ホ​イ​ー​トス​トーン​ブリッジ​計測​デバイス​を​選定

概要

この​技術​資料​では、​ロード​セル、​圧力、​トルクセンサ​など​の​ブリッジ​ベース​セン​サ​用​の​計測​システム​を​構築​する​際​に​考慮​すべ​き​注意事項​について​説明​し​ます。​また​その​よう​な​タイプ​の​センサ​の​ニーズ​に​対応​した​NI​の​計測​デバイス​について​も​概要​を​紹介​し​ます。

歪み​ゲージ​と​ブリッジ​ベース​セン​サ​用​の​信号​調節

歪み​ゲージ​計測​では、​抵抗​値​の​極めて​小さな​変化​を​検出​し​ます。​そのため​信頼​性​の​高い​計測​を​行う​に​は、​ブリッジ、​信号​調節、​配線、​および​データ​集録​の​各​コンポーネント​を​適切​に​選ぶ​こと​が​必要​です。​高​精度​の​歪み​計測​を​確実​に​行う​に​は、​以下​の​点​を​考慮​する​必要​が​あり​ます。    

  • ブリッジ​構成
  • 励起
  • リモート​センス
  • 増幅
  • フィルタ
  • オフセット
  • シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション

ブリッジ​構成 ― 4​つ​の​アクティブ​ゲージ​を​持つ​フル​ブリッジ​歪み​ゲージ​以外​を​使用​し​て​いる​場合、​基準​抵抗​で​ブリッジ​を​構成​する​必要​が​あり​ます。​そのため、​歪み​ゲージ​信号​調節​器​は​通常、​高​確度​の​基準​抵抗​で​構成​さ​れる​ハーフ​ブリッジ​構成​ネットワーク​を​提供​し​ます。​図​1​は、​構成​抵抗​R1​および​R2​を​備え​た​調節​器​へ​の​ハーフ​ブリッジ​歪み​ゲージ​回路​の​配線​を​示し​てい​ます。

図​1. ハーフ​ブリッジ​歪み​ゲージ​回路​の​接続

励起 ― 歪み​ゲージ​信号​調節​器​は​通常、​ブリッジ​に​定​電圧​電源​を​供給​し​ます。​業界​全体​で​認知​さ​れ​て​いる​標準​電圧​レベル​では​ありま​せん​が、​約​3 V​および​10 V​の​励起​電圧​レベル​が​一般​的​です。​励起​電圧​が​高​く​なるほど、​それに​比例​し​て​出力​電圧​も​高​く​なり​ます​が、​高​電圧​の​場合​自己​発熱​の​ため​に​誤差​が​より​大​きく​なる​原因​となり​ます。

リモート​センス ― 歪み​ゲージ​回路​と​信号​調節​器​や​励​起源​と​の​距離​が​離れ​て​いる​場合、​誤差​を​もたらす​可能性​の​ある​要因​として、​励起​電圧​を​ブリッジ​に​接続​し​て​いる​線​の​抵抗​により​発生​する​電圧​低下​が​あり​ます。​したがって、​信号​調節​器​に​は​この​よう​な​誤差​を​補正​する​ため​の​リモート​センス​機能​が​あり​ます。​図​2​に​示す​よう​に、​励起​電圧​線​が​ブリッジ​回路​と​接続​する​点​に​リモート​センス​線​を​接続​し​ます。 ​追加​の​センス​線​が​負​帰還​アンプ​を​介​し​て​励起​電源​を​調節​し、​リード​線​における​電圧​損失​を​補正​し​て​必要​な​電圧​を​ブリッジ​に​供給​し​ます。

図​2. リモートセンサ​の​誤差​補正

増幅 ― 歪み​ゲージ​と​ブリッジ​の​出力​は​比較的​小さい​もの​です。​実際​に​は、​歪み​ゲージ​の​ブリッジ​や​歪み​ゲージ​を​利用​した​トランスデューサ​の​ほとんど​は、​その​出力​が​10 mV/​V(励起​電圧​1 V​につき​出力​10 mV)​未満​です。​10 V​の​励起​電圧​でも​出力​信号​は​100 mV​です。​そのため、​通常​歪み​ゲージ​信号​調節​器​に​は​アンプ​が​搭載​さ​れ​て​おり、​信号​レベル​を​引き上げ​て​計測​分解能​を​増大​し、​SN​比​を​改善​し​てい​ます。

