数の固定抵抗値の抵抗体からなる抵抗回路に接続することにより、第1辺が該ひずみゲージ及び第1リード線から構成されると共に、その第1辺に前記ひずみゲージの他端を介して連接する第2辺が前記第2リード線及び固定抵抗値の抵抗体から構成され、且つ、これらの第1辺及び第2辺のそれぞれの対辺となる第3辺及び第4辺が固定抵抗値の抵抗体から構成されるブリッジ回路を形成し、このブリッジ回路の第1辺と第4辺との交点と、第2辺と第3辺との交点とを一対の電源入力部として該電源入力部に交流電源電圧を付与しつつ、前記第1辺と第2辺との交点としての前記ひずみゲージの他端と、前記第3辺と第4辺との交点とを一対の出力部として該出力部に発生する信号電圧を前記ひずみゲージの他端に前記第2リード線とは別に接続された第3リード線を用いて測定し、その測定した信号電圧からひずみゲージに生じたひずみを測定する搬送波型3線式ひずみ測定システムにおいて、前記ブリッジ回路の第2辺を構成する抵抗体及び第2リード線のうちの該抵抗体を前記ひずみゲージの近傍に配置して、該抵抗体及び第2リード線をこの順番で前記ひずみゲージの他端から直列に連接し、該第2リード線の該抵抗体と反対側の端部を前記第3辺を構成する抵抗体に接続したことを特徴とするものである。 In the strain measurement system of the present invention, a first lead wire connected to one end of a resistance strain gauge and a second lead wire connected to the other end are connected to a resistor circuit composed of a plurality of resistors having fixed resistance values. Thus, the first side is composed of the strain gauge and the first lead wire, and the second side connected to the first side via the other end of the strain gauge is the second lead wire and the fixed resistance. A bridge circuit composed of a resistor having a fixed resistance value, and a third side and a fourth side, which are opposite sides of the first side and the second side, are formed of a resistor having a fixed resistance value. Using the intersection of the first side and the fourth side of the bridge circuit and the intersection of the second side and the third side as a pair of power input units, while applying an AC power supply voltage to the power input unit, the first side And the other end of the strain gauge as an intersection of the second side, Using a third lead wire connected to the other end of the strain gauge separately from the second lead wire, with the intersection of the three sides and the fourth side serving as a pair of output portions, In a carrier-type three-wire strain measurement system that measures and measures strain generated in a strain gauge from the measured signal voltage, the resistor of the second side of the bridge circuit and the resistance of the second lead wire A body is disposed in the vicinity of the strain gauge, and the resistor and the second lead wire are connected in series from the other end of the strain gauge in this order, and the end of the second lead wire opposite to the resistor body The portion is connected to a resistor constituting the third side.
詳細は後述するが、搬送波型3線式ひずみ測定システムにおいて、前記第1〜第3リード線の間の浮遊容量の影響を好適に排除するためには、ブリッジ回路の第1〜第4辺のうち、前記第1リード線及び第2リード線が組み込まれる辺、すなわち第1辺及び第4辺の容量成分(浮遊容量によってこれらの辺に等価的に組み込まれる容量成分(より詳しくは、これらの辺のそれぞれの抵抗値成分に対して並列な等価容量として表される容量成分))が等しくなるようにすればよい。 Although details will be described later, in the carrier-type three-wire strain measurement system, in order to suitably eliminate the influence of the stray capacitance between the first to third lead wires, the first to fourth sides of the bridge circuit Of these, the side where the first lead wire and the second lead wire are incorporated, that is, the capacitance component of the first side and the fourth side (capacitance component equivalently incorporated into these sides by stray capacitance (more specifically, these components) The capacitance components)) expressed as parallel equivalent capacitances may be equal to the resistance value components of the sides.
