(57)【要約】【課題】ひずみ測定を行いつつ高精度の温度測定を可能とするひずみ・温度測定方法を提供する。【解決手段】抵抗式ひずみゲージ１に接続された４本のリード線１１〜１４のうち、第１〜第３リード線１１〜１３は同一材質で、１ゲージ３線法に従うひずみ測定に用いられる。第４リード線１４はリード線１１〜１３と異種材質で第３リード線１３と共に熱電対１５を構成する。１ゲージ３線法におけるブリッジ回路３２にブリッジ電源電圧を印加している状態で、ブリッジ回路３２の出力電圧ｅを基にひずみ測定を行うと共に、熱電対１５の出力電圧ｅtと、第１リード線１１の発生電圧ｅrとを抽出し、それらの電圧の差分の電圧（ｅt−ｅr）に基づいて熱電対１５の温度を測定する。【選択図】図１
2007240378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に、同一材質から成る第１リード線および第２リード線が接続されると共に、他端に、該第１および第２リード線と同一材質から成る第３リード線と、該第１〜第３リード線とは異なる材質から成り、該第３リード線と共に熱電対を構成する第４リード線とが接続された抵抗式ひずみゲージを用い、固定抵抗値の複数の抵抗体から成る抵抗回路に前記第１リード線および第３リード線を介して前記抵抗式ひずみゲージを接続することにより該抵抗式ひずみゲージを一辺に有するブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路にブリッジ電源電圧を印加しつつ、該ブリッジ回路の出力電圧を１ゲージ３線法に従って前記第２リード線を用いて抽出すると共に、前記熱電対の出力電圧を前記第３リード線および第４リード線を介して抽出し、前記抽出したブリッジ回路の出力電圧を基に前記抵抗式ひずみゲージに生じるひずみを測定すると共に、前記抽出した熱電対の出力電圧を基に該熱電対の温度を測定するようにしたひずみ・温度測定方法において、
前記ブリッジ回路にブリッジ電源電圧を印加した状態で前記第１リード線に生じる電圧を該第１リード線の前記抵抗回路への接続部と前記第２リード線とを介して抽出し、その抽出した第１リード線の発生電圧と前記抽出した熱電対の出力電圧との差に基づいて該熱電対の温度を測定するようにしたことを特徴とするひずみ・温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗式ひずみゲージを使用してひずみ測定を行うと共に、リード線により構成した熱電対を用いて温度測定を行うひずみ・温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の測定手法としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。
【０００３】
この測定手法を図２を参照して以下に説明する。測定対象物に貼着される抵抗式ひずみゲージ１００の一端に第１リード線１０１および第２リード線１０２の２本のリード線が接続され、他端には、第３リード線１０３および第４リード線１０４の２本リード線が接続されている。そして、抵抗式ひずみゲージ１００は、３個の固定抵抗値の抵抗体１０５，１０６，１０７を直列に接続してなる抵抗回路１０８に第１リード線１０１および第３リード線１０３を介して接続され、この接続により抵抗式ひずみゲージ１を一辺に有するブリッジ回路１０９（詳しくはホイートストンブリッジ回路）が構成される。なお、抵抗体１０５〜１０７の各抵抗値は、抵抗式ひずみゲージ１の無ひずみ状態での抵抗値（公称抵抗値）と同じである。また、図２中ｒ101〜ｒ104は、それぞれ第１〜第４リード線１０１〜１０４の抵抗値を示している。
【０００４】
