JP4038193B2

JP4038193B2 - 多点ひずみ測定システム

Info

Publication number: JP4038193B2
Application number: JP2004167451A
Authority: JP
Inventors: 卓郎小澤
Original assignee: 株式会社東京測器研究所
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: JP2004264311A

Description

本発明は、多点ひずみ測定システムに関する。

物体のひずみ測定を行なう場合、ひずみに応じて抵抗値が変化するひずみゲージが物体に貼着される。ひずみを測定する方法には、１ゲージ法が一般に知られており、この１ゲージ法によるひずみ測定を行う従来の測定装置には、ひずみゲージと併せてホイートストンブリッジ回路（ブリッジ回路）を構成する抵抗回路が備えられている（例えば特許文献１を参照）。

図７は、温度変化に伴うブリッジ回路の不平衡を是正する方法として広く用いられている１ゲージ３線法の測定手法を示している。この方法では、ひずみゲージ１の両端に一対のリード線２，３が結線されると共に、ひずみゲージ１の一端にもう一つのリード線４が結線されている。そして、ひずみ測定する際には、ブリッジ回路の電源入力部Ａ，Ｃ間に電源電圧Ｖを付与した状態で、ひずみゲージ１のリード線４を結線した一端と、抵抗体Ｒ_３、Ｒ_４の接続点Ｄとの間に生じる出力電圧ｅが検出される。この方法では、リード線２，３がブリッジ回路の隣り合う辺に組み込まれることとなるので、リード線２，３の抵抗値が環境温度により同じように変化する限り、ブリッジ回路の平衡が保たれる。
特開平２−１２２２０４号公報

しかしながら、前述した１ゲージ３線法では、リード線同士の温度差によって、各リード線の抵抗値に偏りが生じた場合には、見かけひずみが発生してしまう。例えば、屋外でひずみ測定する際に、雲の動きにより日照が変化すると、上記の温度差が生じて見かけひずみが発生し、ひずみ測定の不安定要因になる場合がある。さらに、物体の多数部位あるいは多数の物体についての多点ひずみ測定を行う場合に、各測定点に対応するリード線の抵抗値が、測定点同士で互いに異なる場合も多々あり、このような場合には、測定点毎に、リード線の抵抗値の影響を排除するための補正作業が必要になって、多大な労力を要する。また、多点ひずみ測定を行う場合に、測定点を切り換えるスイッチの接点抵抗も測定誤差の要因となるので、その接点抵抗ができるだけ小さなスイッチ素子を選択したり、その接点抵抗の影響を補償する方策を採る必要がある。その結果、コストアップを招くという不都合があった。

また、特に３軸方向のひずみを検出するロゼットゲージ（これは３個のひずみゲージから構成される）を使用して、１ゲージ３線法によりひずみ測定を行なう場合には、１つのロゼットゲージに対して９本の信号線が必要になる。このため、多数のロゼットゲージを使用して多点測定を行うと、信号線の数が膨大になる。

加えて、ロゼットゲージは、それを構成する３個のひずみゲージのそれぞれについて各別にひずみ測定を行う必要があることから、従来の多点ひずみ測定装置では、Ｎ個のロゼットゲージを使用する多点ひずみ測定は、Ｎ×３個の互いに独立したひずみゲージを使用する多点ひずみ測定と同じように行なわれていた。このため、異なるロゼットゲージのひずみ測定値を混同するなど不具合を生じることがあった。

本発明はかかる背景に鑑み、複数のロゼットゲージを使用する多点ひずみ測定システムにおいて、ロゼットゲージを構成するひずみゲージに結線された信号線の数を低減し、また、ひずみゲージに結線されたリード線の抵抗が測定値に影響を与えないようにして、ロゼットゲージに適した多点ひずみを測定を行なうことができる多点ひずみ測定システムを提供すること目的とする。

本発明を説明する前に、本発明に係る基本的事項を図１を参照して説明しておく。

図１に示すように、ｎ個のひずみゲージＧ_１、Ｇ_２、・・・、Ｇ_ｎは、この順番に直列に接続されて直列回路を形成している。ひずみゲージの直列回路の一端には、あらかじめ２本の信号線ｒ_１、ｒ_２が結線されて、他端には２本の信号線ｒ_ｎ＋２、ｒ_ｎ＋３が結線されている。ひずみゲージＧ_ｋ−１、Ｇ_ｋ（ｋ＝２〜ｎ）の接続点には、信号線ｒ_ｋ＋１が結線されている。

このｎ個のひずみゲージの中から１個のひずみゲージを測定用ひずみゲージとして選択してひずみ測定を行う方法を説明する。

例えば、ひずみゲージＧ_１を選択し、このひずみゲージＧ_１に信号線ｒ_１〜ｒ_ｎ＋３のうちの２つ、例えばひずみゲージＧ_１の両端に結線された信号線ｒ_２、ｒ_３を介して電流を流すものとする。そして、信号線ｒ_２、ｒ_３以外の２つの信号線、例えば信号線ｒ_１とｒ_４を介してひずみゲージＧ_１に生じる電圧Ｖ_Ｇ１を抽出する。

このとき、オペアンプ等の高入力インピーダンスの電圧抽出手段を用いることにより、信号線ｒ_１、ｒ_４や、これらの信号線ｒ_１、ｒ_４の間に存するひずみゲージＧ_１以外のひずみゲージＧ_２にほとんど電流を流すことなく、ひずみゲージＧ_１に生じた電圧Ｖ_Ｇ１を信号線ｒ_１、ｒ_４を介して抽出できる。つまり、ひずみゲージＧ_１に生じた電圧Ｖ_Ｇ１を電圧抽出用信号線ｒ_１、ｒ_４や他のひずみゲージＧ_２による電圧降下を実質的に伴うことなく抽出できる。

