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1、第五章 其它故障诊断技术n 从润滑油中采样，必须采集能反映当前机器中各个零部件运行状态的油样，要具有代表性。润滑油样的取样应在运转中或停机后马上进行，因为此时油与其中的微粒混合得比较充分。取样有两种常用方式，一种为静态取样，一般将取样管插入到油面高度的一半以下。如注重较大磨损微粒，则在距沉积物25mm处取样，应避免在死角处取样。另一种为动态取样，一般应在循环的回油管上，最好能在紊流断面处取样。取样容器必须干净。在正常磨损阶段，大型机械设备（柴油机、重型齿轮箱等）一般的取样时间间隔为200h左右。n 检测是指对油样进行分析，测定油样中磨损残渣的数量和粒度分布，初步判断机器的磨损状态。若机器属于异
2、常磨损状态时，需要进一步进行诊断，即确定磨损零件和磨损的类型（如磨料磨损，疲劳剥落等）。n 预测，是指预测处于异常磨损状态的机器零件的剩余寿命和今后的磨损类型。根据所预测的磨损零件、磨损类型和剩余寿命即可对机器进行处理；确定维修的方式，维修的时间以及确定需要更换的零部件等。二、光谱分析技术1基本原理n 油样光谱分析技术是利用原子吸收或发射光谱的原理，对取自被诊断机械设备的润滑油进行分析，从油中金属微粒成分及其含量，判定机械设备的运动零部件的磨损状况和程度。这种方法对有色金属比较适用。例如，柴油机主轴瓦及连杆轴瓦的材料为钢背网状铝锡合金，这种合金是以锡一铝共晶软化相的形式存在的，通过油样光谱分析
3、可知，润滑油中微量的锡和铝的存在，来自主轴瓦和连杆轴瓦的磨损。因此，油样光谱分析方法不但可以定性地判断磨损的零件，而且可以从润滑油中金属成分含量的多少，定量地判断出零件磨损的程度。n 油样光谱分析一般采用标准的光谱仪。n2光谱分析方法n（1）发射光谱测定n用高压电（15kV）直接激发油样品中的金属杂质，并对它们发射出的特性光谱进行分析。此方法适用于微粒10m的情况。发射光谱分析仪器价格昂贵，但分析速度快（如已有仪器分析20种元素时为40个样品h）。其原理如图5-1所示。n（2）吸收光谱测定n 将油样品雾化后燃烧，用乙炔焰使其中金属元素原子裂化，根据对不同波长的单色锐线光源发出的特征幅射线吸收作
4、用的不同，来确定各种元素的含量。此方法精确度较高，但测每一种元素时，光源要使用与元素相同的空心阴极灯，比较麻烦。n 三、应用实例n（1）某推土机变速箱油样分析监测n 该机油样分析结果列于表5-1。n 在运行6027h的油样中Fe含量达525mgL，已超过极限值，因此及时通知了用户。但该机仍继续运行，在运转到6591h后再采样分析，Fe含量已达928mgL，当第二个警告电报还未收到时，该机变速箱前进档已经损坏，结果停机修理了一个月时间。如果当时及时修理，这停机一个月的损失是可以避免的。n（2）对某型载重汽车油样分析监测n 在对该车的油样分析中，发现铝含量较高，进一步作润滑油压力试验，结果是压力偏
5、高。再打开滤油器，切开滤芯，发现存有大块铝片，用户及时拆检，发现是主轴承损坏。如果不及时修理，可能会使曲轴折断，由此避免了一次事故的发生。n 三、铁谱分析技术n1基本原理n 油样铁谱分析技术是目前使用最广泛、最有发展前途的润滑油分析方法。它的基本原理是将油样按一定的严格操作步骤稀释在玻璃试管或玻璃片上，使之通过一个强磁场，在强磁场力和油液本身粘滞阻尼力共同作用下，不同大小的残渣所移动的距离（距入口端）亦不同，一般是大的残渣首先沉积，小的残渣随后沉积，所以根据油样中残渣沉淀的情况即可判断出机器零件磨损的程度、可用光学或电子显微镜观察残渣形貌，用光学显微镜还可以从残渣的色泽来判断其成分。n油样铁谱