このブリッジ回路１０９は、第３リード線１０３と抵抗回路１０８との接続部であるＡ点と、このＡ点に対してブリッジ回路１０９の対角点となるＣ点（抵抗体１０６と抵抗体１０７との接続部）とを一対の入力部とし、これらの入力部の間にブリッジ電源電圧Ｅが印加される。また、第１および第２リード線１０１，１０２が接続されたひずみゲージ１００の一端と、この一端に対してブリッジ回路１０９の対角点となるＤ点（抵抗体１０５と抵抗体１０６との接続部）とを一対の出力部とし、そららの出力部の間の電位差ｅがブリッジ回路１０９の出力電圧として計測される。この場合、出力電圧ｅの計測に際しては、ひずみゲージ１００の一端の電位は、前記第２リード線１０２を介して抽出される。すなわち、１ゲージ３線法に従って、第２リード線１０２を用いて出力電圧ｅが計測される。この出力電圧ｅは、ひずみゲージ１００の抵抗値変化に応じて変化するので、該出力電圧ｅを基に、ひずみゲージ１００のひずみ（ひずみゲージ１を貼着する測定対象物のひずみ）が測定される。
【０００５】
一方、ひずみ測定に使用する前記第１〜第３リード線１０１〜１０３は、その材質（導線の材質）は同じであり、例えば銅である。また、第４リード線１０４の材質は、第１〜第３リード線１０１〜１０３と異なり、例えば、コンスタンタンである。この場合、第３リード線１０３と第４リード線１０４とにより、ひずみゲージ１００の他端を接点とする熱電対１１０が構成される。この熱電対１１０の出力電圧ｅt、すなわち、第３リード線１０３の先端（抵抗回路１０８側の端部）と、第４リード線１０４の先端（ひずみゲージ１と反対側の端部）との間の電位差ｅtが熱電対１１０の温度に応じた電圧となるので、該出力電圧ｅtが計測され、その計測された出力電圧ｅtを基に、熱電対１１０の温度、すなわち、ひずみ測定環境の温度が測定される。
【０００６】
このような測定手法によれば、ひずみ測定と、それに影響を及ぼす環境温度の測定とを同時に行なうことが可能となり、ブリッジ回路１０９の出力電圧ｅに基づくひずみ測定値を温度測定に応じて補正する（温度に応じたひずみゲージ１００の見かけひずみを補償する）などの処理を行なうことが可能となる。
【特許文献１】実用新案登録第３０４６９７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に見られる技術では、熱電対１１０を構成する第３および第４リード線１０３，１０４のうちの第３リード線１０３は、ブリッジ回路１０９に組み込まれているので、該ブリッジ回路１０９にブリッジ電源電圧Ｅを印加した状態で、第３リード線１０３に電流が流れ、その電流と第３リード線１０３の抵抗値ｒ103とに応じた電圧が該第３リード線１０３に発生する。そして、その電圧は、第３リード線１０３の長さやひずみゲージ１００の抵抗値変化などに応じて変化する。このため、熱電対１１０の出力電圧ｅtは、熱電対１１０の温度だけに依するものではなく、ひずみゲージ１００の抵抗値変化などの影響を受ける。従って、熱電対１１０の出力電圧ｅtから把握される温度に誤差が生じ、特にその誤差は、第１〜第４リード線１０１〜１０４の長さが長い場合に大きなものとなるという不都合があった。
【０００８】
本発明はかかる背景に鑑み、ひずみ測定を行いつつ高精度の温度測定を可能とするひずみ・温度測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するために、本発明のひずみ測定方法は、一端に、同一材質から成る第１リード線および第２リード線が接続されると共に、他端に、該第１および第２リード線と同一材質から成る第３リード線と、該第１〜第３リード線とは異なる材質から成り、該第３リード線と共に熱電対を構成する第４リード線とが接続された抵抗式ひずみゲージを用い、固定抵抗値の複数の抵抗体から成る抵抗回路に前記第１リード線および第３リード線を介して前記抵抗式ひずみゲージを接続することにより該抵抗式ひずみゲージを一辺に有するブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路にブリッジ電源電圧を印加しつつ、該ブリッジ回路の出力電圧を１ゲージ３線法に従って前記第２リード線を用いて抽出すると共に、前記熱電対の出力電圧を前記第３リード線および第４リード線を介して抽出し、前記抽出したブリッジ回路の出力電圧を基に前記抵抗式ひずみゲージに生じるひずみを測定すると共に、前記抽出した熱電対の出力電圧を基に該熱電対の温度を測定するようにしたひずみ・温度測定方法において、前記ブリッジ回路にブリッジ電源電圧を印加した状態で前記第１リード線に生じる電圧を該第１リード線の前記抵抗回路への接続部と前記第２リード線とを介して抽出し、その抽出した第１リード線の発生電圧と前記抽出した熱電対の出力電圧との差に基づいて該熱電対の温度を測定するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
