JPS5829443B2 - ヒズミソクテイキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機械的なひずみを抵抗ひずみゲージにより測定
するひずみ測定器に関する。

特に雑音が少なく、機構が簡単でかつ測定も容易なひず
み測定器に関する。

従来抵抗ひずみゲージによるひずみ測定はゲージの抵抗
変化をブリッヂあるいはダブルブリッヂを用いて測定し
、ひずみ測定器はそのブリッヂの平衡電圧を拡大して測
定する方法で行われている。

この場合、一般にはブリッヂ用と増幅もしくは校正用の
２つの独立の浮動電源を使用しなければならない。

このため浮動電源相互間に共通電位をまたがる雑音が発
生し、ひずみ測定精度を悪化させる欠点がある。

また、増幅器の入力に附加回路が構成され増幅器の入力
インピーダンスが低下するため、実効感度が下がること
にもなる。

さらに多くの測定器ではその構成が複雑であるため、操
作も複雑になり測定に要する時間が長く、多数のひずみ
ゲージを測る場合などに不都合が生じている。

本発明は、雑音が少なく精度が高く、しかも構造および
操作の簡単なひずみ測定器を提供することを目的とする
。

本発明は、ひずみゲージを構成アームの一辺に含む直流
平衡ブリッヂと、この平衡ブリッヂの平衡出力をそれぞ
れ正負の入力とする差動増幅器と、中点が共通電位点に
接続された直流電源と、この直流電源の出力電圧を前記
平衡ブリッヂに与える第一の開閉回路と、前記直流電源
から正または負の抵抗分圧出力を得る可変抵抗器と、こ
の可変抵抗器の出力を開閉する第二の開閉回路と、上記
直流電源の正および負の直流電圧を入力とじ一以上の抵
抗器および操作により切替えられるスイッチを含み上記
直流電圧の選択された極性が選択された抵抗器を介して
出力に導かれるように構成された較正回路と、この較正
回路の出力を開閉する第三の開閉回路と、前記差動増幅
器の出力に対して前記第二の開閉回路の出力および前記
第三の開閉回路の出力を加算もしくは減算して出力端子
に送出する増幅回路とを備え、 前記ひずみゲージに機械的ひずみが印加される前に前記
第一の開閉回路を閉じたとき前記出力端子に現われる不
平衡出力は、前記第二の開閉回路を閉じて前記可変抵抗
器を加減することにより打消され、 前記ひずみゲージに機械的ひずみが与えられ′たときに
前記第一の開閉回路および第二の開閉回路を閉じた状態
で前記出力端子に現われる測定出力は、前記第一の開閉
回路および前記第二の開閉回路を開いた状態で前記第三
の開閉回路を閉じたときに出力端子に現われる前記較正
回路の出力を基準として計測されるように構成されたこ
とを特徴とする。

実施例により詳しく説明する。

第１図は本発明の実施例構成図である。

図でＡ１は差動増幅器、Ａ２は加算増幅器、ＥＢは電池
、ＲＢＩ〜ＲＢ４はブリッヂを構成する抵抗アーム、Ｒ
ｖは可変抵抗器、Ｒ１〜Ｒ４′は抵抗器、８１〜Ｓ３は
開閉スイッチ、Ｓ４は切替スイッチを示している。

第１図の構成な説明すると、ブリッヂの抵抗アームＲＢ
Ｉ〜ＲＢ４のうち、ＲＢ＋はひずみゲージである。

これら抵抗の構成するブリッヂには、電源端子にスイッ
チＳ１を介して電源ＥＢが導かれ、平衡電圧は差動増幅
器Ａ１ に導かれている。

差動増幅器Ａ１ の出力は抵抗器Ｒ１を介して加算増幅
器Ａ２の入力に導かれている。

加算増幅器Ａ２にはその利得を決める帰還抵抗器Ｒ３が
あり、出力は出力端子ＯＵＴ に結合されている。

また、電源ＥＢはその中点を共通電位に接続し、可変抵
抗器Ｒｖは固定端子をこの電源の正負端子に接続し、そ
の摺動端子は抵抗Ｒ２およびスイッチＳ２を介して、前
記加算増幅器Ａ２の一つの加算点に接続する。

スイッチＳ４ａおよびＳｏｂは連動スイッチで、スイッ
チＳｏｂの端子１，２は上記電源の負出力に、端子４，
５は上記電源の正出力にそれぞれ接続し、端子３は開放
とする。

スイッチＳ４ｂの可動片には２個の抵抗Ｒ４およびＲ４
′の各４を接続して、抵抗Ｒ４の他端はスイッチＳ４ａ
の端子１と５に、抵抗Ｒ４′の他端はスイッチＳ４ａの
端子２と４に接続する。

