JPH0611625Y2 - ストレンゲージ用増幅器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 考案の技術分野 本考案は、ストレンゲージによる歪測定技術に関し、特
にそのブリッジ回路出力を増幅するための増幅器の改良
に係る。

考案の背景 ストレンゲージの出力電圧は、非常に小さく、高くても
数mmボルト程度である。このため実際の測定では、演算
増幅器が用いられている。

従来技術 従来のこの種の増幅技術では、複数の演算増幅器が必要
とされるほか、高い精度の抵抗器が必要とされる。その
上、正負対象で、かつ電圧の変動率の小さい直流電源を
必要としている回路が多い。一方、工業用の測定分野で
は、増幅の直線性よりも、零点の安定性や装置の簡素化
の要求が強い。

考案の目的 したがって、本考案の目的は、簡単な回路構成で高利得
のストレンゲージ用増幅器を提供し、さらに、電源電圧
の変動時にブリッジ回路の零点の変動を防止することで
ある。

考案の概要 そこで本考案は、ストレンゲージのブリッジ回路の各出
力をそれぞれ演算増幅器の反転入力端および非反転入力
端に直接接続するとともに、電源の分圧電圧および演算
増幅器の出力電圧をそれぞれ抵抗器により反転入力端に
印加するようにしている。これによって電源電圧や環境
が悪化した場合においても、ブリッジ回路の零点が安定
に保たれ、簡単な構成ながら、信頼度の高い安定な測定
が可能となる。

考案の構成 以下、本考案の構成を図に基づいて具体的に説明する。

まず、第１図は、ストレンゲージ１、２、３、４のブリ
ッジ回路５を示している。このブリッジ回路５は、ホイ
ストンブリッジであり、対応の接続点で、電源端子６と
アース７との間に接続されており、他の接続部分は、そ
れぞれブリッジ回路５の出力端子８、９に接続されてい
る。

ストレンゲージ１、２、３、４の抵抗値がＲ１、Ｒ２、
Ｒ３、Ｒ４であり、また、電源端子６に直流電圧Ｅの電
圧が印加されるとすると、その出力端子８、９の間の差
動的な出力電圧Ｅｏは、下記の式（１）により表され
る。

ここで抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の初期抵抗値をと
もにＲとし、抵抗値Ｒ１、Ｒ４の歪量を−δ、また抵抗
値Ｒ２、Ｒ３の歪量を＋δとすると、上記式（１）は、
下記のように書き改められる。

上記の式から、出力電圧Ｅｏは、ストレンゲージ１、
２、３、４の歪量δに正比例している。

さて、第２図は、本考案のストレンゲージ用増幅器１０
を示している。ブリッジ回路５の出出力端子８、９は、
直接、演算増幅器１１の反転入力端および非反転入力端
に接続されている。そして電源端子６とアース７との間
に、零点補正用の可変抵抗器１２が接続されており、そ
の出力側の可動端が抵抗器１５によって反転入力端に接
続されている。また演算増幅器１１の出力端は、帰還用
の抵抗器１６により同様に反転入力端に接続されてい
る。

考案の作用 上記の回路構成において、計数αを用いて、零点補正用
の可変抵抗器１２の分圧電圧をαＥ（０≦α≦１）と
し、演算増幅器１１の開放利得およびその入力インピー
ダンスが充分に高いという理想的な演算増幅器であると
するならば、出力端子１３，１４間の出力Ｖｏは、次の
式（２）で示される。

なお、上記式（２）は、第２図において図示の電流ｉ
１、ｉ２、ｉ３、ｉ４を想定することにより求められ
る。

電流の合流点で次式が成立し、これから出力端子８の電
圧Ｖｘが求められる。

ｉ１＝ｉ２＋ｉ３＋ｉ４ 式（２１）より次式が得られる。

また式（２２）（２３）より次式が得られる。

上記式の両辺にＲ６を掛けることにより、前記式（２）
が求められる。

今、ブリッジ回路５が平衡な状態、すなわち、Ｒ２・Ｒ
３−Ｒ１・Ｒ４＝０の状態にあるのとき、出力Ｖｏが０
となるように、零点補正用の可変抵抗器１２を調整する
と、上記式（２）の大括弧内の第２項および第３項によ
る出力が互いに打ち消されるから、そのときの計数α
は、下記のようになっている。

したがって直流電圧Ｅが変化しても、出力Ｖｏは、常に
０を保つことになる。ストレンゲージ１、２、３、４が
それぞれ初期抵抗値Ｒをもつならば、上記式（３）は、
下記のように書き換えられる。

その後のストレンゲージ１、２、３、４の歪量をδとす
るならば、Ｒ１＝Ｒ４＝Ｒ−δ、Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ＋δと
なるから、式（２）は、次のように表される。