前記第１〜第４リード線の長さは、一般に、ほぼ同じ長さとされ、また、第１〜第３リード線の材質は、同一であるので、第１リード線の抵抗値と第３リード線の抵抗値とは、常にほぼ等しい値になる。そして、１ゲージ３線法では、ブリッジ回路のブリッジ電源電圧に対して、第１リード線および第３リード線は直列に接続されることとなるので、第１リード線と第３リード線とにそれぞれ流れる電流も等しい。従って、ブリッジ回路にブリッジ電源電圧を付与した状態で第１リード線に生じる電圧と第３リード線に生じる電圧とはほぼ等しくなる。さらに、１ゲージ３線法では、第１リード線の抵抗式ひずみゲージ側の端部の電位は、前記第２リード線を介して抽出でき、第１リード線の抵抗回路側の端部の電位は、該抵抗回路と第１リード線との接続部から抽出できる。従って、その接続部と前記第２リード線とを介して第１リード線に生じる電圧を抽出できる。なお、その抽出には、高入力インピーダンスの増幅器やバッファを使用すればよい。
【００１１】
そこで、本発明のひずみ・温度測定方法では、前記第１リード線に生じる電圧を該第１リード線の前記抵抗回路への接続部と前記第２リード線とを介して抽出し、その抽出した第１リード線の電圧と前記抽出した熱電対の出力電圧との差に基づいて該熱電対の温度を測定するようにした。この場合、抽出される第１リード線の発生電圧は、前記第３リード線の発生電圧とほぼ等しいので、この発生電圧と熱電対との差の電圧は、熱電対の出力電圧から、第３リード線に流れる電流と該第３リード線の抵抗値とに応じて該第３リード線に発生する電圧を除去したものに相当する。従って、当該差の電圧に基づいて熱電対の温度を測定することで、該熱電対の温度を精度よく測定することができることとなる。
【００１２】
よって、本発明のひずみ・温度測定手法によれば、ひずみ測定を行いつつ高精度の温度測定を可能なる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図１を参照して説明する。図１は本発明を適用した測定系の要部構成を示す回路図である。
【００１４】
図１を参照して、１はひずみを測定しようとする測定対象物（図示せず）に接着剤などを介して貼着される抵抗式ひずみゲージ（以下、単にひずみゲージという）、２はひずみゲージ１を接続する測定器である。
【００１５】
ひずみゲージ１の一端には、第１リード線１１および第２リード線１２が接続され、他端には、第３リード線１３および第４リード線１４が接続されている。そして、第１〜第４リード線１１〜１４は、それぞれ測定器２に設けられた接続端子２１，２２，２３，２４に接続される。
【００１６】
第１〜第４リード線１１〜１４は、ほぼ同じ長さである。また、第１〜第４リード線１１〜１４のうちの第１〜第３リード線１１〜１３は、その導線の径および材質がいずれも同一である。従って、第１〜第３リード線１１〜１３のそれぞれの抵抗値ｒ11，ｒ12，ｒ13は互いにほぼ同一である。なお、第１〜第３リード線１１〜１３の材質は例えば銅である。
【００１７】
一方、第４リード１４はその導線の材質が第１〜第３リード線１１〜１３と相違しており、その材質は、例えばコンスタンタンである。従って、第４リード線１４と第３リード線１３とにより、ひずみゲージ１の他端を接点とする熱電対１５が構成されている。なお、第４リード線１４の導線の径は、第１〜第３リード線１１〜１３の径と同じでもよいが、異なっていてもよい。また、第４リード線１４の抵抗値ｒ14は、第１〜第３リード線１１〜１３のそれぞれの抵抗値ｒ11，ｒ12，ｒ13と同じでもよいが、異なっていてもよい。
【００１８】
測定器２には、３個の固定抵抗値の抵抗体２５，２６，２７を直列に接続してなる抵抗回路２８（抵抗体２５〜２７の直列回路）と、ブリッジ電源２９と、増幅器３０と、差動増幅器３１とが設けられている。
【００１９】
