JPS6124641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はデイジタルひずみ測定装置の改良に関
するものである。第１図は従来装置の構成図、第
２図は１枚のひずみゲージに４本の延長ケーブル
が接続される状態を示す図、第３図は従来装置の
ひずみ検出回路図である。第１図に示す従来装置
は、CC₁，CC₂なる２個の定電流源をそなえ、第
２図のような４線式接続法のひずみゲージ２枚を
それぞれ図のように結線してI₁，I₂なる定電流で
励振する一方、各ひずみゲージ両端の電圧降下を
直列にして増幅器１で一括増幅した後、Ａ／Ｄ変
換器２でデイジタル量に変換することにより、あ
る載荷状態下のひずみゲージの出力を表示および
印字部３で測定していた。なお第１図において、
Rg₁はアクチーブゲージ、Rg₂はダミーゲージ、
r₁〜r₈はひずみゲージの延長ケーブルの抵抗値で
ある。このような構成にした場合、一見２枚のひ
ずみゲージそれぞれの電圧降下、すなわち機械的
ひずみに比例した電圧のみを正確に検出し得るよ
うに見えるが、実際には次に述べるような欠点が
あつた。

(1) 定電流源CC₁，CC₂は常に全く同一の励振電
流Ｉ＝I₁＝I₂をひずみゲージに供給することが
不可能で、I₁，I₂は瞬間的な変動のほか、長時
間の変動においても全く無関係、異質の変動を
示すので、測定値に対し、零点変動、感度変化
等の障害を与えていた。

(2) (1)で述べた欠点を少しでも軽減するため、二
つの定電流源の一方をマスタとし、他方をスレ
ープにしてマスタ側の変動に追従させるトラツ
キング型にすることも考えられるが、二つの定
電流電源CC₁，CC₂を電気的に完全に絶縁する
ことがむずかしく、両者の間はｒ_nで示す抵抗
で接続された形となり、第１図に点線で示す分
岐電流I₃，I₄が新たに生じ、これが定電流源
CC₁，CC₂の出力変動、周囲温度の変化等によ
り複雑・微妙に変化して、ｃ点，ｇ点の電位変
化の原因となり、測定に誤差を混入させてい
た。

(3) 第３図に示すように、ひずみゲージ回路にＥ
_T1，Ｅ_T2（仮りに極性を付した）で示す熱起電
力が存在すると、その熱起電力が同一電圧、逆
極性の場合にのみ打ち消されるが、通常そのよ
うなことはなく、ひずみゲージ回路の熱起電力
はそのまま測定誤差となり、また熱起電力は、
増幅器の入力回路付近にも存在するが、これも
そのまま測定誤差の一因となつていた。

(4) 第３図にＥ_dで示す電圧は、増幅器出力にあ
らわれる増幅器自体の零位変動を増幅器入力側
の変動に換算した上、仮りに極性を付して示し
たものであるが、このＥ_dも直接に測定誤差を
左右していた。

なお第３図において、出力Ｅ_pは次式で与え
られる。

Ｅ_p＝（Ｅ_g1−Ｅ_g2）＋（Ｅ_T1−Ｅ_T2）−Ｅ_d 上式において、第１項は機械的ひずみに比例
して変化する項であり、第２項はひずみゲージ
回路の熱起電力を示す項であり、第３項は増幅
の零位変動を示す項である。

(5) 同一仕様、同一特性の２個の定電流源を必要
とし、極めて高価となつていた。

本発明はこれら従来装置のもつ欠点を排除し
て、正確なひずみを検出することのできるデイジ
タルひずみ測定装置を提供しようとするものであ
る。以下図面により本発明を詳細に説明する。

第４図は本発明に係るデイジタルひずみ測定装
置一実施例を示す構成図、第５図および第６図は
第４図に示すひずみ検出回路の説明図、第７図〜
第９図は第４のひずみ検出回路が１枚ゲージ、２
枚ゲージ、４枚ゲージ等の異なつた構成にするこ
とができることを示す説明図である。

