ひずみゲージの特性

ひずみとは、加えられた力から生じる材料の変形を指し、長さの変化によって測定されます。ひずみには引張ひずみと圧縮ひずみがあります。ひずみゲージはひずみに比例して電気抵抗を変動させるセンサです。ひずみは圧力、温度、構造的変化など、いくつかの内部または外部の影響によって生じることがあります。最も一般的に使用されるゲージは接着型金属性ひずみゲージで、グリッドパターンに組み立てられた細い金属線または箔から構成されます。このグリッドを試験片に接着して、負荷が加わると発生する長さの変化を検出します。この長さの変化が抵抗値の変化となり、電気回路によって測定されます。不均質材料は、正確なひずみ計測値を取得する上でさまざまな問題が発生する可能性があります。

最近までほとんどのひずみ測定は、スチールやアルミニウム合金等の金属に適用されていました。近年、金属に代わって高分子や合成物が利用されるようになり、著しく異なる機械、温度、化学特性を備えた強化プラスチックがますます増える傾向にあります。金属と高分子の物理的特性の大きな違いは、弾性係数にあります。高分子またはプラスチック材料を含有する複合材料は、ファイバー材料や強化剤の量にもよりますが、金属の2倍以上の弾性係数を持つことがあります。この結果、このような不均質材料のひずみ計測値は、金属よりはるかに大きく、このため、特殊なひずみゲージの接着や配線技術が必要になります。

高分子を基質とする化合物の熱伝導率は、金属の100分の1以下になります。試験片とゲージが変形すると、ゲージの抵抗は、ひずみに応じて変化し、校正電圧オフセットを生じます。ひずみゲージの抵抗を高くすると、生成された電圧に対する加熱が少なくなります。ただし、高分子を基質とする化合物は熱をあまり伝達せず、熱がゲージに蓄積する恐れがあります。この温度上昇によって抵抗が増加し、このためにひずみ測定に誤差が発生します。場合によっては、温度補正が必要になることがあります。

不均質材料の中には吸湿性のものがあり、湿度が変化すると膨張したり収縮したりすることがあります。このような寸法の変動は熱出力と区別されず、ひずみ計測値に誤差をもたらします。プラスチック化合物の基質は吸湿特性が大幅に異なります。例えば、アクリル樹脂は湿度を吸収する性質が強く、ポリエチレンはほとんど湿度を吸収しません。木材も湿度を吸収しやすい不均質材料です。木材は、大気が変化すると膨張収縮します。さらに、乾燥期に発生する収縮は木目に平行な方向では木目に直交する方向より小さくなります。このため、ひずみゲージを補正するためだけではなく、アクティブゲージと補償ゲージの両方に一定の大気条件を提供するために適切な試験片を選択する必要性が高まっています。

ゲージ長はグリッドの受感域として定義されます。ソルダータブ端子やエンドループは、断面積が比較的大きく、電気抵抗が低いことから、ゲージのひずみセンサー領域から除外されます。ひずみゲージ長は典型的に、サンプルのサイズや形状、想定されるひずみ分布に基づいて選択されます。ゲージ長は、ひずみ計測値の精度にも重要な役割を果たします。0.125インチ以上のひずみゲージは通常、優れた安定性と広い測定範囲を実現します。さらに、ゲージのサイズが大きくなると、グリッド面積単位あたりのワット数が低くなるため、熱放散が向上します。

ゲージ長は強化プラスチックやコンクリートのような不均質材料のひずみ計測値の重要な項目でもあります。ひずみ計測値が構造を表すように、サンプルの不均質性の程度と関連した長さが必要です。不均質材料の計測値は通常、骨材および基質材料の周辺部で発生する不揃いな値ではなく、平均のひずみ値を求めます。

ひずみ計測値を最適化する上で正しいゲージパターンを選択することが重要です。ゲージパターンによってグリッドとタブの構成が決まります。グリッド幅は用途に応じて狭い場合も広い場合もあります。グリッド幅が狭いとゲージに縦方向に配向したひずみ勾配の平均誤差を抑制し、グリッド幅が広いと伝熱特性が低い試験片で、熱放散を促進します。タブの構成は設置サイズや設置位置と合わせ、リード線を接続できるようにします。

ほとんどの場合、同じゲージパターンには異なる抵抗値があり、最も一般的な抵抗値は120と350Ωです。ゲージの抵抗を高めることが多いのは、生成される熱量を減少させ、リード線や他の抵抗変化源からの信号ノイズを低減するためです。

接着剤の選択は究極的に測定装置の一部になるため、ひずみゲージの性能に影響を与える場合があります。このため、ゲージの製造元が推奨する接着剤を使用するようにしてください。室温で硬化するエポキシ接着剤は化合物など、ほとんどの不均質材料に使用可能です。温度の変化、時間、伸長能力に対応する特性を備えた、さまざまな接着剤が販売されています。合成シートを張り合わせるためにエポキシを塗布している場合、そのエポキシはゲージの接着剤として適しています。変形を最小限に抑制するために、通常、充填剤無添加の接着剤が好まれます。ただし、不規則な表面になるファイバーを含む複合材料の場合は、接着が困難な場合があります。このような場合、一部充填剤を添加した接着剤を塗布して表面を円滑にしてから、充填剤無添加の接着剤を使用して、試験片をゲージに接着します。

OMEGA® SGD-30/120-LY40は不均質材料専用に設計された超長型ひずみゲージです。グリッドは25mm×8mmで、キャリアは40mm×12mmです。定格抵抗値は120Ωで、はんだパッドで終端処理しています。コンスタンタン箔を使用してグリッドを形成し、ポリイミドキャリア内に密閉されます。オメガのSGD-30/120-LY40は可撓性があり、強力で高精度の静的および動的計測値を実現します。

SGD-30/350-LY40ひずみゲージは、SGD-30/120-LY40と同じ品質の材料で構成されています。長さ50mmで、不均質材料のひずみ計測値の精度を向上します。グリッドは、30mm×3mmで、キャリアは36mm×5mmです。SGD-30/350-LY40の定格抵抗値は、350Ωです。この線形パターンのひずみゲージは、単一方向のひずみ測定専用です。

超長型ひずみゲージは不均質材料のひずみ測定に様々なメリットがあります。測定面積を拡大して、材料構造をもっと正確に表すことが可能になります。さらに、表面積を大きくしたことで熱放散を促進して、さらに安定した計測値を提供します。