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波導(dǎo)絲通常采用Fe-Ni、Fe-Ga等磁致伸縮材料構(gòu)成,該材料在交變磁場作用下會發(fā)生形變,使波導(dǎo)絲產(chǎn)生彈性振動?；诖爽F(xiàn)象,波導(dǎo)絲被廣泛應(yīng)用于磁致伸縮位移傳感器。波導(dǎo)絲材料的彈性參數(shù)是決定傳感器工作特性的關(guān)鍵。其中,波導(dǎo)絲泊松比會影響傳感器的輸出電壓幅值,波導(dǎo)絲線膨脹系數(shù)會影響傳感器在不同溫度下測量準(zhǔn)確度。由于波導(dǎo)絲材料、尺寸與制備工藝不同,不同類型波導(dǎo)絲的彈性參數(shù)會存在差異,對波導(dǎo)絲的選型造成不利影響。因此,對波導(dǎo)絲彈性參數(shù)測量方法進(jìn)行研究具有實(shí)際意義。傳統(tǒng)的材料彈性參數(shù)測量方法需要對試件進(jìn)行機(jī)械拉伸或壓縮,利用電測法、光學(xué)法或圖像處理技術(shù)得到材料形變量,這些方法對材料具有一定的破壞性,為此,部分學(xué)者采用有限元仿真的方法對材料彈性參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,由于材料在制備過程中會產(chǎn)生參數(shù)誤差,使該方法在計(jì)算準(zhǔn)確度上具有局限性。近幾年,聲學(xué)法則可以避免上述問題,基于聲波波速與材料彈性參數(shù)的關(guān)系,利用激光激發(fā)材料產(chǎn)生超聲波,測量不同類型聲波波速并計(jì)算其泊松比；利用聲波在不同介質(zhì)的折射與反射現(xiàn)象,測得材料泊松比與楊氏模量。上述研究說明聲波與材料彈性參數(shù)具有緊密聯(lián)系,但其測量過程較復(fù)雜且不適用于絲狀材料。為了能夠快速有效地測量波導(dǎo)絲泊松比與線膨脹系數(shù),對波導(dǎo)絲進(jìn)行合理選型,本文提出一種基于磁致伸縮位移傳感器原理,利用傳感器結(jié)構(gòu)快速測量波導(dǎo)絲泊松比與線膨脹系數(shù)的方法。

1、磁致伸縮位移傳感器工作原理 

磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)主要包括脈沖驅(qū)動與信號處理電路、波導(dǎo)絲、活動永磁體、檢測線圈、阻尼等。當(dāng)傳感器工作時(shí),脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生脈沖激勵電流并沿波導(dǎo)絲向前傳播,該電流使波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生周向激勵磁場,當(dāng)周向激勵磁場隨電流傳播到活動永磁體位置處時(shí),周向激勵磁場與活動永磁體產(chǎn)生的軸向偏置磁場疊加,形成螺旋磁場?；诖胖律炜s效應(yīng),波導(dǎo)絲在螺旋磁場作用下會發(fā)生形變,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波以速度v向兩端傳播。當(dāng)檢測線圈感應(yīng)到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波信號時(shí),該時(shí)刻與產(chǎn)生脈沖激勵電流時(shí)刻的時(shí)間間隔為t,活動永磁體相對于檢測線圈的距離L即為傳感器測量的位移量,可表示為:L=vt(1)傳感器兩端安裝的阻尼可以吸收多余應(yīng)力波,防止應(yīng)力波在波導(dǎo)絲兩端發(fā)生反射,減小檢測信號的干擾。

2、波導(dǎo)絲參數(shù)測量理論基礎(chǔ) 

波導(dǎo)絲線膨脹系數(shù)測量理論基礎(chǔ)，線膨脹系數(shù)是指等壓條件下單位長度的材料在溫度每升高一度的伸長量,一般金屬的線膨脹系數(shù)單位是1/℃或1/K。根據(jù)磁致伸縮液位傳感器工作原理可知,扭轉(zhuǎn)波傳播速度vT受溫度T的影響。扭轉(zhuǎn)波傳播速度vT與溫度T的關(guān)系可表示為:(2)式中:v0為絕對零度時(shí)的扭轉(zhuǎn)波傳播速度,α為線膨脹系數(shù)。絕對零度時(shí)的扭轉(zhuǎn)波傳播速度v0可表示為:(3)式中:E0為絕對零度時(shí)波導(dǎo)絲的彈性模量,μ為波導(dǎo)絲泊松比,ρ0為絕對零度時(shí)波導(dǎo)絲密度,可知v0與溫度T無關(guān)。根據(jù)式(2)可知,在某一溫度T1下,扭轉(zhuǎn)波傳播速度vT1與線膨脹系數(shù)α的關(guān)系可表示為:(4)改變傳感器工作環(huán)境的溫度,當(dāng)溫度為T2時(shí),扭轉(zhuǎn)波傳播速度vT2與線膨脹系數(shù)α的關(guān)系可表示為:(5)將式(4)與式(5)等號兩邊分別相除,消去絕對零度時(shí)扭轉(zhuǎn)波傳播速度v0項(xiàng),得到:(6)將式(6)變化形式,得到線膨脹系數(shù)表達(dá)式為:(7)式中:α為波導(dǎo)絲的線膨脹系數(shù)；vT1、vT2分別為溫度T1、T2下的扭轉(zhuǎn)波傳播速度,溫度T1和T2為開氏溫度。