このスイッチＳ４ａの可動片は、開閉スイッチＳ３を介
して前記加算増幅器Ａ２の一つの加算点に接続する。

ここでスイッチＳ４ａ、Ｓ４ｂおよび抵抗Ｒ４，Ｒ４’
が図のように結線されて構成される回路を「較正回路」
という。

このように構成された装置の動作を説明する。

まづ、スイッチＳ１のみを閉じブリッヂに電圧を与える
。

かりにブリッヂの平衡がとれていれば平衡出力はなく、
出力端子ＯＵＴに電圧はない。

ここでひずみゲージにひずみが加わり、平衡がくずれる
と平衡出力が出て、出力端子にはひずみに対応した電圧
が生じることになる。

。一般には、素子のバラツキ等により初期不平衡電圧が
生じるので、スイッチＳ１を閉じて不平衡電圧が出れば
Ｓ２を閉じ、ひずみ測定前に可変抵抗Ｒｖを調整して、
加算増幅器Ａ２の入力に平衡電圧と逆の電圧を与え、加
算増幅器Ａ２の出力が零になるように調整しておく。

すなわち、測定ブリッヂの初期不平衡電圧は差動増幅器
Ａ１によりそのまま増幅され、次段の加算増幅器Ａ２に
より打ち消されることになる。

この状態でひずみを測定すると、出力端子に現われる電
圧はひずみ量に対応する電圧である。

ここでこの電圧を記録してからスイッチＳ３を閉じ、ひ
ずみ測定のためのスイッチＳ１ およびスイッチＳ２を
開く。

次にスイッチＳ４のいずれかを選び、較正回路の出力を
加算増幅器Ａ２に加え、加算増幅器Ａ２の出力で、ひず
み測定時に記録した出力電圧と等しくなるように調整す
る。

この較正回路のスイッチＳ４の位置、すなわちその出力
の極性と使用した抵抗の値から、ひずみ電圧の大きさを
知ることができる。

このように、出力端子ＯＵＴで比較される２つの電圧は
ともに同一の電源ＥＢから供給されるものであり、電源
電圧の較正の必要がない。

操作の順序を変えて、ひずみ測定の前にあらかじめ較正
回路の出力で校正しておけばひずみを直読することがで
きる。

※※ さらに出力電圧の関係を式を用いて詳しく説明する。

抵抗ひずみゲージのゲージ率をｋとすると、ゲージＲＢ
ｔにひずみが加わった場合ゲージＲＢｔの抵抗値は（１
＋にε）倍に増加する。

いま、ひずみを加える前に測定ブリッヂの初期平衡がと
れていたと仮定すれば、測定ブリッヂの出力ｅ１ は次
の式で表わされる。

′となる。

従って、可変抵抗器Ｒｖの摺動子Ｅ点の電位ｅ８＝ Ｏ
のとき、すなわちちょうど中点にあるとき、出力ｅｃ
は加算増幅器Ａ２の利得はとなる。

ここに、Ｇは差動増幅器Ａ１ の利得である。

ブリッヂに初期不平衡電圧Ｊｅ、が存在する場合は、ひ
ずみ測定前に出力ｅ。

が零になるようにＲｖを調整する。

このときＥ点の電位ｅ。は、となる。

ここで初期不平衡電圧は打ち消されるので、新しい測定
を行なうことができ、測定の結果は（３）式の出力が得
られる。

次にこの得られた結果を校正するときは、スイッチＳ１
およびスイッチＳ２が開となるため、測定ブリッヂの出
力は零となり、かつ平衡回路が切り離される。

抵抗分割回路からの電圧を受けて、出力ｅ。

はスイッチＳ４が切り替えスイッチ１の位置にあるとき
、ちょうど前に測定した値に一致したものとすると、 となる。

この値を差動増幅器Ａ１換算すると、 の入力値ｅ。

に となる。

この値は、 （２）式から明らかなように、 なるひずみがひずみゲージに加わったときのブリッヂの
出力電圧と等しい。

（５）式にはブリッヂ電圧ＥＢの項が含まれず、かつＲ
１，に、Ｇ、Ｒ４は全て安定なる定数とみなすことがで
きる。

すなわち、スイッチＳ１およびスイッチＳ２が開、スイ
ッチＳ３が閉で、かつスイッチＳ４が切り換えスイッチ
１の位置にあるとき加算増幅器Ａ２の出力には、ブリッ
ヂ電圧ＥＢの値にかかわらず、（５）式で表されるひず
みに相当した校正電圧が発生する。

