ストレインゲージの紹介ガイド

ひずみゲージ（一般的にはストレインゲージと呼ばれることが多い）は、負荷がかかっている物体や材料の応力力を測定するために広く使用されているセンサーツールです。

ひずみゲージは、ひずみや素材疲労の力が物理的な材料にどのような影響を与えているかを示すことで、エンジニアがあらゆる種類の設計、構築、設置についてさまざまな重要な決定を下す為の情報を提供します。

ひずみゲージを使用する事は、材料の性能を監視する方法として、1900年代半ばから使用されている評価の高い手法です。ストレインゲージは、単独で使用することもセンサーと組み合わせることもできます。また、未知の抵抗や差を正確に測定するために、直列に接続してホイートストンブリッジを形成こともあります。また、ロードセルの構成で使用することも可能で、精密な計量やひずみ、材料の影響や性能の長期的なモニタリングなど、さまざまな産業用途に使用されています。

この入門ガイドでは、ストレインゲージに関する重要な基本事項をすべて紹介します。このガイドでは、ストレインゲージの正確な機能と仕組み、そして様々な種類の産業における全体的な生産性と品質の最適化にストレインゲージがどのように役立つかを説明します。

また、ストレインゲージの位置や使い方を説明するとともに、ストレインゲージをオンラインで購入する方法についてもわかりやすく解説します。

ストレインゲージの定義

ストレインゲージとは何ですか？この質問に答えるためには、ストレインゲージの基本的な原理を理解する必要があります。これには、ストレインゲージは何を測定するのか、ストレインゲージはどのように機能するのかということも含まれます。

しかし、何よりもまず、ストレインゲージの定義を明確に理解することが重要です。このガイドでは、ストレインゲージを以下のように定義します。

ひずみゲージやロードセルは変換器の一種であり、ある形のエネルギーを別の形に変換するものです。具体的には、ストレインゲージは物理的な負荷やストレス（圧力、トルク、張力、圧縮力など）を電気信号に変換します。これは多くの場合、計量アプリケーションに使用されます。

この信号は、センサーを介して、アクティブゲージの物理的な変位（たわみや変形）に起因するリアルタイムの抵抗変化として表現されます。時間とともに変化する様子は、モニターされている材料や対象物にかかるストレスの継続的な物理的影響を反映しています。

ストレインゲージセンサーの最も一般的な形式は、導電性エレメント（通常は一連のワイヤリードまたはフォイルトレース）を埋め込んだ柔軟な裏材の幅広ストリップです。薄型の弾性ストリップは、適切な工業用接着剤を使用して、測定対象物または材料の表面に直接取り付けられ、接着されます。

設置した後、センサーデバイスに電圧または電流を流すと、ストレインゲージ回路から電子的な読み取り値を得ることができます。観察された抵抗値の変化は、負荷やひずみの力が時間の経過とともに対象となる材料にどのような影響を与えているかを示します。この方法では、正のひずみ力（伸張）と負のひずみ力（圧縮）の両方を測定することができます。

ストレインゲージはどこで使われるのか？

では、ストレインゲージは何に使われているのでしょうか？一言で言えば、材料工学のあらゆる側面で使用されています。ストレインゲージは、物理的な応力解析が重要な要素となる設計や製造において、負荷がかかった状態で材料がどのように挙動するかを明確に把握するために使用されます。

ストレインゲージ技術が広く使われている産業やプロジェクトの一般的な例としては、以下のようなものがあります。

• 自動車、船舶、航空宇宙デザイン
• 橋梁、計量器、トンネルの建設を含む建築物およびアーキテクチャ
• 生産工学と計量学
• 材料性能の長期的なモニタリング（例：S字型ビームの引張りひずみ)
• 発電所や製油所などのジオテクニカルな設備
• モーター、タービン、エンジン、ファン、発電機、ホイール、プロペラなどのトルク測定
• トランスデューサとロードセルの製造
• 実験的応力解析

ロードセルもストレインゲージと同様に、あらゆる産業分野で広く使用されており、特に高精度な計量アプリケーションのための費用対効果の高いソリューションとして使用されています。

ひずみ測定値の読み取りには、電気抵抗の基本原理を利用します。R = L/Aです。この一般的なひずみゲージの式では、Rは抵抗、Lは導体の長さ、Aはその断面積を表しています。つまり、オームの法則を微分して、ひずみゲージの材料の屈曲による電気抵抗の変化を図示することができるのです。

また、接着されている表面や物体の物理的な形状や位置の変化も反映されます。もっと簡単に言うと、圧縮力はストレインゲージのトレースが形成する回路を短くし、抵抗値を低下させます。同様に、伸びる力は回路を長くし、全体の抵抗値を増加させます。

センサーの素材に作用する様々な種類の力(圧力やテンション、重量)は、その物理的な形状や位置に何らかの影響を与え、通常、曲げを引き起こします。このような変化は、電気抵抗の変動としてストレインゲージから直接測定することができます。ストレインゲージの計測と操作はそれほど複雑ではありませんが、主要な用語をよく理解しておく必要があります。