尚、信号線ｒ_１、ｒ_２はひずみゲージＧ_１の同一端に接続されているので、信号線ｒ_１、ｒ_３に電流を流し、信号線ｒ_２とｒ_４を介してひずみゲージＧ_１に生じる電圧Ｖ_Ｇ１を抽出してもよい。

また、より一般的には上記のように、ひずみゲージＧ_１に結線された信号線ｒ_１（又はｒ_２）とｒ_３とを電流供給用信号線として使用した場合には、信号線ｒ_２（又はｒ_１）とｒ_４〜ｒ_ｎ＋３のいずれかとを電圧抽出用の信号線として使用することで、ひずみゲージＧ_１に生じた電圧Ｖ_Ｇ１を抽出できる。

また、逆に、信号線ｒ_１（又はｒ_２）とｒ_３を電圧抽出用の信号線として用いると共に、信号線ｒ_２（又はｒ_１）とｒ_４〜ｒ_ｎ＋３のいずれかとを電流供給用信号線として用いてもよい。

このようにひずみゲージＧ_１に、信号線ｒ_１〜ｒ_ｎ＋３のうちの２つを電流供給用信号線として用いて電流を流しつつ、その電流供給用信号線と異なる２つの信号線を電圧抽出用信号線として用いて、ひずみゲージＧ_１に生じた電圧Ｖ_Ｇ１を抽出できる。そして、この場合、２つの電圧抽出用信号線や、これらの間に存するひずみゲージＧ_１以外のひずみゲージにほとんど電流を流すことなく、ひずみゲージＧ_１に生じた電圧Ｖ_Ｇ１を抽出できる。このことは、ひずみゲージＧ_１の代わりにひずみゲージＧ_２〜Ｇ_ｎのいずれかを選択した場合も同様である。

そして、このように、選択した１つのひずみゲージに電流を流しつつ、そのひずみゲージに生じた電圧を抽出したとき、その抽出した電圧に基づいて該ひずみゲージに生じたひずみを測定することが可能である。

例えば、選択したひずみゲージＧ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）に流す電流を定電流にすれば、このひずみゲージＧ_ｋに生じる電圧はひずみゲージＧ_ｋの抵抗値に比例するものとなる。従って、その電圧（抽出した電圧）の変化を観測することで、ひずみゲージＧ_ｋのひずみを測定できることとなる。また、具体的な内容は後述するが、本願出願人が先に出願した特願２００２−９２７４９号にて提案した方法によって、ひずみゲージＧ_ｋに生じた電圧（抽出した電圧）に基づいてひずみ測定を行うこともできる。

以上説明した内容を基礎として本発明を以下に説明する。

前記の目的を達成するために、本発明の多点ひずみ測定システムは、ロゼットゲージを構成する３個のひずみゲージを直列に接続して、ひずみゲージどうしの接合点にそれぞれ各１本の信号線を結線しておくと共に、該３個のひずみゲージの直列回路の両端部にはそれぞれ各２本の信号線を結線しておき、
前記３個のひずみゲージを直列に接続することと前記信号線の結線とがそれぞれなされた複数のロゼットゲージと、
各ロゼットゲージに対して、該ロゼットゲージを構成する各ひずみゲージを測定用ひずみゲージとして選択する手段と、その選択した測定用ひずみゲージに前記信号線のうちの２つの信号線を介して電流を流す手段と、該電流を流した測定用ひずみゲージに生じる電圧をそれぞれ前記２つの信号線とは異なる２つの信号線を介して抽出する手段と、その抽出した電圧に基づいて、該測定用ひずみゲージに生じたひずみを求める手段とを含む測定手段と、
各ロゼットゲージの信号線が接続され、前記測定手段に接続するロゼットゲージを選択的に切り換えるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段を制御するスイッチ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、各ロゼットゲージを構成する３個のひずみゲージの直列回路には、前記の通り、信号線（各ロゼットゲージを構成するひずみゲージの個数＋３本）があらかじめ結線される。測定手段は、各ロゼットゲージに対して、該ロゼットゲージを構成する各ひずみゲージを測定用ひずみゲージとして選択する手段と、その選択した測定用ひずみゲージに前記信号線のうちの２つの信号線を介して電流を流す手段と、該電流を流した測定用ひずみゲージに生じる電圧をそれぞれ前記２つの信号線とは異なる２つの信号線を介して抽出する手段と、その抽出した電圧に基づいて、該測定用ひずみゲージに生じたひずみを求める手段とを含む。スイッチ手段は、例えば複数のスイッチ素子からなる。スイッチ手段は、各ロゼットゲージの信号線に接続されるとともに、測定手段に結線され、測定手段に接続するロゼットゲージを選択的に切り換えることができる。

つまり、各ロゼットゲージ毎に、測定手段に接続して、ひずみ測定を行うことができる。このため、例えば、ロゼットゲージを多数使用して多点測定を行う場合に、それぞれのロゼットゲージを区別しながら、各ロゼットゲージ毎に、各ロゼットゲージを構成するひずみゲージによるひずみ測定を行うことが容易になる。そして、この場合、各ロゼットゲージを構成する各ひずみゲージによるひずみ測定は、前記測定手段により次のように行なわれる。

すなわち、各ロゼットゲージを構成する各ひずみゲージを測定用ひずみゲージとして選択する。その選択した測定用ひずみゲージに前記信号線のうちの２つの信号線を介して電流を流し、各測定用ひずみゲージに生じる電圧をそれぞれ電流を供給した信号線とは異なる２つの信号線を介して抽出する。このとき、高入力インピーダンスの電圧抽出手段で抽出することで電圧抽出用の信号線やこれらの信号線の間に存する各測定用ひずみゲージ以外のひずみゲージにほとんど電流を流さずに測定用ひずみゲージに生じた電圧を抽出できる。そしてこのように測定用ひずみゲージに生じる電圧を抽出することで、その抽出した電圧に基づいて、測定用ひずみゲージに生じたひずみを求めることができる。