第４図において、Ｒ_g1は被測定体のひずみに比
例した抵抗変化を示すアクチーブゲージで、r₁〜
r₄なる抵抗をもつ延長ケーブルにより、またＲ_g2
は被測定体と同一材質、同一熱容量で、かつ応力
的には解放状態にある物体に接着されて、周囲温
度変化の補償を行うためのダミーゲージであつ
て、r₅〜r₈なる抵抗をもつ延長ケーブルでそれぞ
れ第４図のようにひずみ検出回路を構成してい
る。

すなわちアクチーブゲージＲ_g1の両端にそれぞ
れ接続された２本の延長ケーブルのうち、各１本
は二つの極性切換スイツチ（以下、スイツチとい
う）S₁，S₂を介して定電流電源CCに接続され、
これによつて第１の定電流回路が形成される。他
方の一方の延長ケーブルの一方は、ひずみ検出出
力を導出するための第１の出力端とされ、この場
合、増幅器１の一方の入力端に接続されている。
一方、ダミーゲージＲ_g2の両端に接続された各２
本の延長ケーブルのうち各１本はスイツチS₁およ
びS₂を介して定電流電源CCに接続され、これに
よつて第２の定電流回路が形成される。他の延長
ケーブルの一方は、ひずみ検出出力を導出するた
めの第２の出力端とされ、この場合、バイアス用
電源Ｅ_bを介して増幅器１の他方の入力端に接続
されている。アクチーブゲージＲ_g1に接続された
残りの延長ケーブルとダミーゲージＲ_g2に接続さ
れた残りの延長ケーブルとは、互いに接続されそ
の接続点はアースされている。前記スイツチS₁お
よびS₂をもつて第１の定電流回路に回路挿入され
たアクチープゲージＲ_g1と第２の定電流回路に回
路挿入されたダミーゲージＲ_g2に対し、定電流電
源CCから互いに逆極性の定電流を選択的に供給
し得るように構成されている。

Ｅ_bで示すバイアス用電源は、アクチーブゲー
ジＲ_g1またはダミーゲージＲ_g2の微小抵抗変化に
伴う微小電圧変化を増幅するとき、励振電流I₁ま
たはI₂による各ひずみゲージの電圧降下I₁R_g1，
I₂R_g2そのものによつて、増幅器が飽和するのを
防止するための打ち消し電圧挿入用の定電圧電源
である。

いま、スイツチS₁，S₂を第４図のように、アク
チーブゲージＲ_g1を励振すべく切り換えたとする
と、定電流電源CCからI₁なる定電流がひずみゲ
ージＲ_g1に供給され、このときの、ひずみ検出回
路の挙動は第５図に示すようになる。

第５図において、仮りに極性を付して示した電
圧Ｅ_T1，Ｅ_T2は、アクチーブゲージＲ_g1およびダ
ミーゲージＲ_g2それぞれの接続部分に生じている
不要な熱起電力を示し、また仮りに極性を付して
示した電圧Ｅ_dは、増幅器出力側に現れる増幅器
自体の零位変動を増幅器入力側に換算して示した
ものである。

第５図の状態におけるひずみ検出回路の出力Ｅ
_p1は Ｅ_p1＝（Ｅ_g1−Ｅ_b）＋（Ｅ_T1−Ｅ_T2）−Ｅ_d ……(1) となり、この電圧は増幅器１で適当に増幅された
後、Ａ／Ｄ変換器２によりデイジタル化され、レ
ジスタ４に一時的に蓄えられる。このＥ_p1には(1)
式の第２項に示す熱起電力および(1)式の第３項に
示す増幅器の零位変動等の誤差要因が含まれたま
まであるが、これを以下に示す操作によつて完全
に除去しようとするのが、本発明の基本的な考え
方である。

