高岡智則
年齢：33歳 性別：男性 職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当） 居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション 出身地：神奈川県川崎市 身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる） 血液型：A型 誕生日：1992年11月20日 最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒 通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分） 家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹 恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）
ひずみ計とは？
ひずみ計とは、物体が曲がったり引っ張られたりする時に生じる微小な長さの変化を電気信号に変えるセンサーです。材料力学や機械工学の現場でよく使われ、車の部品や橋梁の健全性評価など幅広い領域で活躍します。
基本原理はとてもシンプルです。ひずみが生じると、ひずみ計の中にある導体の抵抗値が変化します。この抵抗の変化を読み取って電圧として表示することで、どれくらい変形したのかを知ることができます。
ひずみ計のしくみ
ひずみ計は主に金属箔や薄膜を材料の表面に貼り付けて使用します。材料が伸びると箔も伸び、それに伴って抵抗が変化します。その抵抗の変化をブリッジ回路で検知し、増幅器で読み取りやすい電圧に変換します。
代表的には四端子測定法や半導体式などがあり、温度補償の工夫も必要です。温度の変化は抵抗値に影響するため、測定対象の温度を同時に測るか補正を行います。
ひずみ計の種類と特徴
| 特徴 | 主な用途 | 長所 | 短所 | |
|---|---|---|---|---|
| 金属箔ひずみ計 | 薄い金属箔を基材に貼る | 構造部のひずみ測定 | 安価で入手しやすい | 温度影響を受けやすい |
| 薄膜ひずみ計 | 絶縁基板上に薄膜を形成 | 微小変形の高感度測定 | 高い感度 | 取り扱いが難しい |
| 光ファイバひずみ計 | 光の位相変化で変位を測る | 遠隔地や振動の測定 | 電磁干渉に強い | 機器が高価 |
使い方のコツと実例
実務ではまず測定対象を清掃し クリーンな表面 にします。センサーを接着する際には温度条件を一定に保ち、熱膨張の影響を最小化します。配線は短く、ノイズ対策として遮蔽を行います。
実例として橋の梁にひずみ計を貼り付け、車の荷重がかかるときの変形を測定します。測定データはブリッジ回路で得られる微小電圧として現れ、データロガーで時間経過とともに記録します。解析ではまずキャリブレーションを行い、得られた電圧からひずみを算出します。
比較と選び方のヒント
初めて使う場合は コストと難易度のバランスで金属箔ひずみ計から始めるのが無難です。高温環境や長距離測定が必要なら薄膜ひずみ計や光ファイバ式を検討します。
よくある誤解と真実
誤解のひとつには温度補償を自動で完璧にしてくれるという考えがあります。実際には補償が必要な場合と自動で補正されない場合があり、現場では温度計と組み合わせる or 補正を自分で行うことが多いです。
もうひとつの誤解は測定結果がそのまま物の強さと直結するということです。ひずみ計は変形の量を測る道具であり、材料の全体的な強度を直接示すわけではありません。データの解釈には力学の知識と適切な校正が必要です。
まとめ
ひずみ計は力の変化を電気信号に変える道具です 正しく使えば材料の強さや安全性を評価できる強力なツールとなります。原理はシンプルですが実務では温度補償や配線ノイズ対策などの工夫が必要です。中学生にも理解できるように、基本は抵抗の変化を電圧として読み取るという点に集約されます。
ひずみ計の同意語
- ひずみ計
- ひずみを測定するための計測機器。材料や構造物の変形（ひずみ）を電気信号へ変換して出力します。
- ひずみゲージ
- ひずみを検出するゲージ型の測定デバイス。材料の変形に伴う電気抵抗の変化を利用してひずみを測定します。
- ストレインゲージ
- 英語の strain gauge の日本語表記。ひずみを測定する装置のことを指します。
- ストレインセンサ