従って、各ロゼットゲージを構成するひずみゲージに結線された電流供給用信号線や電圧抽出用信号線の抵抗が測定値に影響を与えないようにしてひずみを測定することができる。つまり、各信号線の抵抗が異なった抵抗値に変化したとしても測定誤差が生じることがなくなる。

また、本発明では上述のようにひずみ測定を行うために必要な各ロゼットゲージの信号線は、該ロゼットゲージを構成するひずみゲージの個数＋３本の信号線でよいため、従来のようにブリッジ回路を用いる１ゲージ３線法を使用して多点測定を行う場合に比して、信号線の本数を削減できる。このように、本発明によれば、測定器に接続する信号線の本数を少ないものとしつつ、多点ひずみ測定を行うことができる。

また、前記スイッチ手段を構成するスイッチ素子の接点抵抗はリード線の抵抗の一部とみなされるので、リード線抵抗と同様に接点抵抗のひずみ測定への影響をなくすことができる。

また、本発明の多点ひずみ測定システムは、前記スイッチ手段は、各ロゼットゲージにそれぞれ対応する複数のチャンネルを有すると共に、該チャンネルを選択的に指定する信号を識別するチャンネル識別手段をそれぞれ備える複数の測定用モジュールを備え、
前記複数の測定用モジュールは、それぞれ前記各ロゼットゲージの信号線に接続されると共に、前記測定手段に接続された共通の信号線に結線されており、
前記スイッチ制御手段は、各ロゼットゲージに対応したチャンネルを指定する信号を前記測定用モジュールに供給することが好ましい。

上記構成によれば、スイッチ手段は、測定手段に接続された共通の信号線に結線された複数の測定用モジュールから構成される。スイッチ制御手段は、チャンネルを指定する信号を測定用モジュールに供給する。測定用モジュールは、チャンネル識別手段により、チャンネルを指定する信号を識別し、識別した信号に基づいてスイッチを切り換える。

従って、測定用モジュールを切り換えることができるので、各測定点においてひずみゲージに生じる電圧を抽出することにより各測定点におけるひずみを算出することができる。また、従来のように各測定点でブリッジ回路を形成する必要もないので、各測定点へのダミー抵抗の配置が不要になり、経済的なだけでなく、ダミー抵抗の安定性が測定に影響することもないので測定精度が向上する。

（参考例）
まず、本発明の多点ひずみ測定システムに関連する参考例のひずみ測定システムを図２を参照して説明する。このひずみ測定システムは、３枚のひずみゲージＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_３とひずみ測定装置１０とを備える。尚、ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３は一体構成の３軸ゲージであってもよい。ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３は測定対象の物体（図示せず）に貼着され、ひずみに応じた抵抗値変化を生じる。ひずみゲージＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_３は、この順番に直列に接続されて直列回路を形成している。この直列回路の一端には、あらかじめ信号線ｒ_１、ｒ_２が結線されており、他端には信号線ｒ_５、ｒ_６が結線されている。ひずみゲージＧ_１、Ｇ_２の接続点には、信号線ｒ_３が結線され、ひずみゲージＧ_２、Ｇ_３の接続点には、信号線ｒ_４が結線されている。ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３は信号線ｒ_１〜ｒ_６を介してひずみ測定装置１０に結線されている。

ひずみ測定装置１０は、ゲージ素子選択部１１と測定部１２を備えている。ゲージ素子選択部１１は、ひずみ測定に用いる１つのひずみゲージをひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３の中から選択するためのものであり、各ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３にそれぞれ対応するスイッチ回路Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を備えている。スイッチ回路Ｓ_１は、４つのスイッチ素子からなり、それらのスイッチ素子は一端が信号線ｒ_１〜ｒ_４に各々結線されており、他端が測定部１２に接続されている。スイッチ回路Ｓ_２は、４つのスイッチ素子からなり、それらのスイッチ素子は一端が信号線ｒ_２〜ｒ_５に各々結線されており、他端が測定部１２に接続されている。スイッチ回路Ｓ_３は、４つのスイッチ素子からなり、それらのスイッチ素子は一端が信号線ｒ_３〜ｒ_６に各々結線されており、他端が測定部１２に接続されている。

この場合、スイッチ回路Ｓ_１の４つのスイッチ素子をオン状態にしたとき、ひずみゲージＧ_１が測定用ひずみゲージとして測定部１２に対して接続されるようになっている。同様に、各スイッチ回路Ｓ_２、Ｓ_３の４つのスイッチ素子をオン状態にしたとき、それぞれひずみゲージＧ_２、Ｇ_３が測定用ひずみゲージとして測定部１２に対して接続されるようになっている。

測定部１２は、本願出願人が特願２００２−９２７４９号にて提案した手法によりひずみ測定を行うものであり、図３に示すように、検出部１３と、制御部１４とを備えている。測定部１２には接続端子１５〜１８が設けられており、ゲージ素子選択部１１により選択された測定用ひずみゲージの一端が接続端子１５，１６に接続され、その測定用ひずみゲージの他端が接続端子１７，１８に接続される。

より具体的には、例えば、ゲージ素子選択部１１のスイッチ回路Ｓ_１がオン状態になったときに、図４に示すように、ひずみゲージＧ_１の一端が信号線ｒ_１、ｒ_２を介して接続端子１５，１６に接続され、ひずみゲージＧ_１の他端が信号線ｒ_３を介して接続端子１７に接続されると共に、ひずみゲージＧ_２と信号線ｒ_４を介して接続端子１８に接続される。

尚、接続端子１５〜１８のうち、接続端子１６，１７は接続端子１６，１７間に接続された測定用ひずみゲージに電流を供給するためのものであり、接続端子１５，１８は接続端子１６，１７間に接続された測定用ひずみゲージに生じる電圧を抽出するためのものである。