6、分析提供了磨损残渣的数量、程度、形态和成分四种信息。n 2特点n（1）可以有效地诊断机械磨损类故障。n（2）一般用于离线检测，不适于对突发性故障的监测，但现已有在线式铁谱仪。n（3）需反复试验才能取得有代表性的油样和分析数据。n（4）对非磁性材料难以做到定量分析。SPECTROTEST CCD便携式光谱元素分析仪便携式光谱元素分析仪 1979年德国斯派克分析仪器公司生产出世界上第一台移动式光谱仪，首次在现场成功实现了金属材料的成分分析和材料分选，开创了光谱仪广阔的应用前景。便携式光谱仪目前已广泛应用于钢铁、有色金属加工、航空航天、机械、电力、石化、造船、压力容器等众多领域。n3铁谱分析仪 铁谱
7、分析中使用的基本仪器为铁谱仪直读式和分析式n直读式n直读式铁谱仪是将油样稀释后注入倾斜安放的玻璃管中，在磁场的作用下油液夹带着残渣向前流动，残渣在玻璃管中沉降的速度取决于本身的尺寸、形状、密度和磁化率，以及润滑油的粘度、密度和磁化率等许多因素。当其它因素固定后，残渣的沉降速度与其尺寸平方成正比，同时还与残渣进入磁场后离管底的高度有关。直读式铁谱仪读取一个反映油样里残渣含量的读数十分简便，只需要约5分钟 n磨损严重性指标可以选择比值n DL/（DL-DS）n或，n （DL-DS）/DSn后一指标可反映出残渣大小的构成比。n其中：DS表示正常磨损状态下的读数，磨粒大小约为12m；DL表示异常磨损状
8、态下的读数（磨粒大于5m）。n仪器显示的读数范围为0190DR单位，当沉淀管底部完全被磨粒覆盖时就达到190DR最大值。n分析式铁谱分析仪n分析式铁谱仪可以确定残渣的形态和成分。它与直读式铁谱仪不同的是用玻璃片代替玻璃管，将经过稀释后的油样放在磁场中使残渣沉淀在玻璃片上，然后用双色光学显微镜或扫描电子显微镜对残渣进行观察，根据残渣 的形态可以确定磨 损的类型，并对各 类金属微粒进行读 数。n分析式铁谱仪利用装在铁谱显微镜上的光密度计从铁谱上读得不同位置的磨粒读数，其读数所代表的意义是在1.2mm直径的现场中磨损颗粒的覆盖面积的百分比。读数的位置一个是在靠近油样入口处，另一个是在距谱片出口端50
9、mm处，这两个位置分别与直读式铁谱仪中两个读数位置相对应。这时读数值分别称为大磨粒和小磨粒覆盖百分比AL和AS，读数的范围是 0100。n 4在线式铁谱仪n 在线式铁谱仪可直接安装在机器的润滑系统油路中，实时地测出机器中磨粒的浓度及尺寸分布，以此来监测机器的工况。n 在线式铁谱仪由监测装置和数字显示装置两部分组成，监测装置直接安装在油路系统中，它由一个收集磨屑的高梯度磁场和一个具有表面效应的电容传感器组成，传感器测出的磨屑浓度及尺寸分布用数字显示出来。n 在线式铁谱仪显示出两个磨粒定量数据，一是磨粒的总浓度，另一个是大磨粒的百分数。当磨粒浓度值超过某一规定值时，数字显示装置还会发出警告信号。n
10、 在线式铁谱仪测量磨粒数据的方法和分析式或直读式铁谱仪略有不同，它不是测定某一定量油样中的磨料，而是测量达到某一磨粒浓度值时的油样体积。当机器部件磨损率增加时，沉积一定数量磨粒浓度时所需的油样体积会减少，以此表示油样中磨粒浓度的增加。这种方法的优点在于测量范围很宽，且又可靠，因而使在线式铁谱仪能够应用于各种类型的机器上。根据磨粒浓度和油样粘度的不同，一般测量时间可以从30秒到30分钟。n 在线式铁谱仪适用于各种现场机械设备的工况监测，如液压系统、燃气轮机等，它更适合于各种试验台架上进行的样机试验。实验室研究表明，在线式铁谱仪能用于对一个循环润滑系统中磨粒浓度实时变化的测定，它与分析式铁谱仪的磨