抵抗回路２８は、その両端がそれぞれ接続端子２１，２３に同電位に導通されており、これらの接続端子２１，２３に前記第１リード線１１および第３リード線１３を接続することで、ひずみゲージ１を１辺に有するブリッジ回路３２が構成されるようになっている。なお、抵抗回路２８の各抵抗体２５，２６，２７の抵抗値は、いずれもひずみゲージ１の無ひずみ状態での抵抗値（ひずみゲージ１の公称抵抗値）と同じである。各抵抗体２５〜２７としては、固定抵抗値の通常の抵抗素子を使用すればよいが、ひずみゲージ１と同じ特性のひずみゲージを使用してもよい。補足すると、ブリッジ回路３２の各辺（ひずみゲージ１を含む辺以外の辺）の固定抵抗値が複数の抵抗体の合成抵抗値になるように、より多くの抵抗体を組み合わせて抵抗回路２８を構成するようにしてもよい。
【００２０】
ブリッジ電源２９は、ブリッジ回路３２の電源電圧として、一定のブリッジ電源電圧Ｅを出力するものである。この場合、第３リード線１３と抵抗回路２８の抵抗体２７との接続部であるＡ点（接続端子２３と同電位部分）と、抵抗体２５および抵抗体２６の接続部であるＣ点とがブリッジ回路３２の一対の電源入力部であるので、これらの電源入力部Ａ，Ｃに導体ライン３３ａ，３３ｂを介して接続されている。
【００２１】
増幅器３０は、ブリッジ回路の出力電圧ｅを増幅して出力するものである。ここで、１ゲージ３線法のひずみ測定では、第１および第２リード線１１，１２が接続されたひずみゲージ１の一端と、抵抗体２６と抵抗体２７との接続部であるＤ点との間の電位差がブリッジ回路３２の検出すべき出力電圧ｅである。このため、増幅器３０は、その入力側が、ブリッジ回路３２のＤ点と第２リード線１２を接続する接続端子２２とにそれぞれ導体ライン３４ａ，３４ｂを介して接続されている。この場合、増幅器３０は、高入力インピーダンスのものであるため、ひずみゲージ１の一端およびブリッジ回路３２のＤ点と、増幅器３０の入力側との間に流れる電流は極めて微小である。従って、増幅器３０の入力側をＤ点と接続端子２２とに接続することで、ブリッジ回路３２に流れる電流に実質的な影響を及ぼすことなく、増幅器３０の入力側にひずみゲージ１の一端の電位が第２リード線１２を介して入力されると共に、ブリッジ回路３２のＤ点の電位が入力される。これにより、ブリッジ回路３２の検出すべき出力電圧ｅが適切に抽出されて増幅器３０に入力され、該出力電圧ｅに比例した電圧が増幅器３０から出力される。
【００２２】
差動増幅器３１は、熱電対１５の出力電圧ｅtと、第１リード線１１の発生電圧ｅrとを入力として、それらの差（ｅt−ｅr）の電圧を増幅して出力するものである。ここで、熱電対１５の出力電圧ｅtは、第３リード線１３の先端（接続端子２３への接続端）と、第４リード線１４の先端（接続端子２４への接続端）との間の電位差であるので、接続端子２３，２４がそれぞれ導体ライン３５ａ，３５ｂを介して差動増幅器３１の入力側に接続されている。また、第１リード線１１の発生電圧ｅrは、第１リード線１１の先端（接続端子２１との接続端）と、第１リード線１１の基端（ひずみゲージ１との接続端）との間の電位差であるので、第１リード線１１の基端に第２リード線１２を介して接続される接続端子２２と、第１リード線１１の先端を接続する接続端子２１とがそれぞれ導体ライン３６ａ，３６ｂを介して差動増幅器３１の入力側に接続されている。この場合、差動増幅器３１は、高入力インピーダンスのものであるため、接続端子２３，２４と差動増幅器３１の入力側との間に流れる電流、並びに、ひずみゲージ１の一端（第２リード線１２のひずみゲージ１への接続端）と接続端子２１（第１リード線１１の先端）と差動増幅器との間で流れる電流は極めて微小である。従って、差動増幅器３１の入力側を上記のように接続端子２１〜２４に接続することで、ブリッジ回路３２に流れる電流に実質的な影響を及ぼすことなく、第３リード線１３および第４リード線１４のそれぞれの先端の電位が差動増幅器３１に入力されると共に、第１リード線１１の先端および基端のそれぞれの電位が差動増幅器３１に入力される。これにより、熱電対１５の出力電圧ｅtと、第１リード線１１の発生電圧ｅrとが適切に抽出されて差動増幅器３１に入力され、それらの差分の電圧（ｅt−ｅr）に比例する電圧が差動増幅器３１から出力される。
【００２３】