検出部１３は、基準抵抗体Ｒ_Ｓと、電圧差検出回路２１と、電圧安定化回路２２とを備えている。基準抵抗体Ｒ_Ｓは、選択した測定用ひずみゲージに接続端子１６，１７を通じて流す電流ｉと同じ電流ｉを通電するものであり、接続端子１７に接続されている。基準抵抗体Ｒ_Ｓは例えば固定抵抗値の抵抗素子により構成される。

電圧差検出回路２１は、選択された測定用ひずみゲージへの通電時に接続端子１５、１８間に生じた電圧Ｖ_１（これは後述するように測定用ひずみゲージに生じた電圧に等しい）と基準抵抗体Ｒ_Ｓに生じた電圧Ｖ_２との差分ｅを検出するものであり、高入力インピーダンスのオペアンプｏｐ１，ｏｐ２，ｏｐ３と抵抗体Ｒ_ａ〜Ｒ_ｄとを備えている。オペアンプｏｐ１，ｏｐ２の正入力にはそれぞれ接続端子１５，１８が接続され、オペアンプｏｐ３の正入力には接続端子１７が接続されている。また、オペアンプｏｐ１の出力は抵抗体Ｒ_ａ、Ｒ_ｂの直列回路を介して基準抵抗体Ｒ_Ｓの一端（接続端子１７と反対側の一端）に接続され、オペアンプｏｐ２、ｏｐ３の出力は抵抗体Ｒ_ｃ、Ｒ_ｄの直列回路を介して相互に接続されている。この回路２１では、オペアンプｏｐ１，ｏｐ２，ｏｐ３はボルテージフォロア回路を形成し、固定抵抗Ｒ_ａ〜Ｒ_ｄの抵抗値は同一である（Ｒ_ａ＝Ｒ_ｂ＝Ｒ_ｃ＝Ｒ_ｄ）。この電圧差検出回路２１の出力電圧ｅすなわち、固定抵抗Ｒ_ａ、Ｒ_ｂの直列回路の中点と、固定抵抗Ｒ_ｃ、Ｒ_ｄの直列回路の中点との間の電圧は、次式（１）で与えられる。

ｅ＝（Ｖ_１−Ｖ_２）／２・・・・・・・・・・（１）
従って、出力電圧ｅはＶ_１−Ｖ_２に比例したものになり、Ｖ_１−Ｖ_２を検出できることとなる。この場合、オペアンプｏｐ１，ｏｐ２，ｏｐ３は高入力インピーダンスのものであるので、接続端子１５，１８からオペアンプｏｐ１，ｏｐ２には電流がほとんど流れないと共に、接続端子１７からオペアンプｏｐ３に流れる電流もほぼ０である。このため、測定用ひずみゲージに生じる電圧は、接続端子１５,１８間に生じる電圧Ｖ_１と等しくなる（図４参照）。

電圧安定化回路２２は、選択された測定用ひずみゲージに電流を流すときに基準抵抗体Ｒ_Ｓに生じる電圧Ｖ_２を一定値に保持するためのものであり、高入力インピーダンスのオペアンプｏｐ４から構成される。オペアンプｏｐ４の負入力は、基準抵抗体Ｒ_Ｓの一端（接続端子１７側の一端）に接続され、オペアンプｏｐ４の出力は接続端子１６に接続されている。また、検出部１３には、あらかじめ定められたレベルの基準入力電圧Ｖを外部から入力するための一対の電源入力端子２６，２７が設けられており、オペアンプｏｐ４の正入力は電源入力端子２６に接続されている。さらに、電源入力端子２７は、基準抵抗体Ｒ_Ｓの一端（接続端子１７と反対側の一端）に接続されている。従って、オペアンプｏｐ４は、基準抵抗体Ｒ_Ｓに生じる電圧Ｖ_２が電源入力端子２６，２７に付与される基準入力電圧Ｖと等しくなるように、基準抵抗体Ｒ_Ｓに流れる電流を制御する。また、検出部１３には、電圧差検出回路２１の出力電圧ｅを外部に出力するための一対の出力端子２８，２９が備えられている。

ここで、本実施形態でのひずみ算出手法について述べておく。本願出願人が別出願（特願２００２−９２７４９号）で詳述しているので詳細は省略するが、例えば、図４に示すように、ひずみゲージＧ_１を測定用ひずみゲージとして選択した場合において、ひずみゲージＧ_１（抵抗値Ｒ_１）と基準抵抗体Ｒ_S（抵抗値Ｒ_２）の抵抗比Ｃ（＝Ｒ_１／Ｒ_２）と、ひずみゲージＧ_１のひずみεとの間には次式（２）の関係式が成立する。

ε＝（１／Ｋ）・（Ｃ_ε／Ｃ_０−１）・・・・・・・・・・（２）
ただしＫはひずみゲージＧ_１のゲージ率である。また、抵抗比Ｃ_０、Ｃ_εは、それぞれ基準とする初期状態（添字０で示す）およびひずみ測定時（添字εで示す）のものである。ひずみゲージＧ_１に電流ｉを流した場合に、ひずみゲージＧ_１に電圧Ｖ_１が生じ、基準抵抗体Ｒ_Ｓに電圧Ｖ_２が生じるとすると、式（２）の右辺に示される抵抗比Ｃ_ε、Ｃ_０は、次式（３）、（４）のように電圧Ｖ_１，Ｖ_２で表される。

Ｃ_０＝Ｒ_１０／Ｒ_２０＝ｉ・Ｒ_１０／（ｉ・Ｒ_２０）＝Ｖ_１０／Ｖ_２０・・・・・・・・・・（３）
Ｃ_ε＝Ｒ_１ε／Ｒ_２ε＝ｉ・Ｒ_１ε／（ｉ・Ｒ_２ε）＝Ｖ_１ε／Ｖ_２ε・・・・・・・・・・（４）
従って、電圧Ｖ_１，Ｖ_２をひずみゲージＧ_１に流れる電流ｉに影響を及ぼすことなく把握することで、それらの電圧Ｖ_１，Ｖ_２から、式（２）で表されるひずみεを把握することができる。この場合、本実施形態の回路によるときには、抵抗比Ｃは、電圧差検出回路２１の出力電圧ｅと、基準抵抗体Ｒ_Ｓに生じた電圧Ｖ_２＝Ｖ（一定値）を用いて次式（５）により求められる。

