基于磁致伸缩位移传感器原理测量波导丝泊松比与线膨胀系数

导丝通常采用Fe-Ni，Fe-Ga等磁致伸缩材料构成，该材料在交变磁场作用下会发生形变，使波导丝产生弹性振动，基于此现象，波导丝被广泛应用于磁致伸缩位移传感器。波导丝材料的弹性参数是决定传感器工作特性的关键， 其中，波导丝泊松比会影响传感器的输出电压幅值，波导丝线膨胀系数会影响传感器在不同温度下测量准确度，由于波导丝材料、尺寸与制备工艺不同，不同类型波导丝的弹性参数会存在差异，对波导丝的选型造成不利影响，因此，对波导丝弹性参数测量方法进行研究具有实际意义，传统的材料弹性参数测量方法需要对试件进行机械拉伸或压缩，利用电测法、光学法或图像处理技术得到材料形变量，这些方法对材料具有一定的破坏性，为此，部分学者采用有限元仿真的方法对材料弹性参数进行数值计算[，由于材料在制备过程中会产生参数误差，使该方法在计算准确度上具有局限性， 近几年，声学法则可以避免上述问题。1、磁致伸缩位移传感器工作原理 磁致伸缩位移传感器结构主要包括脉冲驱动与信号处理电路、波导丝、活动永磁体、检测线圈、阻尼等。当传感器工作时，脉冲驱动电路产生脉冲激励电流并沿波导丝向前传播，该电流使波导丝周围产生周向激励磁场，当周向激励磁场随电流传播到活动永磁体位置处时，周向激励磁场与活动永磁体产生的轴向偏置磁场叠加，形成螺旋磁场， 基于磁致伸缩效应，波导丝在螺旋磁场作用下会发生形变，产生扭转应力波，扭转应力波以速度 ｖ 向两端传播，当检测线圈感应到扭转应力波信号时，该时刻与产生脉冲激励电流时刻的时间间隔为 ｔ，活动永磁体相对于检测线圈的距离 Ｌ 即为传感器测量的位移量。 传感器两端安装的阻尼可以吸收多余应力波，防止应力波在波导丝两端发生反射，减小检测信号的干扰。2、波导丝参数测量理论基础2.1波导丝线膨胀系数测量理论基础 线膨胀系数是指等压条件下单位长度的材料在温度每升高一度的伸长量，一般金属的线膨胀系数单位,1/℃或 1/L。当已知某两个确定温度下的扭转波传播速度后，以计算得到波导丝材料的线膨胀系数 α。 采用此方法测量波导丝的线膨胀系数避免了传统方式中对于微小尺寸的测量，减小了测量难度，实验简单便捷。
2.2波导丝泊松比测量理论基础 泊松比 μ 是反映材料受力后横向变形情况的常数，是材料的内在性质，在弹性范围内，物体的泊松比 μ 可视为一个常量。采用此方法测量波导丝泊松比 μ?将传统方法中需要测量的材料形变量转变为测量应力波传播时间?原本复杂的测量方法得到了简化?3、实验设计3.1波导丝线膨胀系数测量实验设计 根据上述理论基础，可直接采用磁致伸缩位移传感器结构测量波导丝线膨胀系数 α，利用恒温箱对波导丝进行加热，测量两种不同温度T1、T2 下的扭转波传播速度 ｖT1 、ｖT2，计算得到波导丝线膨胀系数 α。3.2波导丝泊松比测量实验设计在测量波导丝泊松比 μ 时，需要得到波导丝中扭转波与纵波在传播相同距离时的传播时间 ｔT、ｔL ，采用结构测量扭转波传播时间 ｔT，当脉冲驱动电路输入、输出端与螺线管连接时，使永磁体与螺线管处于相同位置，根据磁致伸缩效应，通电螺线管产生的轴向激励磁场与永磁体产生的轴向偏置磁场叠加，使波导丝发生轴向形变，波导丝中会产生纵波，可测得纵波传播时间 ｔＬ 。在实验系统的信号检测部分?采用双检测线圈位置标定的方法提高 ｔT、ｔL 的测量准确度，，双检测线圈1、2，波导丝中应力波依次通过检测线圈 1、2，应力波传播距离即为双检测线圈间距，利用示波器对检测线圈中感应电压信号进行测量，得到应力波传播时间 ｔT、ｔL ， 相比于单线圈检测结构，该方法可有效避免在切换实验系统激励方式时永磁体移动产生的应力波传播距离误差， 同理，在线膨胀系数的测量中，扭转应力波传播速度 ｖT1 、ｖT2也可采用双检测线圈位置标定法进行测量，在实验过程中，将双检测线圈相距某一距离分别固定在波导丝上， 保持双检测线圈之间距离不变，双检测信号电压峰值的时间差即为应力波传播时间 ｔ， 先后采集波导丝中扭转波、纵波的检测信号波形，就得到了一组计算波导丝泊松比所需的实验数据。