なお、増幅器３０および差動増幅器３１の出力は、ひずみ測定値や温度測定値を求める処理を実行する演算処理部（図示しない）などに入力される。
【００２４】
次にかかる測定系の作動を説明する。ひずみゲージ１を測定対象物に貼着し、前記リード線１１〜１４をそれぞれ測定器２の接続端子２１〜２４に接続した状態で、ブリッジ電源２９を起動する。これにより、ブリッジ電源２９からブリッジ電源電圧Ｅがブリッジ回路３２の入力部Ａ，Ｃの間に印加され、ブリッジ回路３２（第１および第３リード線１１，１３を含む）に電流が流れる。
【００２５】
このとき、ブリッジ回路３２の出力電圧ｅは、ひずみゲージ１のひずみ（ひずみゲージ１を貼着した測定対象物のひずみ）に応じた値となり、その出力電圧ｅが前記したように増幅器３０に入力されて増幅され、該出力電圧ｅに比例した電圧が増幅器３０から出力される。
【００２６】
また、差動増幅器３１には、前記したように熱電対１５の出力電圧ｅtと第１リード線１１の発生電圧ｅrとが入力され、それらの差分の電圧（ｅt−ｅr）に比例した電圧が作動増幅器３１から出力される。ここで、熱電対１５の出力電圧ｅtには、該熱電対１５の温度に起因する電圧成分だけでなく、ブリッジ回路３２に含まれる第３リード線１３に流れる電流に起因して該第３リード線１３に発生する電圧成分も含まれる。
【００２７】
一方、第１リード線１１に流れる電流と第３リード線１３に流れる電流は等しく、また、該第１および第３リード線１１，１３の抵抗値は、ほぼ同一である。従って、差動増幅器３１に入力される第１リード線１１の発生電圧ｅrは、第３リード線１３の発生電圧にほぼ等しい。このため、差動増幅器３１の出力は、熱電対１５の出力電圧ｅtから、第３リード線１３の発生電圧を除去してなる電圧、すなわち、該熱電対１５の温度に起因する電圧にほぼ比例するものとなる。これにより、差動増幅器３１から、熱電対１５の温度だけに依存する電圧信号が得られることとなる。
【００２８】
そして、増幅器３０および差動増幅器３１の出力を入力する図示しない演算処理部では、差動増幅器３１の出力を基に熱電対１５の温度、すなわち、ひずみゲージ１によるひずみ測定箇所の環境温度を測定する（差動増幅器３１の出力電圧を温度値に換算する）。また、該演算処理部では、例えば増幅器３０の出力を基に、ひずみゲージ１のひずみを測定し（増幅器３０の出力電圧をひずみ値に換算する）、さらに、そのひずみ測定値を熱電対１５の温度測定値を基に補正することで、該ひずみ測定値の温度補償（環境温度の変化に応じたひずみゲージ１の見かけひずみの補償）を行なう。また、演算処理部は、その温度補償後のひずみ測定値や、温度測定値を記録保持したり、表示するなどの処理を実行する。なお、ひずみ測定値の温度補償は、補正換算表などを用いて作業者が行なうようにしてもよい。
【００２９】
この場合、差動増幅器３１の出力を基に、熱電対１５の温度（ひずみ測定時の環境温度）を精度よく測定できるので、ブリッジ回路３２の出力電圧ｅから得られるひずみ測定値の補正を適切に行なうことができる。
【００３０】
なお、以上説明した実施形態では、熱電対１５の出力電圧ｅtと第１リード線１１の発生電圧ｅrとの差分の電圧（ｅt−ｅr）を差動増幅器３１を使用して検出するようにしたが、熱電対１５の出力電圧ｅtと第１リード線１１の発生電圧ｅrとをそれぞれ各別に増幅したものをＡ／Ｄ変換し、それらの値の差を演算により求めるようにしてもよい。
【００３１】
また、前記実施形態では、１つのひずみゲージ１だけを使用する測定系を説明したが、複数のひずみゲージ１を使用して、多点測定を行なう測定系であってもよい。その場合、各ひずみゲージ１と測定器２との接続をスイッチを介して切り換えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のひずみ・温度測定方法を適用した測定系の要部の回路構成図。
【図２】従来のひずみ・温度測定手法を説明するための回路図。
【符号の説明】
【００３３】
１…抵抗式ひずみゲージ、１１…第１リード線、１２…第２リード線、１３…第３リード線、１４…第４リード線、１５…熱電対、３２…ブリッジ回路。
【図１】
2007240378.tif 000003
【図２】
2007240378.tif 000004