ここで、本発明によれば、ブリッジ回路の第2辺を構成する抵抗体及び第2リード線のうちの抵抗体がひずみゲージの近傍に配置される。そして、該抵抗体及び第2リード線が、この順番で該ひずみゲージの他端から直列に連接され、さらに、該第2リード線の、該抵抗体と反対側の端部がブリッジ回路の第3辺を構成する抵抗体に接続される。すなわち、より厳密に言えば、ひずみゲージの他端に、ブリッジ回路の第2辺の構成要素である抵抗体の一端が接続され、この抵抗体の他端に第2リード線の一端が接続され、該第2リード線の他端が、ブリッジ回路の第3辺を構成する抵抗体の一端に接続される。なお、この場合、別の言い方をすれば、第2リード線は、第2辺の構成要素である抵抗体を介してひずみゲージに接続されることとなる。また、第2リード線の、該抵抗体と反対側の端部は、ブリッジ回路の第2辺と第3辺との交点に相当するものとなる。 Here, according to the present invention, the resistor constituting the second side of the bridge circuit and the resistor of the second lead wires are arranged in the vicinity of the strain gauge. The resistor and the second lead wire are connected in series from the other end of the strain gauge in this order, and the end of the second lead wire on the side opposite to the resistor is connected to the bridge circuit first. It is connected to a resistor that constitutes three sides. More specifically, to be more precise, one end of a resistor that is a component of the second side of the bridge circuit is connected to the other end of the strain gauge, and one end of the second lead wire is connected to the other end of the resistor. The other end of the second lead wire is connected to one end of a resistor constituting the third side of the bridge circuit. In this case, in other words, the second lead wire is connected to the strain gauge via a resistor which is a component on the second side. The end of the second lead wire on the side opposite to the resistor corresponds to the intersection of the second side and the third side of the bridge circuit.
このような接続構成によれば、ブリッジ回路の第1辺及び第4辺の容量成分をほぼ等しくすることが可能となる。なお、この場合において、第1〜第3リード線は、その長さはほぼ等しいことが好適であり、また、それらの第1〜第3リード線を互いに沿わせるようにして(束になるようにして)配線することが好適である。 According to such a connection configuration, the capacitance components of the first side and the fourth side of the bridge circuit can be made substantially equal. In this case, it is preferable that the first to third lead wires have substantially the same length, and the first to third lead wires are aligned with each other (to be bundled). Wiring) is preferred.
このように、本発明によれば、第1リード線及び第2リード線が組み込まれるブリッジ回路の第1辺及び第4辺の容量成分(第1〜第3リード線間の浮遊容量による容量成分)をほぼ等しくすることができることから、その浮遊容量やその変化の影響をほとんど受けない信号電圧をブリッジ回路から出力することが可能となる。従って、ひずみゲージに接続するリード線間の浮遊容量及びその変化の影響を適正に排除し、精度の良いひずみ測定を行うことができる。 As described above, according to the present invention, the capacitance components of the first side and the fourth side of the bridge circuit in which the first lead wire and the second lead wire are incorporated (capacitance component due to the stray capacitance between the first to third lead wires). ) Can be made substantially equal, it is possible to output from the bridge circuit a signal voltage that is hardly affected by the stray capacitance or the change. Therefore, it is possible to appropriately eliminate the stray capacitance between the lead wires connected to the strain gauge and the influence of the change, and perform accurate strain measurement.