ストレンゲージ１、２、３、４の通常の使用範囲すなわ
ち歪量１／１００以下であることを考慮し、式（４）を
式（５）に近似したとしても、その誤差は、0.01％以下
となる。したがって上記式（５）から出力Ｖｏは、歪量
δに比例することになる。

また、式（５）からストレンゲージ１、２、３、４の初
期抵抗値Ｒが一般には数百オームで、定まっている場
合、演算増幅器１１の利得は、抵抗器１６の抵抗値Ｒ６
によって決まり、その値を大きく設定すれば、高い利得
が得られることになる。

第２図から明らかなように、本考案は、ブリッジ回路５
に対する供給電源を片電圧としており、しかもその直流
電圧Ｅを分圧した分圧電位αＥにより平衡時の出力Ｖｏ
を０にしている。そのため、前述の係数αは、直流電圧
Ｅに関係しないので、式（５）からもわかる通り、直流
電圧Ｅが変動しても、出力Ｖｏは、零点を保つ。このこ
とは、従来の正負両電源をストレンゲージのブリッジ回
路へ供給している方式において、零点の安定を正負電源
の対称性によって定めていることと比較すれば、極めて
有利である。またこのことは、ストレンゲージ１、２、
３、４によって検出した歪量δを制御信号として使用す
る装置に適用したときに、一時的に直流電圧Ｅの変動が
あったとしても、極端の誤差が出ず、信頼性の高い測定
が可能となることを意味している。

いままでの説明では、演算増幅器１１の同相信号増幅に
よる影響を省いているが、参考までに、この回路の同相
信号出力電圧ＣＭＶについて説明しておく。この同相信
号出力電圧ＣＭＶは、抵抗値Ｒ５、Ｒ６が大きく、さら
に演算増幅器１１の開放利得が充分に大きく、その同相
信号除去比をＣＭＲＲとすると、下記によって示され
る。

さらに、前記Ｒ１＝Ｒ４＝Ｒ−δ、Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ＋δ
が適用される場合に、上記式（７）は、次のように書き
改められる。

したがって実際の出力Ｖｏは、先の式（２）または式
（５）にそれぞれ式（７）または式（８）を加えたもの
となる。この同相信号出力電圧ＣＭＶによる影響を少な
くするためには、同相信号除去比ＣＭＲＲの大きな演算
増幅器１１を使用しなければならないことは、言うまで
もない。本考案のストレンゲージ用増幅器１０において
も、高い同相信号除去比ＣＭＲＲの演算増幅器１１を使
用することにより、同相信号出力電圧ＣＭＶによる影響
がほとんどなくなることを確認している。

具体的な回路例 さて、第３図は、実際の具体的な回路を示している。

演算増幅器１１には、必ずしも対称でない正負両電源＋
Ｖ、−Ｖが接続されている。その電源電圧＋Ｖは、限流
用の抵抗器１７を介し、ストレンゲージ１、２、３、４
に電流が供給される。この限流用の抵抗器１７は、前記
正側電源＋Ｖの電圧が高くても、適当にストレンゲージ
１、２、３、４への電流を規制し、電流による温度上昇
を防ぎ、温度によるブリッジ回路５の出力変動を小さく
抑えている。もちろんここでも、ブリッジ回路５の一端
は、直接アース７に接続されており、対称な電源−Ｖに
接続されていない。

考案の効果 本考案では、１個の演算増幅器を使用し、高精度の抵抗
器を使用しなくても、安定で、かつ高利得を得ることが
できるストレンゲージ用増幅器を構成することができ
る。また、ストレンゲージへの供給電圧を取り立てて安
定化しなくても、平衡時の零点出力の変動が電源電圧の
変動の影響をほとんど受けないストレンゲージ用増幅器
が簡単に構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はストレンゲージのブリッジ回路の回路図、第２
図は本考案のストレンゲージ用増幅器の回路図、第３図
は本考案のストレンゲージ用増幅器の実際の回路図であ
る。 １、２、３、４……ストレンゲージ、５……ブリッジ回
路、６……電源端子、７……アース、８、９……出力端
子、１０……ストレンゲージ用増幅器、１１……演算増
幅器、１２……可変抵抗器、１３、１４……出力端子、
１５、１６、１７、……抵抗器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電圧が印加される４個のストレンゲー
   ジのブリッジ回路の各出力端を演算増幅器の反転入力端
   および非反転入力端にそれぞれ直接接続するとともに、
   上記直流電圧を零点補正用の可変抵抗器により分圧し、
   その分圧電圧の出力端を抵抗器を介して、上記演算増幅
   器の反転入力端に接続し、さらにこの演算増幅器の出力
   端を帰還用の抵抗器を介して反転入力端に接続してなる
   ことを特徴とするストレンゲージ用増幅器。