フィルタ​リング ― 歪み​ゲージ​は​電気​的​ノイズ​の​多い​環境​に​しばしば​配置​さ​れ​ます。​そのため、​歪み​ゲージ​に​影響​を​与える​可能性​が​ある​ノイズ​を​除去​する​こと​が​不可欠​です。​ロー​パス​フィルタ​を​歪み​ゲージ​と​併用​すると、​ほとんど​の​環境​設定​で​発生​し​がち​な​高周波​ノイズ​を​除去​する​こと​が​でき​ます。

オフセットヌル ― ブリッジ​が​取り付け​ら​れ​て​いる​場合、​歪み​が​ない​ときの​ブリッジ​の​出力​が​正確​に​0 V​という​こと​は​ほとんど​ありま​せん。​ブリッジ​の​各​辺​の​抵抗​と​リード​線​抵抗​の​わずか​な​変化​により、​0​以外​の​初期​オフセット​電圧​が​発生​し​ます。​オフセットヌル​は、​ソフトウェア​または​ハードウェア​で​実行​する​こと​が​でき​ます。

1.​ソフトウェア​補正 ― 歪み​入力​が​適用​さ​れる​前​に​最初​の​計測​を​行い、​この​オフセット​を​使用​し​て​以降​の​計測​を​補正​し​ます。​この​方法​は​簡単​で​速​く、​手動​で​の​調整​を​必要​と​しま​せん。​ソフトウェア​補正​法​で​不便​な​の​は、​ブリッジ​の​オフセット​を​除去​でき​ない​点​です。​オフセット​が​大きい​と​出力​電圧​に​適用​可能​な​アンプ​ゲイ​ン​が​制限​さ​れる​ため、​その​結果​測定​の​ダイナミック​レンジ​に​制約​が​生​じ​ます。

2.​オフセットヌル​回路 ― 平衡​を​取る​もう​1​つ​の​方法​では、​可変​抵抗、​すなわち​ポテンショメータ​を​使用​し​て、​ブリッジ​の​出力​を​物理​的​に​0​に​調整​し​ます。​ポテンショメータ​の​抵抗​を​変化​させる​こと​で、​ブリッジ​の​出力​レベル​を​制御​し​て​初期​出力​を​0 V​に​設定​し​ます。

シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション ― 歪み​ゲージ​計測​システム​の​出力​を​既定​の​機械​的​入力​または​歪み​と​比較​し​て​検証​する​ため​の​標準​的​な​手順​を​シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​といいます。​シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​では、​ブリッジ​の​アーム​上の​抵抗​を​ある​所定​の​量​変更​し​て、​歪み​入力​の​シミュレーション​を​実行​し​ます。​この​シミュレーション​は、​図​3​に​示す​よう​に、​既知​の​大きな​値​(Rs)​の​抵抗​で​ブリッジ​の​1​辺​を​分​路​し​て​(つまり、​抵抗​を​ブリッジ​の​1​辺​と​並列​に​接続​し​て)、​既知​の​ΔR​を​生成​する​こと​で​行い​ます。​その後、​ブリッジ​の​出力​を​計測​し​て​予測​さ​れる​電圧​値​と​比較​し​ます。​その​結果​得​ら​れ​た​値​を​使用​し​て、​全​計測​経路​の​スパン​誤差​を​修正​した​り、​動作​全般​を​検証​し​て​設定​の​信頼​性​を​確認​する​こと​が​でき​ます。

図​3. R3​に​接続​さ​れ​た​シャント​抵抗

 

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歪み​および​ブリッジ​ベース​セン​サ​の​計測​プラットフォーム