本発明の搬送波型3線式ひずみ測定システムの一実施形態を以下に図1〜図8を参照して説明する。図1は、本実施形態のひずみ測定システムの全体構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態のひずみ測定システムは、ひずみゲージ1(抵抗式ひずみゲージ)と、ブリッジボックス2と、測定器3とを備えている。ひずみゲージ1とブリッジボックス2とはケーブル4を介して接続され、ブリッジボックス2と測定器3とはケーブル5を介して接続されている。
An embodiment of a carrier-type three-wire strain measurement system of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the strain measurement system of the present embodiment. As shown in the figure, the strain measurement system of the present embodiment includes a strain gauge 1 (resistance strain gauge), a
ケーブル4は、第1〜第3の3本のリード線4a,4b,4cを有しており、これらを互いに沿わせつつ、図示しないカバーチューブやバンド部材等により束ねたものである。第1リード線4a及び第3リード線4cは、それぞれひずみゲージ1の一端1a、他端1bにあらかじめ半田付けなどにより接続されている。また、ひずみゲージ1の他端1bには、第3リード線4cと共に、固定抵抗値の抵抗体6があらかじめ半田付けなどにより接続されており、この抵抗体6のひずみゲージ1側と反対側の端部に第2リード線4bが半田付けなどにより接続されている。従って、抵抗体6及び第2リード線4bは、この順番で、ひずみゲージ1の他端1bから直列に連接されている。この場合、抵抗体6は、ひずみゲージ1の近傍(ひずみゲージ1と抵抗体6との間の距離が第1〜第3リード線4a,4b,4c長さに比して十分に小さくなるような位置)に配置されている。そして、第1〜第3リード線4a,4b,4cは、ほぼ同一の長さとされるとともに、その材質および径も互いに同一とされている。また、これらの第1〜第3リード線4a,4b,4cのひずみゲージ1と反対側の端部は、ブリッジボックス2に設けられた接続端子2a,2b,2cに各々接続されている。
The
なお、抵抗体6としては、通常的な抵抗素子を用いればよいことはもちろんであるが、ひずみゲージ1とは別のひずみゲージを用いてもよい。
Note that, as the
ブリッジボックス2は、前記ひずみゲージ1及び抵抗体6と併せてブリッジ回路(ホイートストンブリッジ回路。詳細は後述する)を構成するための抵抗回路7を内臓していると共に、該ブリッジ回路に与える電源電圧(交流電圧)einを外部から導入するための一対の電源入力端子2d,2eと、該ブリッジ回路の出力(信号電圧)eoutを外部に出力するための一対の出力端子2f,2gとを備えている。
The
この場合、図示のように、第3リード線4cを接続する接続端子2cは、ブリッジボックス2の内部で出力端子2fに同電位に導通されている。また、第2リード線4bを接続する接続端子2b及び第1リード線4aを接続する接続端子2aはそれぞれ、ブリッジボックス2の内部で電源入力端子2d,2eに同電位に導通されている。
In this case, as shown in the figure, the connection terminal 2c for connecting the
前記抵抗回路7は、接続端子2bと2aとの間に直列に接続された一対の固定抵抗値の抵抗体8,9からなり、これらの抵抗体8,9の中点がスイッチボックス2の内部で前記出力端子2gに同電位に導通されている。
The resistor circuit 7 includes a pair of resistors 8 and 9 having a fixed resistance value connected in series between the
なお、上記したブリッジボックス2の端子同士の導通や、抵抗回路7に関する導通・接続は、例えば図示しない回路基板の回路パターンによってなされている。また、前記抵抗体6,8,9の抵抗値は、ひずみゲージ1の公称抵抗値(ひずみゲージ1のひずみを生じていない状態での抵抗値)と同一とされている。
In addition, the conduction | electrical_connection between the terminals of the above-mentioned
以上のようなひずみゲージ1とブリッジボックス2との接続構成並びに該ブリッジボックス2の構成によって、回路構成上は、図2に示すようなブリッジ回路10が構成されることとなる。このブリッジ回路10では、その4つの辺のうちの第1辺10a(図の左上の辺)がひずみゲージ1と第1リード線4aとから構成され、この第1辺10aにひずみゲージ1の他端1bを介して連接する第2辺10b(図の右上の辺)が抵抗体6と第2リード線4bとから構成される。また、第1辺10aの対辺である第3辺10c(図の右下の辺)と、第2辺10bの対辺である第4辺10d(図の左下の辺)とがそれぞれ抵抗体8,9により構成される。
A
そして、第1辺10aと第4辺10dとの交点としての接続端子2aと、第2辺10bと第3辺10cの交点としての接続端子2bとがブリッジ回路10の一対の電源入力部I1,I2となり、これらの電源入力部I1,I2にブリッジボックス2の電源入力端子2e,2dを介して交流電源電圧einが付与されることとなる。さらに、第1辺10aと第2辺10bとの交点としてのひずみゲージ1の他端1bと、第3辺10cと第4辺10dとの交点としての抵抗体8,9の中点とがブリッジ回路10の一対の出力部O1,O2となり、これらの出力部O1,O2から、ブリッジボックス2の出力端子2f,2gを介してブリッジ回路10の出力(信号電圧)eoutが取り出されることとなる。この場合、ひずみゲージ1の他端1bの電位は、第3リード線4c、接続端子2cを介して出力端子2fに抽出される。
The connection terminal 2a as the intersection of the first side 10a and the
図1の説明に戻って、前記ケーブル5は、一対の電源供給線5a,5bと一対の信号線5c,5dとを図示しないカバーチューブやバンド部材等により束ねて構成されており、電源供給線5a,5bをそれぞれブリッジボックス2の電源入力端子2d,2eに接続すると共に、信号線5c,5dをそれぞれブリッジボックス2の出力端子2f,2gに接続している。なお、ケーブル5は、電源供給線5a,5bと、信号線5c,5dとで各別に備えてもよい。
