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計量/張力センサーの内部構造と動作原理

2025-12-23

最新の企業ニュース 計量/張力センサーの内部構造と動作原理
重量/張力センサーの内部構造と動作原理
 
重量センサーは測定デバイスです。外力が加わると、出力端子で電気信号を生成します。ひずみゲージ型の重量センサーは最も一般的なタイプの一つで、重量の測定に使用されます。この記事では、重量センサーの動作原理と仕様について紹介します。

重量センサーとは?

重量センサーは、力変換器の一種です。センサーは、ある形式のエネルギーを読み取り可能な電気信号に変換するデバイスです。具体的には、重量センサーは力を電子機器で読み取ることができる電圧に変換します。日常生活で最も一般的に使用されている重量センサーは、ひずみゲージタイプであり、ほぼすべての重量測定デバイスに存在します。
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重量センサーはどのように動作しますか?

重量センサーの内部には、柔軟な基板に取り付けられた非常に薄い抵抗性材料があります。外力がセンサー本体に作用すると、柔軟な基板が変形し、抵抗性材料もそれに合わせて変形します。抵抗ストリップの寸法が変化すると、その抵抗値も変化します。
 
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ただし、抵抗の変化は、材料の元の総抵抗に対して非常に小さく、通常は1:100程度です。これにより、絶対抵抗値を直接測定することは非常に困難になります。
これを解決するために、柔軟な基板上の抵抗性材料は、ホイートストンブリッジ(その普及者であるサー・チャールズ・ホイートストンにちなんで名付けられました)と呼ばれる回路構成に配置されています。このブリッジは、各辺に1つの抵抗器があるダイヤモンド型の抵抗器の配置です(下の図を参照)。
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ホイートストンブリッジの仕組み

励起電圧は、ダイヤモンド型のブリッジの対角線の1組に印加され、出力電圧信号は他の対角線の組から読み取られます:
  • 外力が加わらない場合:すべての抵抗器は同じ値です。ブリッジの各「アーム」は電圧分割器として機能するため、各アームの出力電圧は等しくなり、0Vの出力になります(出力ポイントは分割器の中間にあるため)。
  • 外力が加わった場合:1つの抵抗器の値が変化し、そのアームの電圧が変化します。これにより、出力端子に小さな電圧差が生じます。

重量センサーの使用方法

センサーの出力電圧は非常に小さく、高インピーダンスのソース(抵抗分割器)から供給されます。この電圧を正確に読み取るには、信号調整が必要です:
  • 回路は、高い入力インピーダンス(分割器への負荷の影響を避けるため)が必要です。
  • 回路は、高い同相信号除去比(各アームの絶対電圧は励起電圧の半分であるため)が必要です。
  • 回路は、高い差動ゲイン(小さな電圧差を増幅するため)が必要です。
これは通常、計装アンプ(例:ゲイン100のAD620)で行われます。1mVの入力電圧が100mVの出力になります。たとえば、ブリッジのフルレンジ出力が±25mVの場合、アンプは±2.5Vを出力します。
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デジタル信号重量センサー