Ｃ＝Ｖ_１／Ｖ_２＝１＋２・ｅ／Ｖ・・・・・・・・・・（５）
次に、測定部１２を構成する制御部１４は、基準電源回路３１と、増幅回路３２と、Ａ／Ｄ変換回路３３と、制御回路３４と、記憶回路３５と、インターフェース回路３６と、主電源回路３７と、表示器３８と、表示回路３９を備えている。

基準電源回路３１は、検出部１３の一対の電源入力端子２６，２７に接続されて、検出部１３に基準入力電圧Ｖ（定電圧）を供給する。増幅回路３２は、検出部１３の一対の出力端子２８，２９に接続されて、該出力端子２８，２９間に発生する電圧差検出回路２１の出力電圧ｅを増幅する。Ａ／Ｄ変換回路３３は、増幅回路３２の出力をＡ／Ｄ変換する。制御回路３４は、各種データ処理や制御処理を行う。また、制御回路３４は、ゲージ素子選択部１１のスイッチ回路Ｓ_１〜Ｓ_３を選択する制御信号をスイッチ回路Ｓ_１〜Ｓ_３に供給する。記憶回路３５は、各種データや制御回路３４が行う処理に必要なプログラム等を記憶保持する。インターフェース回路３６は、制御回路３４が制御部１４の外部の図示しない操作器やパーソナルコンピュータ等との間で各種データの授受を行うための回路である。主電源回路３７は、制御部１４全体の電源電圧を商用電源等から生成する。表示器３８は、制御回路３４により表示回路３９を介して駆動され、ひずみ測定値等を表示する。なお、制御回路３４はマイクロプロセッサ等により構成され、また記憶回路３５はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等により構成されたものである。制御部１４の電源としては商用電源の他、電池を使用するようにしてもよい。

上記構成のひずみ測定装置１０の作動を説明する。本実施形態のひずみ測定装置１０では、ひずみ測定に先立って、あらかじめ、前記基準入力電圧Ｖの値およびひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３のゲージ率Ｋ_１〜Ｋ_３の値が、ひずみ測定装置１０の外部の適宜の操作器等からインターフェース回路３６及び制御回路３４を介して記憶回路３５に入力されて、記憶回路３５に記憶保持される。尚、これらの値Ｖ，Ｋ_１〜Ｋ_３はひずみ測定装置１０の製造段階で記憶回路３５に記憶保持しておくようにしてもよい。また、ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３のゲージ率Ｋ_１〜Ｋ_３は同一でもよい。

そして、ひずみ測定の基準とする初期状態において、以下のように測定が行われる。まず、ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３が測定対象の物体（図示せず）に貼着される。ひずみ測定装置１０の所定の操作等により、制御部１４を動作させる。このとき、制御部１４の制御回路３４は、まず、選択すべきスイッチ回路に制御信号を供給する。選択されたスイッチ回路は、４つのスイッチ素子をオンさせる。例えばスイッチ回路Ｓ_１がオンしたとする。制御回路３４は基準電源回路３１を起動して、基準電源回路３１から電源入力端子２６，２７に基準入力電圧Ｖを付与させる。基準電源回路３１が、検出部１３に基準入力電圧Ｖを供給すると、信号線ｒ_２，ｒ_３を介してひずみゲージＧ_１と基準抵抗体Ｒ_Ｓにｏｐ４によってＶ_２＝Ｖとするように電流ｉが流れる。このとき接続端子１５，１８間に生じた電圧（ひずみゲージＧ_１の両端に生じた電圧）Ｖ_１と基準抵抗体Ｒ_Ｓに生じた電圧Ｖ_２（＝Ｖ）との差に比例した電圧差検出回路２１の出力電圧ｅ（初期状態での出力電圧ｅ_０）は、出力端子２８，２９から出力され、増幅回路３２に入力される。制御回路３４は、この増幅回路３２に入力される電圧ｅ_０の値を、増幅回路３２及びＡ／Ｄ変換回路３３を介して与えられるデータによって認識する。その認識した電圧ｅ_０と前記基準入力電圧Ｖの値とに基づいて、制御回路３４は前記の式（５）により、基準抵抗体Ｒ_Ｓに対するひずみゲージＧ_１の抵抗の比（抵抗比）Ｃ（初期状態での抵抗比Ｃ_０）を求め、求めた抵抗比Ｃ_０を記憶回路３５に記憶保持させる。同様に、制御部１４の制御回路３４は各スイッチ回路Ｓ_２、Ｓ_３を順次選択し、各ひずみゲージＧ_２、Ｇ_３に関して抵抗比Ｃ_０を求めて、記憶回路３５に記憶保持する。

次に、制御回路３４は、操作者の所定の操作等により指示されたタイミングや、あらかじめ設定されたタイムスケジュールに従って、次のようにひずみ測定を行う。制御回路３４は、ひずみ測定を行うタイミングにおいて、選択すべきスイッチ回路に制御信号を供給する。選択されたスイッチ回路は、４つのスイッチ素子をオンさせる。例えばスイッチ回路Ｓ_１がオンする。制御回路３４は、基準電源回路３１から電源入力端子２６，２７に基準入力電圧Ｖを付与させる。そして、接続端子１５、１８間に生じた電圧（ひずみゲージＧ_１の両端に生じた電圧）Ｖ_１と基準抵抗体Ｒ_Ｓに生じた電圧Ｖ_２との差に比例した電圧差検出回路２１の出力電圧ｅ（ひずみ測定時の出力電圧ｅ_ε）は増幅回路３２に入力される。制御回路３４は、この増幅回路３２に入力される電圧ｅ_εの値を、増幅回路３２及びＡ／Ｄ変換回路３３を介して与えられるデータによって認識する。その認識した電圧ｅ_εに基づいて、制御回路３４は前記の式（５）により抵抗比Ｃ（ひずみ測定時の抵抗比Ｃ_ε）を求め、求めた抵抗比Ｃ_εを記憶回路３５に記憶保持させる。同様にスイッチ回路Ｓ_２，Ｓ_３を順次オンさせて、それぞれ抵抗比を求めて記憶回路３５に記憶保持する。