Returning to the description of FIG. 1, the cable 5 is configured by bundling a pair of power supply lines 5a and 5b and a pair of signal lines 5c and 5d by a cover tube, a band member, or the like (not shown). 5a and 5b are connected to power
前記測定器3は、ケーブル5の電源供給線5a,5b及び信号線5c,5dの、ブリッジボックス2側と反対側の端部をそれぞれ接続する接続端子3a,3b,3c,3dを備えると共に、接続端子3a,3b間に、前記ブリッジ回路10に付与すべき所定周波数(例えば5kHz、10kHz)の交流電源電圧einを発生する交流電源部11と、接続端子3c,3dから入力されるブリッジ回路10の出力eoutからひずみ測定処理(ひずみ測定値を求める処理)を行うひずみ測定処理部12とを内臓している。
The measuring instrument 3 includes connection terminals 3a, 3b, 3c, 3d for connecting the ends of the power supply lines 5a, 5b and signal lines 5c, 5d of the cable 5 opposite to the
この場合、ひずみ測定処理部12は、ブリッジ回路10の出力eoutから、交流電源電圧einと同相の成分(実数成分)を検波し、その同相成分から交流電源電圧einと同一周波数の成分を除去してなる信号成分(ひずみゲージ1の抵抗値変化に応じた信号成分)を基に、ひずみ測定値を求めるようにしている。このようなひずみ測定処理部12の回路構成は、公知のものでよいので、ここではこれ以上の説明を省略する。
In this case, the distortion
なお、本実施形態では、ブリッジボックス2と測定器3とが別体に構成されたものを例示したが、それらが一体に構成されていてもよい。その場合には、ケーブル5は不要である。
In the present embodiment, the
次に、本実施形態のひずみ測定システムの作動を説明する。本実施形態では、前記した構成によって、図3に示すように前記第1〜第3リード線4a〜4cが並列して延在している。このため、第1リード線4aと第3リード線4cとの間、並びに、第2リード線4bと第3リード線4cとの間に、それぞれ参照符号Cx、Cyで代表的に示すように浮遊容量が存在することとなる。この場合、前記ブリッジ回路10は、等価的に図4に示すブリッジ回路10’で表される。すなわち、ブリッジ回路10は、第1辺10a’が、抵抗体13と前記浮遊容量Cxに対応する容量成分14との並列回路から構成され、第2辺10b’が抵抗体15と前記浮遊容量Cyに対応する容量成分16との並列回路から構成され、さらに、第3辺10c’及び第4辺10d’がそれぞれ前記抵抗体8,9から構成されるブリッジ回路10’とほぼ等価になる。ここで、ブリッジ回路10’(以下、等価ブリッジ回路10’という)の第1〜第4辺10a’〜10d’は、それぞれブリッジ回路10の第1〜第4辺10a〜10dに相当する辺である。また、この等価ブリッジ回路10’の第1辺10a’の抵抗体13は、ひずみゲージ1と第1リード線4aとの合成抵抗値を有する抵抗体であり、第2辺10b’の抵抗体15は、前記抵抗体6と第2リード線4bとの合成抵抗値を有する抵抗体である。
Next, the operation of the strain measurement system of this embodiment will be described. In the present embodiment, the first to third
なお、前記図3における第1リード線4aと第2リード線4bとの間にも浮遊容量が存在するが、それに対応する容量成分は、図4の等価ブリッジ回路10’では、電源入力部I1,I2間に介装されることとなる。このため、その容量成分は、等価ブリッジ回路10’の出力eout(これはブリッジ回路10の出力にほぼ等しい)に影響を及ぼさないと考えてよい。従って、その容量成分は図4では省略している。
Note that stray capacitance also exists between the
また、厳密には、第3辺10c’の抵抗体8と並列な容量成分、並びに第4辺10d’の抵抗体9と並列な容量成分も存在する。但し、これらの容量成分の値は、第1辺10a’及び第2辺10b’の容量成分14,16に比して十分に小さく、また、第3辺10c’と第4辺10d’とで互いにほぼ同一の値になると考えてよい。従って、第3辺10c’及び第4辺10d’の容量成分は、これらの辺の交点であるブリッジ回路10’の出力部O2の電位、ひいては、ブリッジ回路10’の出力eoutにほとんど影響を及ぼさないと考えてよい。このため、これらの容量成分も図4では省略している。補足すると、出力部O2の電位は、電源電圧einの1/2に維持されることとなる。
Strictly speaking, there is a capacitive component in parallel with the resistor 8 on the
上記等価ブリッジ回路10’において、その電源入力部I1,I2に交流電源電圧einを付与したときの、出力eoutのうち、ひずみ測定のための基本信号となる、交流電源電圧einと同相の成分eoutR(eoutの実部成分。以下、実出力成分eoutRという)は、前記抵抗体13,15の抵抗値、並びに容量成分14,16の容量値をR1,R2,C1,C2としたとき、次式(1)により与えられる。
In the
一方、式(1)の大括弧[ ]内の第2項は、容量成分14,16の容量値C1,C2が等しければ、0となるが、等しくない場合には、0にならない。つまり、第2項は、主に、等価ブリッジ回路10’のゼロ点(あるいは初期不平衡)に影響を及ぼすものとなる。また、容量値C1,C2の総和が変化すると、第2項による実出力成分eoutRの変化の度合いは、第1項よりも大きなものとなりやすい。
On the other hand, the second term in square brackets [] in equation (1) becomes 0 if the capacitance values C1 and C2 of the
従って、容量値C1,C2あるいはその変化による等価ブリッジ回路10’の実出力成分eoutRへの影響、ひいては、ブリッジ回路10の出力eoutによるひずみ測定への影響をできるだけ小さくする上では、式(1)の大括弧[ ]内の第2項が極力小さくなるようにすることが望ましい。そして、このためには、第1辺10a’の容量成分14の容量値C1と第2辺10b’の容量成分16の容量値C2とができるだけ等しくなるようにすることが望ましい。
