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

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
作者：孙英；陈铮；郑岩；翁玲






       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。

3.3实验测试平台

       为验证测量方案的可行性，利用课题组搭建的磁致伸缩位移传感器实验平台进行波导丝参数测量，在实验中采用直径0.5mm、长度600mm 的Fe-Ga 磁致伸缩材料作为波导丝，采用TFG6920A 型信号发生器作为脉冲信号激励源,采

用DPO3014型四通道示波器作为检测信号的采集显示装置.

4、实验结果

4.1波导丝线膨胀系数实验结果

        为得到两种不同温度下的扭转波传播速度，分别在25℃和50℃下采集了多组实验数据，波导丝在25℃下，双检测线圈距离87mm时的扭转波输出，分别计算25℃和50℃下的Fe-Ga材料波导丝上扭转波传播速度平均值为267508m/s、2659.37m/s。实验得到了两组温度与传播速度的对应关系，将温度转换为开氏温度，计算Fe-Ga波导丝的线膨胀系数为18.70X10/K。查阅资料可知，采用DIL402C型热膨胀系数分析仪对直径5mm、长度25mm的铸态棒状Fe-Ga材料的热膨胀曲线进行了测量，得到 Fe-Ga材料的线膨胀系数为17*10-6/K左右，该数值与本文实验测量结果相近，但仍存在一定误差，造成测量误差的主要原因是当温度变化较大时，Fe-Ga材料在受热膨胀过程中温度变化量与应变量呈非线性关系，由于实验测试平台各元件的耐温性能不同，实验仅采用25℃和50℃两种温度进行测量，温度变化较小，在热膨胀系数平均值计算时会产生误差，在实验中，为使示波器有稳定且清晰的输出电压波形，需要对Fe-Ga波导丝进行热处理，增大波导丝的饱和磁致伸缩系数从而增大输出电压， 也会使波导丝线膨胀系数发生变化，造成测量误差。

4.2波导丝泊松比实验结果

       通过改变双检测线圈之间的距离，可以测量得到多组实验数据，由于实验中不需要测量应力波传播距离 Ｌ 的具体数值，因此，在实验结果中距离 L 用编号1至12进行表示，当两线圈处于距离12时，扭转波与纵波输出电压分别通过相同距离时所需时间的对比情况，计算的到波导丝材料的泊松比。

实验测得波导丝的泊松比约为0.32，查阅资料可知，在室温下 Fe-Ga 合金弹性模量 E 约 为70GPa左右, 剪切模量 G 取 28GPa，计算得到 Fe-Ga 合金泊松比约为 0.25，该数值与实验结果相近，其测量误差主要由材料密度不均匀以及实验平台结构特点所导致,由于波导丝在制备时需要经过锻造、热轧盘条、热拔、冷拔等工艺,导致材料密度分布不均匀.

        在实验中,两检测线圈位置不同,纵波与扭转波经过两检测线圈时的传播距离不同,则两应力波所经过的波导丝的平均密度不同,介质密度不同会导致应力波波速发生变化,导致传播时间 ｔL 、ｔＴ 的测量出现误差。

4.3各类测量方法实验结果对比分析

       目前，对于Fe-Ga 材料泊松比的测量大多通过拉伸实验使材料发生形变，再利用电阻应变片将材料形变量转化为电阻变化量并其计算泊松比，属于电测法。相比于电测法，本文泊松比测量结果0.302与计算值0.25更接近，测量结果较准确；在实验过程中，电测法需要对实验材料施加载荷，使Fe-Ga 材料发生不可逆形变，而本文测量方法无需对波导丝施加外部载荷，不会对材料造成损伤，试验平台操作简便快捷。

        对于Fe-Ga 材料线膨胀系数的测量常采用热膨胀系数分析仪，一起中电炉升温后使材料发生热膨胀，其膨胀量通过测试顶杆传递到仪表部分进行显示，属于顶杆式间接法。

       综上，本文测量方案能够对Fe-Ga波导丝泊松比与线膨胀系数进行较为准确的测量，实验方法简便快捷。

5、结论

       本文根据磁致伸缩位移传感器工作原理，构建了测量波导丝泊松比和线膨胀系数的数学模型，提出了相应的测量方案，对磁致伸缩位移传感器结构进行了改进，使波导丝中能够产生稳定的纵波，采用双检测线圈对应力波传播距离进行标定，对测量方案进行了实验验证，验测量结果表明，实验中采用的Fe-Ga-6波导丝的泊松比为0.302，线膨胀系,18.70X10/K，与查阅资料结果相近，实验方法简便快捷，故该方案可快速测量波导丝泊松比和线膨胀系数。







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