そして、制御回路３４は、記憶回路３５に記憶保持されたゲージ率Ｋ_１〜Ｋ_３、初期状態における抵抗比Ｃ_０、およびひずみ測定時の抵抗比Ｃ_εのデータを記憶回路３５からスイッチ回路Ｓ_１〜Ｓ_３ごとに読み込む。そして、読み込んだ上記の各データの値を用いて、前記の式（２）の演算を行うことで、ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３に関してひずみε_１〜ε_３を求める。なお、制御回路３４は、求めたひずみε_１〜ε_３の値を表示回路３９を介して表示器３８に表示させる。

上述のように、参考例によれば、ひずみゲージＧ_１〜Ｇ_３に結線された信号線ｒ_１〜ｒ_６の抵抗が測定値に影響を及ぼすことなくひずみを測定することができ、各信号線ｒ_１〜ｒ_６の抵抗が異なった抵抗値に変化したとしても測定誤差が生じることがなくなる。また、従来の１ゲージ３線法では、３ゲージの場合に測定に９本の信号線が必要になるが本実施形態によれば信号線は６本で足り、信号線を低減できるという効果を奏する。
（第１の実施形態）
次に、前記参考例を参考にしつつ、本発明の第１の実施形態に係る多点ひずみ測定システムを図５を参照して説明する。

多点ひずみ測定システムは、ｎ個のロゼットゲージＧ_ｋ（ｋ＝１〜ｎ）と多点ひずみ測定装置６０を備えている。各ロゼットゲージＧ_ｋは、例えば、３軸方向のひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３を一体的に構成してなる３軸のひずみゲージである。各ロゼットゲージＧ_ｋのひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３は直列に接続されており、この直列回路の一端にはリード線ｒ_ｋ１、ｒ_ｋ２が結線されており、他端にはリード線ｒ_ｋ５、ｒ_ｋ６が結線されている。ゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２の接続点およびＧ_ｋ２、Ｇ_ｋ３の接続点には、それぞれリード線ｒ_ｋ３、ｒ_ｋ４が結線されている。

多点ひずみ測定装置６０は、チャンネル切換部６１と、ゲージ素子選択部１１と、測定部１２とを備えている。この装置６０では、ゲージ素子選択部１１と、測定部１２とは前記参考例と同一であり、これらの構成については前記参考例のひずみ測定装置１０と同一の参照番号を付与し、説明を省略する。

チャンネル切換部６１は、各ロゼットゲージＧ_１〜Ｇ_ｎにそれぞれ対応するｎ個のチャンネルＣｈ１〜Ｃｈｎ分のスイッチ回路Ｓ_１′〜Ｓ_ｎ′を備えている。スイッチ回路Ｓ_ｋ′（ｋ＝１〜ｎ）は、６つのスイッチ素子からなり、それらのスイッチ素子は一端が信号線ｒ_ｋ１〜ｒ_ｋ６に各々結線されており、他端がゲージ素子選択部１１に接続されている。この場合、あるスイッチ回路Ｓ_ｋ′の６つのスイッチ素子をオン状態にしたとき、各ロゼットゲージＧ_ｋを構成するひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３がゲージ素子選択部１１に対して図２のものと同様に接続されるようになっている。また、制御部１４の制御回路３４（図３参照）は、チャンネルを選択する制御信号をチャンネル切換部６１のスイッチ回路Ｓ_ｋ′（ｋ＝１〜ｎ）に供給する。

上記構成の多点ひずみ測定装置６０は、次のように動作する。まず、ひずみ測定の基準とする初期状態において、以下のように測定が行われる。ｎ個のロゼットゲージＧ_ｋ（ｋ＝１〜ｎ）は測定対象の物体のｎ個の部位に貼着される。多点ひずみ測定装置６０の所定の操作等により、測定部１２の制御部１４を動作させる（図３参照）。まず、制御部１４の制御回路３４は、チャンネル切換部６１のスイッチ回路Ｓ_ｋ′に制御信号を供給する。選択されたスイッチ回路Ｓ_ｋ′は、６つのスイッチ素子をオンさせる。

例えば、スイッチ回路Ｓ_１′がオンするとロゼットゲージＧ_１のひずみゲージＧ_１１、Ｇ_１２，Ｇ_１３が多点ひずみ測定装置６０に導通する。このとき、このひずみゲージＧ_１１、Ｇ_１２，Ｇ_１３は図２のものと同様に測定装置６０のゲージ素子選択部１１に接続する。この装置で制御回路３４は前記参考例のものと同様に各ひずみゲージＧ_１１、Ｇ_１２、Ｇ_１３にそれぞれ対応する抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を順次求め、求めた抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を記憶回路３５に記憶保持させる。

さらに、制御回路３４は、チャンネル切換部６１のスイッチ回路に制御信号を順次供給しチャンネルを切り換える。そして、その切替えごとに、選択された各ロゼットゲージＧ_ｋに関して３軸方向のひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３にそれぞれ対応する抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を求め、記憶する。このようにして、ｎ個のチャンネル分のスイッチ回路Ｓ_ｋ′をすべて選択することにより、ｎ個の各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に３軸方向の抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を記憶回路３５に記憶保持させる。