次に数字を用いて更に具体的に説明する。

例えばゲージ率が２のとき、差動増幅器Ａ１ の利得を
１００、抵抗器Ｒ１、較正回路における抵抗器Ｒ４゜Ｒ
４′の値をそれぞれ１０にΩ、１．００ ｋΩ、５００
にΩとする。

このとき、スイッチＳ１ およびスイッチＳ２を開、ス
イッチＳ３を閉とし、スイッチＳ４を切り換えスイッチ
１の位置から５の位置まで順次切り換えれば、それぞれ
１０００ｘｌＯ’ひずみ、２００ｘｌＯ’ひずみ、Ｏひ
すみ、２００ｘｌＯ’ひずみ、−１０００ｘｌＯ’ひず
みに相当する校正電圧ｅ。

が出力端子ＯＵＴより得られる。

以上述べたように、本発明の特長をまとめると次のよう
になる。

（１）電源が１系統であるので、測定時と校正時に電圧
校正を行なう必要がなく、操作が簡単で測定に要する時
間が短縮される。

（２）電源が１系統でこの間に浮動電位がないので、共
通電位間に生じる雑音の影響がない。

従って精度が高くなる。

（３）増幅器の入力回路に附加回路を必要としないので
、増幅器人力インピーダンスの低下を防ぐことができ、
感度誤差がなくなる。

（４）回路が簡単で部品が少なく、信頼性および経済性
が良い。

（５）較正回路により随時装置の較正を行うことができ
るので、電源電圧の変動その他による装置の経時的な変
動が測定値に影響を与えることがなくなり、精度の高い
測定を行うことができる。

なお、上記説明で述べた較正回路は、本発明の範囲を限
定するものでなく、他の回路を用いても適当な校正電圧
を発生して本発明を実施することができる。

また、ひずみ量の表示についても、較正回路に直読目盛
を付すほか、出力端子の電圧指示計に補間目盛を付し、
さらにひずみの読みとりを容易とする等の応用も考えら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置構成図。 Ｂ・・・・・・測定ブリッヂ、ＲＢ１〜ＲＢ４・・・・
・・測定ブリッヂのアームを構成する抵抗器（ＲＢｔは
抵抗ゲージ）、Ａ１ ・・・・・・差動増幅器、Ａ２・
・・・・・加算増幅器、Ｒ１−Ｒ４・・・・・・抵抗器
、ＲＶ・・・・・・可変抵抗、ＥＢ・・・・・・電源、
Ｓ１〜Ｓ４・・・・・・スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ひすみゲージを構成アームの一辺に含む直流平衡ブ
   リッヂと、 この平衡ブリッヂの平衡出力をそれぞれ正負の入力とす
   る差動増幅器Ａ１と、 中点が共通電位点に接続された直流電源と、この直流電
   源の出力電圧を前記平衡ブリッヂに与える第一の開閉回
   路Ｓ１と、 前記直流電源から正または負の抵抗分圧出力を得る可変
   抵抗器Ｒｖと、 この可変抵抗器の出力を開閉する第二の開閉回路Ｓ２と
   、 上記直流電源の正および負の直流電圧を入力とし 一以上の抵抗器Ｒ４，Ｒ４′および操作により切替られ
   るスイッチＳ４ａ、Ｓ４ｂを含み 上記直流電圧の選択された極性が選択された抵抗器を介
   して出力に導かれるように構成された較正回路と、 この較正回路の出力を開閉する第三の開閉回路Ｓ３と、 前記差動増幅器Ａ１の出力に対して前記第二の開閉回路
   Ｓ２の出力および前記第三の開閉回路Ｓ３の出力を加算
   もしくは減算して出力端子ＯＵＴに送出する増幅器Ａ２
   と を備え、 前記ひずみゲージに機械的ひずみが印加される前に前記
   第一の開閉回路Ｓ１を閉じたとき前記出力端子ＯＵＴに
   現われる不平衡出力は、前記第二の開閉回路Ｓ２を閉じ
   て前記可変抵抗器ＲＶを加減することにより打消され、 前記ひずみゲージに機械的ひずみが与えられたときに前
   記第一の開閉回路Ｓ１および第二の開閉回路ｓ２を閉じ
   た状態で前記出力端子ＯＵＴに現われる測定出力は、前
   記第一の開閉回路ｓ１および前記第二の開閉回路Ｓ２を
   開いた状態で前記第三の開閉回路Ｓ３を閉じたときに出
   力端子ＯＵＴに現われる前記較正回路の出力を基準とし
   て計測されるように構成されたことを特徴とする ひずみ測定器。