ロードセル/圧力トランスデューサ測定の理論と実測

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1. ロードセル／圧力トランスデューサ – 動作原理の概要
2. ロードセル/圧力の測定方法
3. ロードセル/圧力トランスデューサを計測器に接続する
4. 測定結果の表示 NI LabVIEW
5. 推奨ハードウェアおよび推奨ソフトウェア
6. ロードセル/圧力Webイベント、チュートリアルなどのハウツーリソース

ロードセル／圧力トランスデューサ – 動作原理の概要

歪みゲージ圧力トランスデューサも同じ原理で動作します。 圧力トランスデューサには歪みゲージに取り付けられており、圧力が加わると、歪みゲージが変形し、圧力に比例した電気信号に変換します。 次のセクションでは、歪みゲージロードセルの動作原理とそれを使用した測定方法を説明します。同様の内容が歪みゲージ圧力トランスデューサにも当てはまります。

ロードセルの機能を理解するには、まず、動作原理を理解する必要があります。 前述のとおり、歪みゲージは変形（歪み）を測定して、加わった力（負荷）を求めます。 歪みとは、長さのわずかな変化であると定義されます。 すなわち、歪みは長さの変化分（dL）を元の長さ（L）で割ったものです。歪みは、加わった負荷に直接比例して変化します。 図1に示したのは、この概念です。 歪みを検出し、負荷が加わる構造部材の物理的特定を把握することによって、力を正確に計算することができます。

図1. 歪み

歪みを測定する方法はいくつかありますが、最も一般的なものは歪みゲージを使用する方法です。歪みゲージとは、その電気抵抗が歪みの量に比例して変動するものです。 最もよく使用されているゲージは、接着型の金属製歪みゲージです（図2）。

図2.接着型金属製歪みゲージ

歪みの変化、つまり抵抗は極めて小さいため、回路を追加して抵抗値の変化を増幅する必要があります。 ロードセルの最も一般的な回路構成は、ホイートストンブリッジと呼ばれます。 図3に示すようなホイートストンブリッジが通常使用されています。ここでは、励起電圧VEXがブリッジに印加されます。

図3.ホイートストンブリッジ構成

ブリッジの出力VOは次の式で求められます。

ロードセルでは通常ホイートストンブリッジ構成で4つの歪みゲージを使用します。 この構成はフルブリッジと呼ばれます。 フルブリッジ構成を使用すると、歪みの変化に対する回路の感度が大幅に向上して、さらに確度の高い測定が実現します。 ロードセルは通常、励起用ワイヤ2本（0 VおよびVex）と出力信号用ワイヤ2本（AI+およびAI-）が備わった形で提供されます。 また、ロードセルメーカーは出力電圧と力の量を対応させた校正曲線を提供しています。

ロードセル/圧力の測定方法

次のセクションでは、効果的なロードセル/圧力トランスデューサ測定に必要なデータ集緑/信号調節装置について説明します。 ロードセル/圧力トランスデューサ測定には、基本的に、ブリッジ励起、信号増幅、およびブリッジバランスが必要です。

ブリッジ励起
ロードセル信号調節器は通常、一定の電圧ソースを提供してブリッジに電源を供給します。 業界全体で認証されている標準電圧レベルはありませんが、約3 Vまたは10 Vの励起電圧レベルが一般的に使用されます。 高い励起電圧は比例して高い出力電圧を生成しますが、高い電圧は自己発熱によって大きなエラーを引き起こすこともあります。 励起電圧が極めて正確かつ安定していることは非常に重要です。

信号増幅
ロードセルおよびブリッジの出力は微小です。 実際、ほとんどのロードセルおよびロードベースのトランスデューサの出力は10 mV/V（励起電圧1ボルトにつき10 mVの出力）未満です。 励起電圧10 Vの場合、出力信号は100 mVです。 したがって、ロードセル信号調節器には通常増幅器が付属しており、信号レベルを増幅して、計測分解能を上げ、S/N（信号/ノイズ）比を向上させます。

ブリッジバランス、オフセットヌル設定

ブリッジを取り付けた場合、歪みがないときにブリッジの出力が0 Vになることはまずありません。 むしろ、ブリッジ検出部間の抵抗およびリード抵抗のごくわずかな変化により、初期オフセット電圧が生成されます。 システムによるこの初期オフセット電圧の処理方法は複数あります。

1.ソフトウェアによる補償 – ソフトウェアで初期オフセット電圧を補償する方法。 この方法では、歪み入力を適用する前に初期測定値を計ります。 これは「オートゼロ」とも呼びます。 この方法は簡単で手っ取り早く、手動での調整を必要としません。 欠点は、測定のダイナミックレンジが制限される場合があることです。ブリッジ自体のオフセット電圧を除去しているわけではないため、 オフセット電圧が大きいと、出力電圧に適用可能な増幅器ゲインが制限されるため、測定のダイナミックレンジが制限されます。
2.オフセットゼロ調整回路 – 調整可能な抵抗器またはポテンショメータを使用して物理的にブリッジの出力を0 Vに調整する方法。ポテンショメータを調整することにより、初期オフセット電圧を0 Vにします。
3.バッファ型オフセットヌル – ソフトウェアによる補償と同様、ブリッジに直接影響を与えない方法。 バッファ型ヌルを使用して、ゼロ調整回路は、調整可能なDC電圧を測定増幅器の出力に付加します。

ロードセル/圧力トランスデューサを計測器に接続する

このセクションでは、NI cDAQ-9172シャーシおよびNI 9237 Cシリーズ歪みゲージモジュールを使用した例を紹介します（図4）。 同じような手法は、別の計測器にも適用できます。

図4.NI CompactDAQシステム

必要な機器は次のとおりです。
-cDAQ-9172、8スロットHi-Speed USBシャーシ、NI CompactDAQ用
-NI 9237、4チャンネル同時サンプリングブリッジモジュール、24ビット、±25 mV/V
-フルブリッジロードセル

NI 9237は、ハーフまたはフルブリッジ構成をサポートしており、ロードセル/圧力トランスデューサが直接接続できます。NI 9237には4つのRJ-50端子が装備されており、最大で4つのセンサが接続できます。 図5に、各コネクタ用端子の信号名、およびRJ-50 10ピン/10コンダクタ（10p10c）モジュール型プラグのピン番号とNI 9237の端子の相互関係を示します。 NI 9237には、外部励起電圧ソースとモジュールの接続に使用できる4ピンコネクタも装備されています。 図6は、NI 9237モジュールでフルブリッジ構成を実現した場合の接続図です。

図5.NI 9237端子名

図6.フルブリッジ構成の配線

測定結果の表示 NI LabVIEW

ロードセルを計測デバイスに接続すると、LabVIEWグラフィカルプログラミングソフトウェアを使用して、データをコンピュータに転送し、表示/解析できます。

図7は、LabVIEWプログラミング環境の表示器で、測定した歪みデータをサンプル表示したものです。

図7.LabVIEWフロントパネルによるロードデータの表示

推奨ハードウェアおよび推奨ソフトウェア

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NI LabVIEWとは？

ロードセル/圧力Webイベント、チュートリアルなどのハウツーリソース

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