【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及结构健康监测领域，更确切地说，它涉及一种电磁式全向型剪切模式超声导波换能器。
技术介绍
1、受环境因素以及复杂外荷载作用，在役钢结构(如钢板、钢梁、钢轨、风力发电塔等)在使用过程中不可避免的会发生局部损伤，进而影响结构整体的服役性能和使用寿命。为保障结构的服役安全，大量的结构健康监测技术被广泛研究，比较常见的包括超声导波技术、机电阻抗技术、涡流检测技术、声发射技术和磁漏检测技术等。其中，超声导波技术可通过单点信号激励实现长距离、大范围损伤检测，且检测精度和检测效率较高，已在实际工程中初步应用。但相较于超声体波，超声导波具有复杂的频散特性，即所激发的导波传播速度会随着激励频率的变化而变化，且不同激励频率下会产生多种导波模态，使超声导波的接收信号变得复杂，给信号识别带来一定的困难。对于板类结构，其超声导波模态主要包括对称式lamb波、反对称式lamb波和水平剪切波(sh波)三类，lamb波皆具有频散特性，而零阶sh波(sh0)是非频散的。然而，在很长一段时期内，很难找到合理的方式激发出纯净的超声剪切式导波，故大部分研究人员多采用lamb波进行损伤检测。
2、目前常用的超声导波换能器主要包含压电式、电磁式和激光式。激光式超声换能器因设备复杂、成本高，很难用于实际工程。近年来，北京大学工学院李法新团队在压电式sh波导波换能器开发方面取得了较大的突破，借助不同类别的压电陶瓷片，设计了双向型和全向型导波换能器，能够在较大的区域内激发和接收纯净的sh0模式导波。然而，压电式换能器属于接触式传感，需要使用耦合剂将压电陶
3、专利文献“一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器(公开号：cn103822973a)”将具有高磁致伸缩系数的镍片耦合在板表面，给出了一种基于磁致伸缩效应的剪切模态导波换能器的结构设计方法，该专利技术属于接触式传感器。
4、专利文献“一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器(公开号：cn110152963a)”则是通过周期性变化的磁场控制洛伦兹力的方向，进而激发出sh波。但这种设计的缺陷在于永磁铁的数量过多，永磁铁的设计参数与激励信号的频率相关，若要改变激励频率需要改变永磁铁的尺寸，不方便工程使用。再者，若激励频率超过一定范围，则需要将永磁体的尺寸做的非常小，特定情况下难以实现。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出了一种电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，包括：
2、环形非导磁性薄片，环形钕铁硼永磁铁，柔性电路板中周期性环形线圈和铁钴合金薄片；
3、其中，柔性电路板中周期性环形线圈由多个扇形区域组成，呈中心对称方式布置，每两个相邻的扇形区域之间有一个间隙，并且相邻扇形区域内电流的方向相反；所述环形非导磁性薄片位于环形钕铁硼永磁铁的上方，用于固定环形钕铁硼永磁铁的同时隔离外部磁场干扰；柔性电路板中周期性环形线圈位于环形钕铁硼永磁铁下方；铁钴合金薄片贴在柔性电路板中周期性环形线圈相邻扇形的间隙上；设置有被测结构，被测结构位于柔性电路板中周期性环形线圈下方。
4、作为优选，所述环形非导磁性薄片在与环形钕铁硼永磁铁接触的一侧上刻有凹槽，所述凹槽的尺寸与环形钕铁硼永磁铁相匹配。
5、作为优选，所述环形钕铁硼永磁铁沿z轴方向极化，使环形钕铁硼永磁铁与被测结构之间的距离不超过2mm，以保证被测结构在环形钕铁硼永磁铁的投影面上具有足够的磁感应强度。磁感应强度的大小与环形钕铁硼永磁铁的类型有关，应使用ndfeb n35及以上型号的钕铁硼永磁铁。
6、作为优选，环形钕铁硼永磁铁的内径r1小于环形线圈的内径r3，环形钕铁硼永磁铁的外径r2大于环形线圈的外径r4。
7、作为优选，所述铁钴合金薄片用于抑制柔性电路板中周期性环形线圈相邻扇形区域之间间隙内的环向磁场，厚度约为0.1mm；铁钴合金薄片的内外半径等于r1、r2，对应的圆心角为θ2。
8、作为优选，柔性电路板中周期性环形线圈包括12个独立扇形区域，12个独立扇形区域的尺寸完全一致，由激励信号的频域特征控制；每个独立扇形的短弧长l1的长度为激励信号终止频率f2对应的sh0波波长λ2的一半，设定扇形对应的圆心角为θ1，12×(θ1+θ2)＝360°，扇形的内半径r3的设计值为180l1/π(θ1+θ2)；扇形的长弧长l2的长度为激励信号起始频率f1对应的sh0波波长λ1的一半，扇形的外半径r4的设计值为180l2/π(θ1+θ2)。