Therefore, in order to minimize the influence on the actual output component eoutR of the
この場合、本実施形態のひずみ測定システムでは、前記したように、容量成分14,16の元となる浮遊容量を発生する第1〜第3リード線4a〜4cは、互いに沿わせて配線され、また、それらの長さがほぼ同一とされると共に、それらの材質及び径も同一とされている。このため、前記容量成分14,16の容量値C1,C2はほぼ等しいものとなる。また、環境温度の変化等によるこれらの容量値C1,C2の変化は同じように生じるので、環境温度が変化しても、それらの容量値C1,C2はほぼ等しいものに維持される。
In this case, in the strain measurement system of the present embodiment, as described above, the first to third
従って、前記式(1)の大括弧[ ]内の第2項は、常に、ほぼ0に維持されることとなる。この結果、第1〜第3リード線4a〜4c間の浮遊容量に起因する前記容量成分14,16の容量値C1,C2やその変化は、等価ブリッジ回路10’の実出力成分eoutR、ひいては、ブリッジ回路10の出力eoutのうち、実際のひずみ測定のために用いる実部成分にほとんど影響を及ぼさないこととなる。この結果、本実施形態のひずみ測定システムによれば、第1〜第3リード線4a〜4c間の浮遊容量の影響を受けることなく、精度よくひずみ測定を行うことができる。
Therefore, the second term in the square brackets [] in the formula (1) is always maintained at almost zero. As a result, the capacitance values C1 and C2 of the
図5〜図8は、本実施形態の実施例に係る測定データと比較例に係る測定データとをそれぞれ実線、破線で例示するグラフである。これらの図5〜8の実施例は、いずれも本実施形態のひずみ測定システム(図1のシステム)において、ひずみゲージ1のひずみが生じていない状態で、環境温度(前記ケーブル4の雰囲気温度)を3種類の温度0℃、25℃、50℃に維持して、ひずみ測定を行ったときのひずみ測定値のデータを示すものである。また、図5〜図8の比較例は、いずれも、ひずみゲージとブリッジボックスとの接続構成(ブリッジ回路へのひずみゲージの組み込み構成)を前記図9に示した従来の構成と同一とし、これ以外の構成を本実施形態と同一としたひずみ測定システムにおいて、上記実施例と同じ温度条件で、ひずみ測定を行ったときのひずみ測定値のデータを示すものである。なお、図5〜図8の横軸は環境温度、縦軸は環境温度が25℃であるときのひずみ測定値を基準(0)とした、ひずみ測定値の相対値(25℃のときのひずみ測定値からの変化量)である。
5 to 8 are graphs illustrating the measurement data according to the example of the present embodiment and the measurement data according to the comparative example as solid lines and broken lines, respectively. In the examples of FIGS. 5 to 8, in the strain measurement system (system of FIG. 1) of the present embodiment, the ambient temperature (atmosphere temperature of the cable 4) in a state where the strain of the
この場合、図5の実施例では、交流電源電圧einの周波数を5kHzとし、前記第1〜第3リード線4a〜4cの径(導線部の径)を0.18mmとしている。図5の比較例も同様である。また、図6の実施例では、交流電源電圧einの周波数を5kHzとし、前記第1〜第3リード線4a〜4cの径(導線部の径)を0.5mmとしている。図6の比較例も同様である。また、図7の実施例では、交流電源電圧einの周波数を20kHzとし、前記第1〜第3リード線4a〜4cの径(導線部の径)を0.18mmとしている。図7の比較例も同様である。また、図8の実施例では、交流電源電圧einの周波数を20kHzとし、前記第1〜第3リード線4a〜4cの径(導線部の径)を0.5mmとしている。図8の比較例も同様である。
In this case, in the embodiment of FIG. 5, the frequency of the AC power supply voltage ein is 5 kHz, and the diameters of the first to third
なお、いずれの実施例においても第1〜第3リード線4a〜4cの長さ(ケーブル4の長さ)は20mとしており、これは比較例についても同様である。
In any of the embodiments, the length of the first to third
図5〜図8から明らかなように、本実施形態に係る実施例では、環境温度0℃、50℃であるときのひずみ測定値は、25℃のときのひずみ測定値とほぼ同一になっており、環境温度の影響をほとんど受けないものとなっている。このことから、環境温度の変化によって第1〜第3リード線4a〜4c間の浮遊容量が変化しても、それは、ひずみ測定にほとんど影響を及ぼさないことが判る。しかも、この効果は、交流電源電圧einの周波数や、
第1〜第3リード線4a〜4cの径にも依存しない。
As apparent from FIGS. 5 to 8, in the examples according to the present embodiment, the measured strain values when the environmental temperature is 0 ° C. and 50 ° C. are almost the same as the measured strain values at 25 ° C. Therefore, it is hardly affected by the environmental temperature. From this, it can be seen that even if the stray capacitance between the first to third
It does not depend on the diameters of the first to third