次に、制御回路３４は、操作者の所定の操作等により指示されたタイミング等に従って、初期状態における測定と同様にしてひずみ測定を行い、各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に３軸方向の抵抗比データＣ_ε１〜Ｃ_ε３を求めて記憶回路３５に記憶保持させる。そして、制御回路３４は、各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に記憶回路３５に保持されたゲージ率Ｋ、各軸方向の初期状態における抵抗比Ｃ_０１〜Ｃ_０３およびひずみ測定時の抵抗比Ｃ_ε１〜Ｃ_ε３のデータを記憶回路３５から読み込む。そして、読み込んだ上記の各データの値を用いて、前記の式（２）の演算を行うことで、物体のｎ個の測定点のそれぞれにおける３軸方向のひずみε_１〜ε_３を求める。以上の説明から明らかなように、多点ひずみ測定装置６０のゲージ素子選択部１１および測定部１２は本発明における測定手段として機能する。また、チャンネル切換部６１は本発明におけるスイッチ手段として機能し、測定部１２の制御回路３４は、スイッチ制御手段として機能することとなる。

上記実施形態によれば、チャンネルを選択的に切り換えることにより、各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に（各測定点毎に）、各ロゼットゲージＧ_ｋの各軸方向のひずみを算出することができる。つまり、各測定点における３軸方向のひずみを、それらの測定点を容易に区別しながら測定できる。

また、各測定点に対応する信号線の抵抗値が、測定点同士で互いに異なる場合も測定に悪影響を及ぼさなくなる。また、測定点を切り換えるスイッチの接点抵抗が測定誤差の要因とならないので、接点抵抗ができるだけ小さなスイッチ素子を選択したり、接点抵抗の影響を補償する方策を採る必要がなく、その結果、コストを低減することができる。また、ひずみ測定に際してロゼットゲージあたり、従来の１ゲージ３線法では９本の信号線が必要になるが本実施形態によれば信号線は６本で足り、ｎ組の総数でも信号線が従来に比べて３分の２に低減できる。従って、信号線に必要な材料も低減し、かつ、信号線を配線しやすくなる。

なお、ｎ個のロゼットゲージは測定対象の物体のｎ個の部位に貼着されるものとして説明したが、ｎ個のロゼットゲージがｎ個の物体に貼着されるものとしてもよい。また、各ロゼットゲージを構成する３個のひずみゲージは必ずしも一体的でなくてもよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る多点ひずみ測定システムを図６を参照して説明する。多点ひずみ測定システムは、多点ひずみ測定装置７０と、ｎ個の測定モジュール８０と、測定モジュール８０に接続されたｎ個のロゼットゲージＧ_ｋ（ｋ＝１〜ｎ）とを備える。各ロゼットゲージＧ_ｋは、例えば、３軸方向のひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３を一体的に構成してなる３軸のひずみゲージである。各ロゼットゲージＧ_ｋのひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３は直列に接続されており、この直列回路の一端にはリード線ｒ_ｋ１、ｒ_ｋ２が結線されており、他端にはリード線ｒ_ｋ５、ｒ_ｋ６が結線されている。ゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２の接続点およびＧ_ｋ２、Ｇ_ｋ３の接続点には、それぞれリード線ｒ_ｋ３、ｒ_ｋ４が結線されている。

多点ひずみ測定装置７０は、ゲージ素子選択部１１と、測定部１２と、チャンネル制御部７１とを備えている。この装置７０では、ゲージ素子選択部１１と測定部１２は前記参考例と同一であり、これらの構成については前記参考例のひずみ測定装置１０と同一の参照番号を付与し、説明を省略する。

チャンネル制御部７１は、測定部１２の制御回路３４（図３参照）の制御の下、測定モジュール８０を選択するための制御信号を測定モジュール８０に供給する。各測定モジュール８０は、６つのスイッチ素子からなるスイッチ回路８１と、チャンネル識別回路８２とを備える。各測定モジュール８０は、一端が共通の信号線Ｌ_１〜Ｌ_６およびＬ_ｃで多点ひずみ測定装置７０に接続され、他端が各ロゼットゲージＧ_ｋを構成するひずみゲージＧ_ｋ１，Ｇ_ｋ２，Ｇ_ｋ３に結線されたリード線ｒ_ｋ１〜ｒ_ｋ６に接続されている。尚、信号線Ｌ_ｃは図面上では１本の線で表現されているが実際には２線以上の線から構成されている。信号線Ｌ_１〜Ｌ_６はそれぞれスイッチ回路８１のスイッチ素子の一端に接続され、スイッチ素子の他端が、各ロゼットゲージＧ_ｋに結線されたリード線ｒ_ｋ１〜ｒ_ｋ６に接続されている。チャンネル識別回路８２は、多点ひずみ測定装置７０から信号線Ｌ_ｃを経由する制御信号を識別し、制御信号に応じてスイッチ素子をオン／オフする。

上記構成の多点ひずみ測定装置７０は、次のように動作する。まず、ひずみ測定の基準とする初期状態において、以下のように測定が行われる。ｎ個のロゼットゲージＧ_ｋ（ｋ＝１〜ｎ）は測定対象の物体のｎ個の部位に貼着され、各測定モジュール８０は適宜配置される。多点ひずみ測定装置７０の所定の操作等により、測定部１２の制御回路３４（図３参照）を動作させる。このとき、チャンネル制御部７１は、制御回路３４の制御の下、測定モジュール８０に制御信号を供給する。選択された測定モジュール８０では、チャンネル識別回路８２は、６つのスイッチ素子をオンさせる。この測定モジュール８０に接続されたロゼットゲージＧ_ｋのひずみゲージＧ_ｋ１，Ｇ_ｋ２，Ｇ_ｋ３は多点ひずみ測定装置７０に導通する。このとき、このひずみゲージＧ_ｋ１，Ｇ_ｋ２，Ｇ_ｋ３は図２のものと同様に測定装置７０のゲージ素子選択部１１に接続する。