すなわち、(1)式のＥ_p1を測定して得たデイジタ
ルデータをレジスタ４に蓄えた後、スイツチS₁，
S₂をダミーゲージＲ_g2励振側に切り換えて、Ｒ_g2
にI₂なる定電流を前述のI₁とは逆方向にして与え
ると、ひずみ検出回路は第６図に示すようにな
り、この回路の出力電圧Ｅ_p2は Ｅ_p2＝（Ｅ_g2−Ｅ_b）＋（Ｅ_T1−Ｅ_T2）−Ｅ_d ……(2) となり、前記Ｅ_p1同様、増幅、Ａ／Ｄ変換した
後、第４図に示す演算回路５でＥ_p1−Ｅ_p2に相当
する引き算を対応するデイジタル量で行えば、得
られる結果Ｈ_nは(3)式に示すように、バイアス電
源Ｅ_b、ひずみ検出回路の熱起電力（Ｅ_T1−Ｅ_T
２）および増幅器自体の零位変動Ｅ_d等による悪
影響が一切排除されるほか、アクチーブゲージＲ
_g1とダミーゲージＲ_g2それぞれの両端に現われる
電圧降下の差をとつているので、周囲温度変化に
基づく被測定の伸縮による測定誤差をも補償し
て、ある条件で載荷されているアクチーブゲージ
の抵抗変化、すなわち機械的なひずみの変化にの
み追従、比例したものとなる。

Ｅ_p1−Ｅ_p2＝Ｅ_g1−Ｅ_g2≡Ｈ_n ……(3) このように、ひずみに対応する一つの測定値を
得るために、アクチーブゲージ、ダミーゲージに
流す励振伝流の方向を変えて、各１回づつ計２回
の測定を極めて短時間で行うので、バイアス電源
Ｅ_b、増幅器の零位等は、この短い時間中、安定
に作動するようなものであればよく、本発明は安
価に実現可能なことを示している。

しかし(3)式におけるＥ_p1−Ｅ_p2に相当するデイ
ジタル量Ｈ_nは、ある載荷状態で一定の抵抗変化
を生じているひずみゲージの出力を示すものであ
り、本発明では如何にしてこのＨ_nを得るかとい
うことについて述べた。

次にこの原理を用いた実用的なひずみ測定器の
一例を第４図（点線を含む）により説明する。第
４図において、点線で示した記憶装置６や演算回
路７は、実線で示した部分に付加したうえ（ただ
し点線の部分を付加したときは、演算回路５と表
示および印字部３を結ぶ実線は削除する）、ひず
みゲージの貼り付けられた被測定体が無負荷状態
で、前記(3)式のＨ_nを測定し、これを初期値Ｈ_iと
して記憶装置に記憶した後、被測定体に載荷して
同様測定する。このようにして得たＨ_nを、載荷
後の測定値Ｈ_lとして、演算回路２に導き、両者
の差を求めるように構成すれば、載荷によつて生
じた真の機械的ひずみＨは、 Ｈ＝Ｈ_l−Ｈ_i ……(4) として求めることが可能である。

以上の説明においては、測定点を１点と仮定し
て記述したが、第４図の記憶装置を必要な測定点
の数に対応して、増設し、同時にひずみ検出回路
のａ，ｄ，ｅ，ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌの８個所を必
要な測定点数だけ、切り換え可能にして、多点の
ひずみ測定に共用することも容易にできるほか、
第４図に示す演算回路のはたらき（Ｅ_p1−Ｅ_p2に
相当する引き算をデイジタル量で行う）を、従来
公知の積分型Ａ／Ｄ変換器の積分器を利用して行
うことも可能で、第１０図により、これを説明す
る。

第１０図において、で示す時間t₁なる領域
は、従来公知の積分型Ａ／Ｄ変換器における被測
定電圧の積分期間で、本発明に応用する場合は、
前記(1)式のＥ_p1を積分する。従来の積分型Ａ／Ｄ
変換器は、この後直ちに内蔵の基準電圧の積分を
行うので、で示す時間t₃の段階に至るが、本発
明に適用した場合は、で示す時間t₂の積分過程
が付加され、この段階で(2)式に示すＥ_p2を積分す
る。この場合とで示す時間t₁，t₂なる積分過
程で、入力電圧Ｅ_p1およびＥ_p2の積分結果が互い
に打ち消す方向に積分すれば、，の積分が終
了した時点で、等価的にＥ_p1−Ｅ_p2を演算したの
と全く等価で、以後の段階を経て、従来公知の
方法により、このＥ_p1−Ｅ_p2を単純にデイジタル
化するのみで、(3)式に示すひずみに対応したＨ_n
なるデイジタル量を得ることができ、以下(4)式に
示すＨを求めるのと同様の手法で、真の機械的ひ
ずみを求めることが可能である。

