試験装置は、正確な測定値や結果を提供するだけでは不十分です。結果は、機器を使うたびに一貫していなければなりません。試験データにばらつきがあるということは、達成された結果に不備がある可能性があり、場合によっては役に立たないことになります。このような矛盾は試験の有効性を損なうだけでなく、定量的に有意な平均値を得るために多くのサンプルを分析しなければならず、オペレーターにコストと時間をかけさせることになります。ひとつの部品に対して 25 回や 50 回ではなく、100 回の試験が必要な場合もあります。
業界基準
さまざまな技術について説明する前に、産業界で信頼性と一貫性を測定している方法を理解する必要があります。これまで、これらの要素を定量化するための試みは、様々なレベルで成功してきました。しかし、2005年には、試験装置の直線変位に関する方法論と測定基準を標準化するための新規格 ASTM E2309 が発表されました。ASTM E2309に記載されている要件に従って、リニア位置センサで取得したデータの一貫性と信頼性を測定し、技術間で比較できます。
ASTM E2309 では、精度を次の 4 段階に分けています。
クラス A ：読み取り値の +/- 0.5% または ± 0.001 インチ（ 0.025 mm ）
クラス B ：読み取り値の +/- 1.0% または ± 0.003 インチ（ 0.075 mm ）
クラス C ：読み取り値の +/- 2.0% または ± 0.005 インチ（ 0.125 mm ）
クラス D ：読み取り値の +/- 3.0% または ± 0.010 インチ（ 0.250 mm ）
上図のように、各分類には、読み取り値の割合を示す「相対誤差」と、実際の測定誤差そのものを示す「固定誤差」のふたつの精度仕様があります。測定分解能に関連した 3 つ目の仕様もありますが、これはここでは重要ではありません。
ASTM E3209 での等級を決定するには、2 回実行したデータが必要です。そして、実行データ間の差異は、測定再現性の信頼性のレベルを示すために使用されます。
これらの分類は、メーカーにとって重要であり、アプリケーションの正確なパラメータ、業界の期待値や規格を満たす試験装置を運用コスト、設置の容易度、環境条件などの他の要素を考慮しながら選択できます。
計測技術
現在、試験装置で直線変位を測定する最も一般的な方法のひとつは、LVDT（線形可変差動変圧器）を使用することです。LVDT は、円筒状の強磁性体コアに沿って流れる電流を測定します。金属製の物体がコアに沿って移動することで信号が発生し、その信号をチューブに沿って配置された 3 つのコイルで計測します。この技術には、大半の産業用機器との互換性、設置が簡単、迅速な起動（再キャリブレーション不要）などの利点があります。
2 つ目の技術である磁歪では、 2 つの磁場の瞬間的な相互作用によって、特別に設計された磁歪導波管に音波の歪みパルスを誘導します。一方の電界はセンサチューブの外側を通過する可動式の永久磁石からの電界で、他方の電界は導波管に沿って印加される電流パルスまたは質問パルスからの電界です。この相互作用により歪みパルスが発生し、そのパルスが導波管に沿って音速で伝わり、センサーの頭部で検出されます。
磁石の位置は、質問パルスが印加されてから結果として生じる歪みパルスが到達するまでの経過時間を測定することで、高精度で決定されます。このため、センサ部品の摩耗が全くない状態で、正確な非接触位置フィードバックを実現しています。また、磁歪は再キャリブレーションの必要がなく、大半の産業環境で簡単に設置できます。
精度への影響要素
完璧なラボ環境（温度管理、電気的/磁気的干渉、衝撃、振動など）では、大半のセンサはかなり安定した結果を得られます。真の指標は、実際の環境下における製品の動作です。
特に LVDT は環境の影響を受けやすいという特徴があります。LVDT は可変式 AC 変圧器であるため、ケーブルの静電容量や電気抵抗、復調器の位相変動、トランスの物理的な巻線やマッチしたコアのわずかな変動などによる誤差が生じやすいのです。さらに、コアと変圧器は同心円状に角度を保ったままなので、特に砂ぼこりなどの汚れと一緒になると、素子が経年劣化してしまいます。
測定方法ー磁歪の優位性について
LVDT は今でも市場で確固たる地位を築いていますが、ASTM E2309 を使って直接比較すると磁歪の優位性は明らかです。LVDT が一般的な線形化アルゴリズムを用いて 25cm 以上の長さの物理的な範囲でクラス C 仕様（読み取り値の ±2.0％ または ±0.005 インチ）に何とか準拠しているのに対し、磁歪式リニア位置センサの多くは、特に実際のフィールド条件で測定した場合、クラス A（読み取り値の ±0.5％ または ±0.001 インチ）の定格を簡単に維持できます。この利点は、非常に長いストローク長（100cm以上）や高速読み取り（50cm/秒）が必要な用途では、さらに顕著になります。
また、磁歪式センサは LVDT と比較して、電磁誘導、衝撃、振動などの環境要因の影響を受けにくいという特徴があります。更に磁歪センサには可動部がないため、継続的に使用しても摩耗や破損の心配がありません。これらのセンサは、メンテナンスがほとんど、あるいは全くしないまま、ずっと使用できます。性能を損なわずに、ほとんどのスペースに設置できます。
磁歪式センサは、EtherNet/IP™、EtherCAT®、Profibus、DeviceNet、CANbus、SSI、アナログ、汎用イーサネットなど、さまざまな電子プロトコルに対応しています。この度、MTS Systems Corp のセンサ事業部は、着脱式電子機器を搭載したモデルを発表しました。 電子機器を切り離すことで、メーカーはセンサの性能に影響を与えることなく、温度、衝撃、振動などでダメージを受ける可能性のある過酷な環境から敏感な機器をさらに取り外すことができます。
総論
LVDT は低性能の用途ではまだ使用価値がありますが、磁歪は長期的に信頼性の高いデータが不可欠な機器において実質的な利益をもたらします。磁歪式リニア位置センサは、試験装置において摩耗や損傷が少なく、安定した結果を提供し、ASTM E2309 のクラスが大幅に上がり、メーカーはアプリケーションの仕様、顧客の期待、業界の規制を満たすことができます。