この装置で制御回路３４は前記参考例のものと同様に各ひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３にそれぞれ対応する抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を順次求め、求めた抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を記憶回路３５に記憶保持させる。さらに、制御回路３４は、測定モジュール８０を順次切り換える。そして、その切替えごとに、選択された各ロゼットゲージＧ_ｋに関して３軸方向のひずみゲージＧ_ｋ１、Ｇ_ｋ２、Ｇ_ｋ３にそれぞれ対応する抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を求め、記憶する。このようにして、ｎ個のチャンネル分の測定モジュール８０をすべて選択することにより、ｎ個の各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に３軸方向の抵抗比Ｃ_０１、Ｃ_０２、Ｃ_０３を記憶回路３５に記憶保持させる。

次に、制御回路３４は、操作者の所定の操作等により指示されたタイミング等に従って、初期状態における測定と同様にしてひずみ測定を行い、各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に３軸方向の抵抗比データＣ_ε１〜Ｃ_ε３を求めて記憶回路３５に記憶保持させる。そして、制御回路３４は、各ロゼットゲージＧ_ｋ毎に記憶回路３５に保持されたゲージ率Ｋ、各軸方向の初期状態における抵抗比Ｃ_０１〜Ｃ_０３およびひずみ測定時の抵抗比Ｃ_ε１〜Ｃ_ε３のデータを記憶回路３５から読み込む。そして、上記の各データの値を用いて、前記の式（２）の演算を行うことで、物体のｎ個の測定点のそれぞれにおける３軸方向のひずみε_１〜ε_３を求める。以上の説明から明らかなように、本実施形態では、測定モジュール８０はそれぞれ本発明における測定用モジュールに相当し、それらの測定モジュール８０の全体が本発明におけるスイッチ手段として機能する。そして、測定部１２の制御回路３４とチャンネル制御部７１とが本発明におけるスイッチ制御手段として機能する。また、多点ひずみ測定装置７０のゲージ素子選択部１１および測定部１２は本発明における測定手段として機能する。

この実施形態によれば、各モジュール８０に結線された共通の信号線Ｌ_１〜Ｌ_６が長くてもその抵抗値がひずみ測定値に影響を及ぼさずに多点ひずみ測定を行うことができる。また、測定点を切り換えるスイッチの接点抵抗が測定誤差の要因とならないので、接点抵抗ができるだけ小さなスイッチ素子を選択したり、接点抵抗の影響を補償する方策を採る必要がなく、その結果、コストを低減することができる。また、ひずみ測定に際してロゼットゲージあたり、従来の１ゲージ３線法では９本の信号線が必要になるが本実施形態によれば信号線は６本で足り、ｎ組の総数でも信号線が従来に比べて３分の２に低減できる。従って、信号線に必要な材料も低減し、かつ、信号線を配線しやすくなる。

なお、上記実施形態ではｎ個のロゼットゲージＧ_ｋ１，Ｇ_ｋ２，Ｇ_ｋ３は物体のｎ個の部位に貼着されるものとしたが、ｎ個の物体に貼着されるものとしてもよい。また、各ロゼットゲージを構成する３個のひずみゲージは必ずしも一体的でなくてもよい。

１つのひずみゲージＧ_１を選択する方法を説明するための図。参考例のひずみ測定装置を示す図。参考例のひずみ測定装置の測定部を示す図。参考例におけるひずみゲージと検出部の接続を示す図。本発明の第１の実施形態の多点ひずみ測定システムを示す図。本発明の第２実施形態の多点ひずみ測定システムを示す図。従来の１ゲージ３線法の測定回路を示す図。

符号の説明

１１・・・ゲージ素子選択部、６０，７０・・・多点ひずみ測定装置、７１・・・チャンネル制御部、８０・・・測定モジュール、８１・・・スイッチ回路、８２・・・チャンネル識別回路、Ｇ_１，Ｇ_２・・・ロゼットゲージ、Ｇ_1k，Ｇ_2k，…，Ｇ_nk・・・ひずみゲージ、ｒ_1k，ｒ_2k，…，ｒ_nk・・・リード線。

Claims

ロゼットゲージを構成する３個のひずみゲージを直列に接続して、ひずみゲージどうしの接合点にそれぞれ各１本の信号線を結線しておくと共に、該３個のひずみゲージの直列回路の両端部にはそれぞれ各２本の信号線を結線しておき、
前記３個のひずみゲージを直列に接続することと前記信号線の結線とがそれぞれなされた複数のロゼットゲージと、
各ロゼットゲージに対して、該ロゼットゲージを構成する各ひずみゲージを測定用ひずみゲージとして選択する手段と、その選択した測定用ひずみゲージに前記信号線のうちの２つの信号線を介して電流を流す手段と、該電流を流した測定用ひずみゲージに生じる電圧をそれぞれ前記２つの信号線とは異なる２つの信号線を介して抽出する手段と、その抽出した電圧に基づいて、該測定用ひずみゲージに生じたひずみを求める手段とを含む測定手段と、
各ロゼットゲージの信号線が接続され、前記測定手段に接続するロゼットゲージを選択的に切り換えるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段を制御するスイッチ制御手段と、
を備えたことを特徴とする多点ひずみ測定システム。
前記スイッチ手段は、各ロゼットゲージにそれぞれ対応する複数のチャンネルを有すると共に、該チャンネルを選択的に指定する信号を識別するチャンネル識別手段をそれぞれ備える複数の測定用モジュールを備え、
前記複数の測定用モジュールは、それぞれ前記各ロゼットゲージの信号線に接続されると共に、前記測定手段に接続された共通の信号線に結線されており、
前記スイッチ制御手段は、各ロゼットゲージに対応したチャンネルを指定する信号を前記測定用モジュールに供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載の多点ひずみ測定システム。