コンパクト​に​計測

ベンチ​トップ/​フィールド​計測

CompactDAQシステム​は、​シャー​シ、​C​シリーズ​I/​O​モジュール、​そして​ソフトウェア​で​構成​さ​れ​ます。​シャー​シ​は、​USB、​Ethernet、​802.11 Wi-​Fi​経由​で​ホスト​コンピュータ​に​接続​する​か、​内蔵​コントローラ​により​単体​で​動作​する​こと​が​でき​ます。CompactDAQでは、​50​種類​を​超える​計測​専用​モジュール​と​1、​4、​8​スロット​シャー​シ​が​利用​でき​ます​ので、​あらゆる​電気/​センサ​計測​システム​の​ニーズ​を​満たす​柔軟​な​拡張​可能​プラットフォーム​が​構築​でき​ます。

  • 複数​の​タイミング​エンジン​で​複数​の​集録​レート​に​対応
  • NI-​STC3​技術​に​基づく​高度​な​カウンタ​機能

CompactDAQ​と​は?

組​込​データ​ロギング​計測

CompactDAQコントローラ​を​使用​すると、​組​込​計測/​データ​ロギング​用​の​高性能​プラットフォーム​が​構築​でき​ます。​内蔵​の​コンピュータ​と​不揮発​性​メモリ​を​備え​た​8​スロット​シャー​シ​で、​外部​コンピュータ​が​なく​てもCompactDAQを​実装​する​こと​が​でき​ます。

  • Intel​マルチ​コア​プロセッサ、​最大​32 GB​の​不揮発​性​ストレージ、​2 GB RAM
  • チャンネル​あたり​最高​1 MS/​秒​の​サンプル​レート​で​連続​計測​を​同時​ストリーミング

CompactDAQ​と​は?

極めて​高い​堅牢​性​と​高度​制御

CompactRIOは、​再​構成​可能​組​込​制御/​集録​システム​です。CompactRIOハードウェア​アーキテクチャ​に​は、​再​構成​可能​な​FPGA​シャー​シ​と​組​込​コントローラ​が​含​まれ​ます。CompactRIOは、​様々​な​組​込​制御・​監視​アプリケーション​で​使用​でき​ます。

  • カスタム​タイミング、​解析、​制御​が​可能​な​FPGA​搭載​の​様々​な​再​構成​可能​シャーシ
  • 小型​で​堅牢​性​に​優​れ​た​オープン​な​組​込​アーキテクチャ

CompactRIO​とは

 

歪み​計測​用​信号​調節​内蔵​の​C​シリーズ​I/​O​モジュール

NI 9237 24​ビット​ブリッジ​モジュール

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​歪みゲージ計測に特化して設計されたNI 9235、​NI 9236、​およびNI 9237C​シリーズ​I/​O​モジュール​を​提供​し​てい​ます。​これらの​ブリッジ​モジュール​に​は、​ブリッジ​ベース​セン​サ​へ​の​電源​供給​と​計測​を​同時に​行う​ため​に​必要​な​信号​調節​が​すべて​含​まれ​てい​ます。NI 9235​と​NI 9236は​チャンネル​数​が​多く、​ク​ォ​ータ​ブリッジ​セン​サ​用​の​構成​が​含​まれ​てい​ます。NI 9237は、​最大​4​つ​まで​の​フル​ブリッジ​セン​サ​と​ハーフ​ブリッジ​セン​サ​を​サポート​し​ます。​また​構成​アクセサリ​を​使用​し​て​ク​ォ​ータ​ブリッジ​歪み​ゲージ​から​計測​でき​ます。​シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​や​リモート​センス​機能​の​ほか、​オフセット/​ヌル​が​実行​できる​ため、​この​モジュール​は​少​~​中​チャンネル​数​の​歪み​計測​や​ブリッジ​計測​に​最適​です。