なお第４図〜第６図および第８図に示した実施
例においては、第１の定電流回路と第２の定電流
回路に直列に回路挿入される抵抗素子の組合わせ
として、ひずみゲージの両端にそれぞれ２本の接
続ケーブルを接続してなる単独のアクチーブゲー
ジＲ_g1とこれと同様にそれぞれ２本の接続ケーブ
ルを接続してなる単独のダミーゲージＲ_g2との組
合わせの例について説明したが、そのほか、第７
図に示すように、前記単独のアクチーブゲージＲ
_g1と両端にそれぞれ２本の接続ケーブルを接続し
てなる固定抵抗Ｒ_dとの組合わせ（これは１枚ゲ
ージ法という）、第９図に示すように２枚のひず
みゲージの各一端を接続して直列接続とし、各他
端にそれぞれ２本の接続ケーブルを接続してなる
２枚のアクチーブゲージＲ_g1，Ｒ_g3とこれと同様
に各他端に２本の接続ケーブルを接続してなる２
枚のダミーゲージＲ_g2，Ｒ_g4との組合わせ（これ
は４枚ゲージ法という）を用いてもよい。ただ
し、第９図に示す４枚ゲージ法の場合、増幅器１
のバイアス用電源は２Ｅ_b〔Ｖ〕とする。

以上詳しく説明したところより明らかなよう
に、本発明に係るデイジタルひずみ測定装置は、
次に述べるような種々の利点がある。

(1) ひずみゲージの延長ケーブルの抵抗やその接
続部分の接触抵抗に基づく測定誤差が皆無であ
り、従つて延長ケーブルは細い導線でよく、ま
たその接続は半田付けでなく、もつと手軽な接
続法でよい。

