波导丝通常采用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,基于声波波速与材料弹性参数的关系,利用激光激发材料产生超声波,测量不同类型声波波速并计算其泊松比；利用声波在不同介质的折射与反射现象,测得材料泊松比与杨氏模量。上述研究说明声波与材料弹性参数具有紧密联系,但其测量过程较复杂且不适用于丝状材料。为了能够快速有效地测量波导丝泊松比与线膨胀系数,对波导丝进行合理选型,本文提出一种基于磁致伸缩位移传感器原理,利用传感器结构快速测量波导丝泊松比与线膨胀系数的方法。

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,可表示为:L=vt(1)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 

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是1/℃或1/K。根据磁致伸缩液位传感器工作原理可知,扭转波传播速度vT受温度T的影响。扭转波传播速度vT与温度T的关系可表示为:(2)式中:v0为绝对零度时的扭转波传播速度,α为线膨胀系数。绝对零度时的扭转波传播速度v0可表示为:(3)式中:E0为绝对零度时波导丝的弹性模量,μ为波导丝泊松比,ρ0为绝对零度时波导丝密度,可知v0与温度T无关。根据式(2)可知,在某一温度T1下,扭转波传播速度vT1与线膨胀系数α的关系可表示为:(4)改变传感器工作环境的温度,当温度为T2时,扭转波传播速度vT2与线膨胀系数α的关系可表示为:(5)将式(4)与式(5)等号两边分别相除,消去绝对零度时扭转波传播速度v0项,得到:(6)将式(6)变化形式,得到线膨胀系数表达式为:(7)式中:α为波导丝的线膨胀系数；vT1、vT2分别为温度T1、T2下的扭转波传播速度,温度T1和T2为开氏温度。