9、作为优选，柔性电路板中周期性环形线圈采用双层布线方式，控制相邻扇形区域内电流的方向。
10、本专利技术的有益效果是：
11、1.本专利技术提供的换能器能够在360°方向激发和接收sh0波。
12、2.本专利技术柔性电路板中周期性环形线圈的使用使得换能器的安装更加便捷，并且可通过改变线圈的设计参数灵活控制换能器的中心频率，降低了换能器的成本。
13、3.本专利技术对比压电式换能器，在磁铁的居里温度区间内受温度变化影响较小，能够获得稳定的信号。
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1.一种电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，包括：环形非导磁性薄片(1)，环形钕铁硼永磁铁(2)，柔性电路板中周期性环形线圈(3)和铁钴合金薄片(4)；
2.根据权利要求1所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，所述环形非导磁性薄片(1)在与环形钕铁硼永磁铁(2)接触的一侧上刻有凹槽，所述凹槽的尺寸与环形钕铁硼永磁铁(2)相匹配。
3.根据权利要求2所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，所述环形钕铁硼永磁铁(2)沿z轴方向极化，使环形钕铁硼永磁铁(2)与被测结构(5)之间的距离不超过2mm，以保证被测结构(5)在环形钕铁硼永磁铁(2)的投影面上具有足够的磁感应强度。
4.根据权利要求3所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，环形钕铁硼永磁铁(2)的内径r1小于环形线圈(3)的内径r3，环形钕铁硼永磁铁(2)的外径r2大于环形线圈(3)的外径r4。
5.根据权利要求4所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，所述铁钴合金薄片(4)用于抑制柔性电路板中周期性环形线圈(3
6.根据权利要求5所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，柔性电路板中周期性环形线圈(3)包括12个独立扇形区域，12个独立扇形区域的尺寸完全一致，由激励信号的频域特征控制；每个独立扇形的短弧长l1的长度为激励信号终止频率f2对应的SH0波波长λ2的一半，设定扇形对应的圆心角为θ1，12×(θ1+θ2)＝360°，扇形的内半径r3的设计值为180l1/π(θ1+θ2)；扇形的长弧长l2的长度为激励信号起始频率f1对应的SH0波波长λ1的一半，扇形的外半径r4的设计值为180l2/π(θ1+θ2)。
7.根据权利要求6所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，柔性电路板中周期性环形线圈(3)采用双层布线方式，控制相邻扇形区域内电流的方向。
...【技术特征摘要】
1.一种电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，包括：环形非导磁性薄片(1)，环形钕铁硼永磁铁(2)，柔性电路板中周期性环形线圈(3)和铁钴合金薄片(4)；
2.根据权利要求1所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，所述环形非导磁性薄片(1)在与环形钕铁硼永磁铁(2)接触的一侧上刻有凹槽，所述凹槽的尺寸与环形钕铁硼永磁铁(2)相匹配。
3.根据权利要求2所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，所述环形钕铁硼永磁铁(2)沿z轴方向极化，使环形钕铁硼永磁铁(2)与被测结构(5)之间的距离不超过2mm，以保证被测结构(5)在环形钕铁硼永磁铁(2)的投影面上具有足够的磁感应强度。
4.根据权利要求3所述的电磁式全向型剪切模式超声导波换能器，其特征在于，环形钕铁硼永磁铁(2)的内径r1小于环形线圈(3)的内径r3，环形钕铁硼永磁铁(2)的外径r2大于环形线圈(3)的外径r4。
5.根据权利要求4所述的电磁式全向...
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