- ひずみを検知するセンサーのこと。ゲージと組み合わせて使われることが多い表現です。
- ひずみセンサ
- ひずみを検知して出力するセンサー。ひずみゲージと同様の用途で使われる呼称です。
- ひずみ測定器
- ひずみを測るための器具の総称。測定対象の変形を定量的に把握します。
- ひずみ計測機
- ひずみを計測する装置。データ取得や解析に用いられる機器の総称です。
- ひずみ計測センサ
- ひずみを測定するセンサ。ゲージと併用して使われる表現です。
- ストレイン測定機
- ストレインを測定する機器のこと。英語由来の用語を日本語風に表現したものです。
ひずみ計の対義語・反対語
- 応力計
- ひずみ計の対になる概念で、材料にかかる応力を直接測る計器。
- ストレスゲージ
- 英語のストレスゲージを日本語表現にしたもので、応力を測定する計器の別名として使われます。
- 力計
- 荷重・力を測定する計器。ひずみと力は関連するが別の物理量を測る道具です。
- 変位計
- 物体の変位（位置の変化）を直接測定する計器。ひずみ（変形率）とは別の測定対象です。
- 応力センサ
- 材料にかかる応力を感知・測定するセンサ。計測系の一部として用いられます。
- ひずみ抑制装置
- ひずみの発生を抑える／低減する構造や機構。ひずみ計の測定対象とは反対の目的を持つ概念。
ひずみ計の共起語
- ひずみゲージ
- ひずみを電気抵抗の変化として検出する小型センサー。金属箔や薄膜で作られ、貼り付け部のひずみを測定します。
- ゲージファクター
- ひずみと抵抗変化の関係を表す係数。ΔR/R = ゲージファクター × ε の形で出力を決定します。
- ゲージ定数
- ゲージファクターと同義で、ひずみと抵抗変化の比を表す指標です。
- 金属箔ひずみゲージ
- 金属の薄い箔を基板に貼り付け、機械的変形に伴う抵抗変化を測るタイプ。
- 薄膜ひずみゲージ
- 薄膜材料を用いたひずみゲージ。感度が高い反面温度依存性が大きいことがあります。
- 表面ひずみ計
- 部材の表面に直接貼り付けて表層のひずみを測定するタイプのゲージです。
- 埋込ひずみ計
- 材料内部に埋め込んでひずみ場を測定するタイプ。内部応力の評価に適します。
- ゲージアレイ
- 複数のひずみゲージを配置してひずみ分布を推定するセンサ群。精度と空間解像度を向上させます。
- 抵抗変化
- ひずみゲージで測定される抵抗の変化量。信号の基本指標となります。
- ΔR
- 抵抗の微小変化を表す表記。ひずみ計測の出力指標として使われます。
- ウィートストンブリッジ
- 4端子のブリッジ回路。ゲージの微小抵抗変化を高感度で検出します。
- ブリッジ回路
- 複数の抵抗を組み合わせて背景ノイズを抑え、微小変化を安定して検出する回路です。
- 温度補償
- 温度変化による抵抗の影響を抑える工夫。正確なひずみ測定の要です。
- 温度補償回路
- 温度の影響を低減するための回路設計の総称です。
- 温度補償線
- 温度の影響を分離・補償するための特別な配線配置のこと。
- 温度ドリフト
- 温度変化により出力が時間とともに漂う現象。キャリブレーションで補正します。
- データ取得/DAQ
- 測定データを取得・デジタル化する装置・ソフトウェア。解析に不可欠です。
- 出力電圧
- ひずみゲージの抵抗変化を電圧信号として取り出す形式。多くはミリボルト級です。
- 信号処理
- ノイズ除去、温度補償後のデータ整形、解析準備など測定データを整える作業です。
- ノイズ対策
- ノイズを抑えるための設計・配線・シールド等の対策全般を指します。
- 感度
- ひずみ1単位あたりの出力変化の度合い。感度が高いほど微小ひずを検出しやすいです。
- 線形領域
- 出力がひずみとほぼ直線的に比例する領域。大きなひずみで非線形になることがあります。
- 分解能
- 検出可能な最小のひずみ変化。分解能が高いほど微小変化を識別できます。
- 測定レンジ
- 一度に測定できるひずみの範囲。用途に応じて適切なレンジを選びます。
- 規格
- 品質・安全・互換性を保証する国内外の標準規格（例: JIS、ISO、IEC）を指します。
- JIS規格
- 日本工業規格。ひずみゲージの製品規格や測定方法の標準が定められています。
- 貼付
- ひずみゲージを部材の表面へ貼り付ける作業。適切な清浄・表面処理が重要です。
- 接着剤
- ゲージを固定する粘着材。エポキシ樹脂など、温度耐性や機械的特性を考慮して選びます。
- エポキシ樹脂
- 高強度の接着剤の一種。ひずみゲージ固定に広く用いられます。