(2) ひずみ検出回路に存在する不要な熱起電力の
影響を完全に除去できる。

(3) 定電流電源が１個であるから、従来の２個の
定電流電源を用いた方式と異なつて、両電源の
出力差による零点変動誤差が発生しない。

(4) ひずみ検出出力を増幅する場合、増幅器の零
位変動があつても、熱起電力同様排除されるの
で、安価な増幅器で、精度よく測定できる。

(5) 増幅器の飽和を防止するバイアス電源を用い
る場合、そのバイアス電源は、極めて短い時間
安定なものであればよく、従来の定電流電源２
個の場合より、ひづみ検出回路の励振電源の価
格を下げることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の構成図、第２図は１枚のひ
ずみゲージに４本の延長ケーブルが接続される状
態を示す図、第３図は従来装置のひずみ検出回路
図、第４図は本発明の一実施例を示す構成図、第
５図および第６図は第４図に示すひずみ検出回路
の説明図、第７図は本発明による１枚ゲージ法の
説明図、第８図は本発明による２枚ゲージ法の説
明図、第９図は本発明による４枚ゲージ法の説明
図、第１０図は第４図の演算回路５の変形例の動
作を示す説明図である。 １……増幅器、２……Ａ／Ｄ変換器、３……表
示および印字部、４……レジスタ、５……演算回
路、６……記憶装置、７……演算回路、CC……
定電流電源、Ｒ_g1……アクチーブゲージ、Ｒ_g2…
…ダミーゲージ、S₁，S₂……スイツチ、Ｅ_b……
バイアス用電源、Ｒ_d……固定抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ひずみゲージを定電流で励振しそのひずみゲ
   ージの抵抗変化に基づく信号をデイジタル演算処
   理して被測定対象のひずみを測定するデイジタル
   ひずみ測定装置において、被測定対象に接着され
   ひずみに比例した抵抗変化を示す１枚または直列
   接続された２枚のひずみゲージよりなるアクチー
   ブゲージの両端にそれぞれ接続された２本の延長
   ケーブルのうち、各１本の延長ケーブルの他端を
   極性切換スイツチを介して定電流源にそれぞれ接
   続して第１の定電流回路を形成し、他の一方の延
   長ケーブルの他端を増幅器の一方の入力端に接続
   し、応力的には解放状態にある物体に接着され周
   囲温度変化の補償を行うための１枚または直列接
   続された２枚のひずみゲージよりなるダミーゲー
   ジもしくは固定抵抗の両端にそれぞれ接続された
   ２本の延長ケーブルのうち、各１本の延長ケーブ
   ルの他端を前記極性切換スイツチを介して前記第
   １の定電流回路とは逆極性となるように前記定電
   流源にそれぞれ接続して第２の定電流回路を形成
   し、他の一方の延長ケーブルの他端をバイアス用
   電源を直列に介して前記増幅器の他方の入力端に
   接続し、前記アクチユーブゲージに接続された残
   りの延長ケーブルの他端と前記ダミーゲージもし
   くは前記固定抵抗に接続された残りの延長ケーブ
   ルの他端とを接続するとともに接地し、前記増幅
   器の出力端をＡ／Ｄ変換器の入力端に接続し、前
   記Ａ／Ｄ変換器の出力端をレジスタの入力端に接
   続するとともに演算回路の入力端にそれぞれ接続
   してなり、前記極性切換スイツチを選択的に切換
   操作することによつて前記定電流源から前記第１
   の定電流回路に正極性の定電流を供給したとき前
   記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデイジタルデータ
   を前記レジスタに一時的に蓄え、一方、前記第２
   の定電流回路に逆極性の定電流を供給したとき前
   記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデイジタルデータ
   を、前記レジスタに蓄えられたデイジタルデータ
   から前記演算回路によつて減算することによつて
   被測定対象に生じたひずみを測定し得るように構
   成したことを特徴とするデイジタルひずみ測定装
   置。 ２ ひずみゲージを定電流で励振しそのひずみゲ
   ージの抵抗変化に基づく信号をデイジタル演算処
   理して被測定対象のひずみを測定するデイジタル
   ひずみ測定装置において、被測定対象に接着され
   ひずみに比例した抵抗変化を示す１枚または直列
   接続された２枚のひずみゲージよりなるアクチー
   ブゲージの両端にそれぞれ接続された２本の延長
   ケーブルのうち、各１本の延長ケーブルの他端を
   極性切換スイツチを対して定電流源にそれぞれ接
   続して第１の定電流回路を形成し、他の一方の延
   長ケーブルの他端を増幅器の一方の入力端に接続
   し、応力的には解放状態にある物体に接着され周
   囲温度変化の補償を行うための１枚または直列接
   続された２枚のひずみゲージよりなるダミーゲー
   ジもしくは固定抵抗の両端にそれぞれ接続された
   ２本の延長ケーブルのうち、各１本の延長ケーブ
   ルの他端を前記極性切換スイツチを介して前記第
   １の定電流回路とは逆極性となるように前記定電
   流源にそれぞれ接続して第２の定電流回路を形成
   し、他の一方の延長ケーブルの他端をバイアス用
   電源を直列に介して前記増幅器の他方の入力端に
   接続し、前記アクチーブゲージに接続された残り
   の延長ケーブルの他端と前記ダミーゲージもしく
   は前記固定抵抗に接続された残りの延長ケーブル
   の他端とを接続するとともに接地し、前記増幅器
   の出力端を積分型Ａ／Ｄ変換器の入力端に接続し
   てなり、前記極性切換スイツチを選択的に切換操
   作することによつて前記定電流源から前第１の定
   電流回路に正極性の定電流を供給したときの前記
   増幅器出力を前記積分型Ａ／Ｄ変換器の積分器で
   第１段階の積分を行つてその値を保持し、前記第
   ２の定電流回路に前記定電流源から逆極性の定電
   流を供給したときの前記増幅器出力を前記積分器
   で前記第１段階の積分結果を打ち消す方向に第２
   段階の積分を行い、さらに前記積分型Ａ／Ｄ変換
   器内蔵の基準電圧を積分する第３段階の積分を行
   うことにより被測定対象に生じたひずみを測定し
   得るように構成したことを特徴とするデイジタル
   ひずみ測定装置。