用語には以下などがあります。

• 見かけ上のひずみ：試験対象物の温度変化の影響（熱出力）によって生じる出力信号で、実際の機械的負荷によるものではない。
• ホイートストンブリッジ：いわゆるダミーゲージを含む複数のストレインゲージを配置したもので、高い精度で計測するためによく用いられる。
• ブリッジ係数またはゲージ係数：ホイートストンブリッジ回路に使用されるアクティブなストレインゲージの数（1～4個）。
• ひずみ：材料の長さの物理的変化を、開始時の長さと比較して測定すること。機械的なひずみを表す記号はε
• 応力：数学的には、力（F）を断面積（A）で割って計算することで、材料の応力係数が求められます。機械的な応力を表す記号はσなので、σ＝F/A
• 残留応力：固有応力とも呼ばれ、外力として直接加わるのではなく、材料自体の様々な内部要因によって発生することがあります。例えば、製造上の不整合や密度の自然な変動、材料の重量による内部の圧縮やひずみなどがあります。残留応力はほとんどのエンジニアリングアプリケーションで考慮されますが、材料のひずみの異なる原因を認識することが重要です。
• ブリッジの励磁電圧：ストレインゲージセンサーは実質的に電気抵抗器の一種であるため、接続してスイッチを入れると、当然ながら電圧を熱に変換します。出力電圧の熱は抵抗にも影響を与えるため（つまり、測定値が変化する）、使用中にストレインゲージが過度に温められてはいけません。このため、ストレインゲージには必ずブリッジ励磁電圧の最大定格が設定されている。これは、正確な動作のためにデバイスに供給できる電力の上限を示しています。

ストレインゲージの種類

オンラインショップでは、さまざまな種類のストレインゲージが販売されています。ワイヤーストレインゲージ、フォイルストレインゲージ、リニアストレインゲージ（コアの原理はLVDTに似ています）、ハーフブリッジストレインゲージ、フルブリッジストレインゲージ、圧縮ロードセル、ビームロードセル、フォースセンサ、その他様々な種類のストレインゲージがあります。

取り組んでいるストレインゲージのアプリケーションに適したタイプのデバイスを選択することが重要です。そうすることで、最適な精度と信頼性という点で、常に最高のストレインゲージ性能を得ることができます。特定の目的のためにさまざまなタイプのストレインゲージを選択する際には、常にいくつかの考慮事項があり、それを念頭に置く必要があります。

まず、どのような種類のひずみ力を測定するのかを明確にする必要があります（質量、トルク/ねじり、軸方向のひずみ、圧力、圧縮、双方向、材料疲労、せん断など）。また、どのような種類の耐久性試験を行うのかを知っておく必要があります。これには、実験的応力解析、残留応力解析、微小ひずみ、変形、材料寿命/耐用年数解析、荷重解析、熱応力、温度効果、またはその他様々なものが含まれます。

上記の回答に基づいて、主な物理的特性に基づいて数多くのモデルやタイプのストレインゲージを決定しなければなりません。これには次のようなものがあります。

• ストレイン・ゲージ・ジオメトリ - あるデバイスに含まれるトレーサー・グリッドの数、それらの配置、結果としてのアクティブ・グリッドの長さを表します。
• ストレインゲージの系列と接続 - デバイスが物理的にどのように構成され、どのように配置されているか、また、他のデバイスと順番に接続されているかどうか/どのように接続されているか（例：ワイヤーゲージの長さ）。
• デバイスの電気抵抗 - オームで測定
• 素材の温度特性、性能、適応性 - 選択するゲージのタイプは、素材の温度特性とモニターする設置場所に合わせる必要があります。

ストレインゲージの使い方

ストレインゲージの基本的な原理を理解すれば、ストレインゲージの使い方は比較的簡単に理解できます。難しいのは、最良かつ最も正確な結果を得るためのストレインゲージの配置方法を理解することです。

最適な測定結果を得るためにストレインゲージをどのように配置するかを正確に知ることは、かなり難しいことであり、その結果には常に十分なユーザーの経験が必要です。しかし、適切な配置方法やストレインゲージの正確な測定方法は、かなり短期間で習得することが可能です。

ストレインゲージを正しく使用する上で非常に重要なことは、測定する材料の準備を学ぶことです。ひずみ測定器を設置する前に、正しい手順でこれを行うことが重要です。様々なアプローチがありますが、どのアプローチを使用するかは、テストする材料のタイプ、ストレインゲージのタイプ、および実施するストレスモニタリングの正確なフォームに依存します。

例えば、コンクリートは、木材、プラスチック、繊維強化プラスチック、ゴム、ガラスなどとは異なる準備とクリーニングが必要です。サンドペーパーで滑らかにする必要がある表面もあれば、少し粗くする必要がある表面もあります。また、使用する洗浄液の種類も素材によって異なります。適切な接着と確実な結果を得るためには、接着面が重要です。

ストレインゲージを取り付ける素材に適した接着剤を選ぶことも同様に重要です。接着剤の中には、多孔質の表面に適しているもの（つまり、孔を埋める性質が強いもの）もあれば、平滑で硬い表面、急激な温度変化、環境問題、ある種の洗浄溶剤などへの対応に優れたもの等があり用途に応じて使い分ける必要があります。