- 配線
- ゲージと測定機を結ぶ導線。ノイズ防止と取り回しの工夫が重要です。
- 材料力学
- 応力・ひずみの関係を扱う力学の分野。ひずみ計測の基礎理論として重要です。
- 構造力学
- 構造物の力と変形を解析する分野。橋梁や機械部品のひずみ評価に関わります。
- 構造健全性モニタリング
- SHM。構造物の健全性を長期にわたり監視する実践領域です。
- 用途例
- 自動車部品・橋梁・機械部品・航空機部品など、さまざまな構造物のひずみ測定に利用されます。
ひずみ計の関連用語
- ひずみ計
- ひずみを電気抵抗の変化として検出するセンサ。試験片の延びや変形を電気信号に変換します。
- ひずみ
- 材料の長さの変化量を変化率として表した量。ε = ΔL / L0。
- 応力
- 材料に作用する外力によって内部で生じる内的な力のこと。単位はN/m^2（パスカル）。
- ヤング率
- 材料が受けた応力とひずみの比例定数。Eで表され、剛性を表す。
- ゲージファクター
- ひずみと抵抗変化の感度を表す係数。GF = (ΔR/R0)/ε。
- 抵抗変化
- ひずみの影響で抵抗が変わる現象。ΔR = R0 × GF × ε などで表される。
- 基準抵抗
- ひずみゲージの初期抵抗値。R0として記録される。
- ウィートストンブリッジ
- 4つの抵抗で作る橋型回路。ΔRを高感度で検出する基本構成。
- クォーターブリッジ
- 1つのゲージを用いるブリッジ構成。温度補償の効果は限定的。
- ハーフブリッジ
- 2つの抵抗を使うブリッジ。温度影響の補償と感度のバランスをとる。
- フルブリッジ
- 4つの抵抗を使うブリッジ。温度補償と高感度を両立しやすい。
- 温度補償
- 温度変化による抵抗値変化を打ち消して出力ドリフトを低減する機構。
- 温度係数
- 抵抗の温度変化に対する感度。典型例としてαが用いられる。
- フォイルひずみゲージ
- 薄い金属フォイルで作られた抵抗式ゲージ。高安定性が特徴。
- 半導体ひずみゲージ
- 半導体材料で作るゲージ。GFが大きいが温度ドリフトが大きい場合がある。
- カーボン系ひずみゲージ
- カーボン抵抗を利用したゲージで耐久性とコストが利点。
- セラミックひずみゲージ
- セラミック材料を用いたゲージ。安定性と耐湿性が良いことが多い。
- 貼付・接着剤
- ゲージを試験片へ貼り付ける際のエポキシ系などの接着剤。耐温度性を考慮する。
- ダイボンディング
- ゲージと試験片を機械的に固定する工法。信号の安定性に影響する。
- 表面実装型ひずみゲージ
- 試験片の表面に直接貼るタイプ。小型・高密度配置が可能。
- ゲージ長
- ゲージの測定領域の長さ。Lgで表され、感度と分解能に影響する。
- リード線
- ゲージと測定機器を接続する導線。
- 感度
- 出力信号の入力ひずみに対する割合。GFが指標となる。
- 分解能
- 検出可能な最小のひずみ量。測定系のノイズやA/D分解能に依存。
- ノイズ
- 計測信号に混入する不要信号成分。測定精度を下げる要因。
- ヒステリシス
- 同じひずみ値でも履歴によって出力が変わる現象。
- キャリブレーション
- 信号を正確なひずみに対応させるための校正作業。
- 応答時間
- ひずみの変化に対して出力が安定するまでの時間。
- 温度安定性
- 温度変化に伴う出力の変動の少なさ、安定性の指標。
- データ取得
- データ・アクイジョン(DAQ)等を用いた信号の収集・処理。
- 信号処理
- 増幅・フィルタ・A/D変換・データ解析など、計測信号を扱う一連の処理。
- 用途例
- 橋梁・建造物・機械部品のひずみ測定など、構造健全性評価の用途。
- 温度補償回路
- 回路レベルで温度影響を抑える補償機能を持つ設計。
ひずみ計のおすすめ参考サイト
- ひずみ計とは - 気象庁
- ひずみゲージとは | 株式会社 東京測器研究所
- 「ひずみ」とは？ | ひずみ計測 | 計測器ラボ | キーエンス
- ひずみ計測とは？ひずみ計測の基礎から高精度な技術まで解説
- ひずみゲージとは？（ひずみゲージ） | 技術情報
- 応力ひずみ曲線とは？ヤング率から設計応用まで徹底解説 | meviy | ミスミ
- ひずみゲージとは？（ひずみゲージ） | 技術情報
- ひずみ計測とは？ひずみ計測の基礎から高精度な技術まで解説
- ひずみ測定とは？測定方法・計測技術・DICシステムをご紹介
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