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ストレインゲージブリッジカリキュレータ

1/4ブリッジ、ハーフブリッジ、フルブリッジ構成のストレインゲージのブリッジ出力電圧を計算します。ロードセルの mV 出力と抵抗変化を求めます。

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公式

Vout=Vin⋅GF⋅ε4⋅NV_{out} = V_{in} \cdot \frac{GF \cdot \varepsilon}{4} \cdot N
V_out— ブリッジ出力電圧 (V)
V_in— 励起電圧 (V)
GF— ゲージファクター
ε— 適用ひずみ (m/m) (m/m)
N— アクティブアームの数 (1、2、4)

仕組み

この計算機は、応力解析と荷重測定を行う構造エンジニア、試験技術者、航空宇宙設計者にとって不可欠な、加えられたひずみからひずみゲージブリッジの出力電圧を計算します。ひずみゲージは、機械的な変形をゲージ係数（dR/R = GF epsilon）によって抵抗変化に変換します。ここで、GF（ゲージ係数）は、VishayおよびHBMのメーカーによると通常、金属箔ゲージでは2.0～2.2、半導体ゲージでは100～200です。ホイートストン・ブリッジは、このわずかな抵抗変化 (0.01～0.1%) を測定可能な電圧 (Vout = Vex GF epsilon N/4) に変換します。ここで、N はアクティブなゲージの数 (1、2、または 4) です。2.1 GF と 1000 マイクロストレインのクォーターブリッジ (N=1) では、Vout = 5V 2.1 0.001/ 4 = 2.625 mV が生成されます。フルブリッジ (N=4) は感度を10.5mVに4倍にし、ASTM E251に従って自動温度補償を行います。5000 マイクロストレイン以下のひずみのブリッジ非直線性は 0.1% 未満です。産業用ロードセルは、OIML R60の要件を満たす350オームのフォイルゲージを使用することで、+/ -0.02% の精度を達成します。

計算例

問題：航空機の翼桁にかかる0～2000マイクロストレインを測定するフルブリッジひずみゲージ回路を設計します。ゲージはビシェイ社 EA-06-125AD-120 (GF = 2.095、120 オーム) です。励起電圧は5Vです。3.3 V ADC の出力電圧と必要なアンプゲインを決定します。

解決策: 1。フルブリッジ構成:N = 4 個のアクティブゲージ 2.最大ひずみ:イプシロン = 2000 マイクロストレイン = 0.002 3.出力電圧:Vout = Vex* GF* Epsilon* N/4 = 5 2.095 0.002 * 1 = 20.95 mV 4.感度:20.95 mV/2000 マイクロストレイン = 10.48 UV/マイクロストレイン 5.必要なアンプゲイン:G = 3300 mV/20.95 mV = 157.5 V/V 6.INA128 を Rg = 50k/ (G-1) = 50k/156.5 = 319 オームで使用してください (316 オームを使用、0.1%) 7.12 ビット ADC を使用した場合の解像度:3300 mV/4096/157.5 = 5.1 uV = 0.49 マイクロストレイン/LSB

結果:フルブリッジは 2000 マイクロストレインで 20.95 mV を出力します。ゲインが157.5の場合、ADCの分解能は1カウントあたり0.5マイクロストレインです。

実践的なヒント

  • ✓構造試験では、適切な信号レベルを維持しながら自己発熱（5V励起で0.7mW）を最小限に抑えるために350オームのゲージを使用してください。120オームのゲージは52mWを消費し、ASTM E251に従って熱ドリフトを引き起こします
  • ✓ビシェイ社設置掲示B-127に従い、室温の場合はM-Bond 200 (シアノアクリレート)、-269～+260°Cの範囲ではM-Bond 610 (エポキシ) のゲージをお使いください。
  • ✓リード線の抵抗誤差をなくすには、4線式シールド・ケーブルを使用してください。24 AWGの10mでは1.7Ω増加するため、センス・リードのない120Ωのクオーター・ブリッジでは 1.4% のゲイン誤差が生じます

よくある間違い

  • ✗温度補正を怠ると、ゲージとリードワイヤーのTCRが原因で補正されていないクォーターブリッジ出力が10～50 uV/cドリフトします。ビシェイ社テックノートTN-504に従い、試料の材質に合った自己温度補償（STC）ゲージを使用してください
  • ✗誤ったゲージ係数の使用：GFは金属箔の場合は2.0（コンスタンタン）から3.2（等弾性）、半導体ゲージの場合は100〜175までさまざまです。GF誤差が10％の場合は、直接10％のひずみ測定誤差が発生します。
  • ✗ブリッジの励起安定性を無視すると、0.1% の電源変動により 0.1% の出力誤差が生じる（1000マイクロストレインで1マイクロひずみ）。高精度の電圧リファレンス（REF5050、+/ -0.05%）またはレシオメトリックADC測定を使用

よくある質問

ゲージ係数 (GF) は、相対抵抗変化とひずみの比で、GF = (dR/r) /イプシロンです。金属箔ゲージはGF = 2.0-2.2 (主に幾何学的変化) で、半導体ゲージはGF = 100～200 (ピエゾ抵抗効果) です。GF が高いほどマイクロひずみあたりの出力電圧は高くなりますが、半導体ゲージは温度に対する感受性が高くなります (フォイルの場合は +/ -1% /50℃ に対して +/ -10% /50℃)。高精度の測定には、ASTM E251に準拠したメーカー校正ごとにGFの不確かさが+/ -0.5% 以下のフォイルゲージが推奨されます。
GF=2.1の1000マイクロストレインでは、抵抗の変化はわずか0.21％（120オームゲージで0.252オーム）です。抵抗計で直接測定しても、温度ドリフトやリード抵抗に対してこの問題を解決することはできません。ホイートストン・ブリッジは 0.21% の抵抗変化を 2.625 mV の差動出力に変換しますが、この差動出力は容易に増幅できます。また、ブリッジ構成では、ダミーゲージの温度が同じでもひずみがなかった場合に自動的に温度補正が行われ、VDI/VDE 2635のコモンモード熱ドリフトが排除されます。

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