NI 9237​計測​システム

NI 9219 24​ビット​ユニバーサル​アナログ​入力​モジュール

NI 9219は、​CompactDAQ​もしくは​CompactRIO​シャー​シ​に​て​多目的​試験​を​行う​ため​の​4​チャンネル​ユニバーサル​C​シリーズ​モジュール​です。​このNI 9219を使用すれば、​歪み​ゲージ、​RTD、​熱電​対、​ロード​セル​など​の​センサ​から​の​信号​を​計測​する​こと​が​でき​ます。​チャンネル​毎​に​設定​変更​が​できる​ため、​4​つ​の​チャンネル​それぞれ​で​異なる​種類​の​センサ​計測​が​行​え​ます。NI 9219は、​各​チャンネル​では​6​ピン​バネ​端子​コネ​クタ​を​使用​し​て​信号​接続​を​行い​ます。​また、​ク​ォ​ータ​ブリッジ、​ハーフ​ブリッジ、​フル​ブリッジ​を​サポート​し​てい​ます。

NI 9219​計測​システム

 

高性能​多​チャンネル​システム

 

PXI​プラットフォーム​では、​シャー​シ、​コントローラ、​モジュール​を​多彩​に​ご​用意​し​てい​ます​ので、​お客様​の​アプリケーション​の​ニーズ​に​合​っ​た​計測​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ます。​SC Express​歪み​モジュール​は、​最大​102.4 kS/​秒​で​0.02​パーセント​の​確度​を​実現​でき​ます。 ​PXI​は​数​千​に​及ぶ​歪み/​ブリッジ​ベース​の​計測​チャンネル​を​より​大規模​な​アプリケーション​に​拡張​できる​ほか、​有線​と​無線​両方​の​同期​オプション​を​提供​し​ます。

  • 構成​可能​な​デスク​トップ、​ラック​マウント​式、​および​分散​型​マルチ​シャー​シ​ソリ​ュ​ー​ション
  • 広範​な​センサ​や​トランスデューサ​に​対応
  • CAN、​ビジョン、​モーション、​GPS​など、​1,500​種類​を​超える​PXI​モジュール​が​利用​可能

歪み​計測​用​信号​調節​内蔵​の​PXI I/​O​モジュール

SC Express​製品​に​は、​歪み​ゲージ​や​その他​の​ホ​イ​ー​トス​トーン​ブリッジ​ベース​の​トランスデューサ​など、​センサ​計測​用​の​信号​調節​内蔵​PXI Express​データ​集録​モジュール​が​あり​ます。

 

NI PXIe-4330 8 Ch、​24​ビット​ブリッジ​入力​モジュール

NI PXIe-4330 8​チャンネル​同時​ブリッジ​入力​モジュール​は、​24​ビット​の​分解能​と​0.02​パーセント​の​精度、​チャンネル​あたり​25 kS/​秒​の​サンプル​レート​により、​歪み​計測​を​高性能​で​実行​する​こと​が​でき​ます。​クォータ、​ハーフ、​フル​ブリッジ​ベース​の​計測​を​実行​でき、​チャンネル​間​スキュー​は​5 PPB(10​億​分​の​5)​という​低​さ​です。​この​デバイス​の​チャンネル​あたり​の​励起​は、​リモート​センス​で​0.625 V​~​10 V​です。​また​さらに​高い​柔軟性​を​実現​する​ため、​内蔵​の​ブリッジ​構成​と​シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​は​チャンネル​ごと​に​ソフトウェア​で​選択​する​こと​が​可能​と​な​って​い​ます。

SC Express​歪み​計測​システム

NI PXIe-4331 8 Ch、​24​ビット​ブリッジ​入力​モジュール

NI PXIe-4331 8​チャンネル​同時​ブリッジ​入力​モジュール​は、​24​ビット​分解能​と​精度​は​同じ​ですが、​チャンネル​あたり​102.4 kS/​秒​の​サンプル​レート​を​提供​し​ます。

 


歪み​計測​に関する​その他​の​リソース

  1. 歪み​について​理解​し​歪み​ゲージ​を​選定​する
  2. 歪み​ゲージ​計測​システム​を​選定​する
  3. LabVIEW​を​使用​した​歪み​計測
  4. より​質​の​高い​歪み​計測

 

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