これに対して、従来技術に係る比較例では、環境温度が異なると、ひずみ測定値が実施例に比べて大きく変化する。特にその傾向は、交流電源電圧einの周波数が高い場合(20kHzの場合)に顕著となり、また、リード線の径が小さい場合(0.18mmの場合)に顕著となる。 On the other hand, in the comparative example according to the prior art, when the environmental temperature is different, the strain measurement value is greatly changed as compared with the example. In particular, this tendency becomes prominent when the frequency of the AC power supply voltage ein is high (in the case of 20 kHz), and becomes prominent when the lead wire diameter is small (in the case of 0.18 mm).
このことから、本実施形態は、第1〜第3リード線4a〜4c間の浮遊容量の影響を好適に排除できるものとなっていることが判る。
From this, it can be seen that the present embodiment can suitably eliminate the influence of stray capacitance between the first to third
1…ひずみゲージ、4a…第1リード線、4b…第2リード線、4c…第3リード線、6…第2辺の抵抗体、7…抵抗回路、8…第3辺の抵抗体、9…第4辺の抵抗体、10…ブリッジ回路、10a〜10d…ブリッジ回路の辺、I1,I2…電源入力部、O1,O2…出力部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記ブリッジ回路の第2辺を構成する抵抗体及び第2リード線のうちの該抵抗体を前記ひずみゲージの近傍に配置して、該抵抗体及び第2リード線をこの順番で前記ひずみゲージの他端から直列に連接し、該第2リード線の該抵抗体と反対側の端部を前記第3辺を構成する抵抗体に接続したことを特徴とする搬送波型3線式ひずみ測定システム。 By connecting the first lead wire connected to one end of the resistance strain gauge and the second lead wire connected to the other end to a resistor circuit composed of a plurality of resistors having fixed resistance values, the first side is The strain gauge and the first lead wire are configured, and the second side connected to the first side via the other end of the strain gauge is configured of the second lead wire and a resistor having a fixed resistance value. In addition, a bridge circuit is formed in which the third side and the fourth side, which are opposite sides of the first side and the second side, are composed of resistors having fixed resistance values, and the first side and the second side of the bridge circuit are formed. As an intersection between the first side and the second side, an AC power supply voltage is applied to the power input unit by using the intersection of the four sides and the intersection of the second side and the third side as a pair of power input units. A pair of the other end of the strain gauge and the intersection of the third side and the fourth side. A signal voltage generated at the output unit as an output unit is measured using a third lead wire connected to the other end of the strain gauge separately from the second lead wire, and is generated from the measured signal voltage at the strain gauge. In the carrier type 3-wire strain measurement system that measures the strain,
Of the resistor and the second lead wire constituting the second side of the bridge circuit, the resistor is arranged in the vicinity of the strain gauge, and the resistor and the second lead wire are arranged in this order on the strain gauge. A carrier-type three-wire strain measurement system characterized in that it is connected in series from the other end, and the end of the second lead wire opposite to the resistor is connected to a resistor constituting the third side.
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