11、粒覆盖面积百分数有较好的对应关系。n 5.定量评价n 利用铁谱仪来评价机器磨损状态的指标主要有下列几种。n（l）磨损烈度n（2）标准磨粒浓度n 每毫升油样的磨粒浓度，用SWPC表示n式中，N是流过直读式铁谱仪油样的毫升数 n（3）大磨粒百分数n 大磨粒在磨粒总含量中的百分数表示为。n（4）累积磨损烈度 指系统磨损烈度的累计值，用(DL+DS)表示。n 目前比较普遍使用的表示磨损情况的方法是：n 分别以DL、DS和ID为纵坐标，机器运转时间为横坐标画出曲线，根据曲线缓慢工急剧上升趋势来判断磨损情况。n 分别以(DL+DS)和(DL-DS)为纵坐标，以运转时间为横坐标画出曲线，根据曲线突然互相靠近
12、的一点作为磨损严重的特征点。n6.应用实例n （1）化工厂搅拌器减速齿轮箱监测n 在该减速齿轮箱的铁谱片上发现谱片人口端的磨粒沉积量很高，其中有许多大的金属磨粒，这些金属磨粒呈片状，其表面没有线痕和氧化的迹象，它们的尺寸达80m以上，其尺寸与厚度之比约为10:1。由于谱片上没有发现氧化微粒，金属磨粒表面也没有氧化迹象，因而排除了减速器曾在高速、高温下运转或有润滑不良的情况。磨粒表面没有线痕表明其滑动速度低。根据以上观察分析，判断结果是由于齿轮的过载及齿轮疲劳，严重磨损情况正在发生，六个月后齿轮箱将损坏。n（2）齿轮系统油液的铁谱分析n 表5-2是利用直读式铁谱仪测出的一齿轮箱在不同运转时间内的
13、磨损工况。n从表中可见，齿轮箱磨损全过程的变化趋势，在05h内磨损烈度指数增大是磨合期的明显特征；在正常磨损期，则各项数值较低，且趋于稳定（5105）h；从105h开始，和明显增加，预示了一个严重磨损开始的征兆。在整个严重磨损发展期间，等值始终维持着较高水平，并持续增大。此例表明，对齿轮系统采用磨损烈度指数来表征磨损趋势是相当有效的。n表52齿轮箱磨损工况n 第二节 温度及红外监测技术n温度是表示物体冷热程度的物理量，也是物质分子运动能量大小的反映和标志。物体在生产或运行过程中许多物理现象和化学作用的结果，大多可归结到温度这个状态量上来，所以在设备中的机械机件和电气元器件，常常会引起温度变化而
14、产生“热故障”。因此，通过温度监测来查出早期设备的故障是十分有效和必要的。n 温度监测的测温方式，两大类：接触式温度监测，非接触式温度监测n接触式温度监测这类监测所用的仪器，大部分要求仪器的测温元件需要与被测物体间有良好的热接触，通过热传导和热对流使物体与仪器探头接触区域达到热平衡时，实现温度测量。如：液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、压力表式温度计、电阻温度计和热电偶温度计等。n非接触式温度监测该种监测仪器在测量时，测量元件与被测对象无需接触，是通过接收物体热辐射能量来实现测温的目的。如：光学高温计、辐射高温计、红外测温仪和红外热像仪等。n一、红外监测基本原理n 在太阳光谱中，位于红光光谱
15、之外的区域里存在着一种看不见的、具有强烈热效应的辐射波，称为红外线。一般可见光的波长为0.40.7m，红外线的波长范围相当宽，达0.751000m。通常它又分为四类：近红外，波长0.753m；中红外，波长36m；远红外，波长615m；超远红外，波长151000m。（1）每一种温度都有一条辐射曲线与之相对应；（2）辐射曲线连续、平滑，具有单一峰值；（3）所有曲线都不相交，且随着温度的增高，曲线位置也增高；（4）当温度升高时，辐射曲线的峰值向波长较短的方向移动；（5）当温度升高时，辐射幅度按指数规律增加；（6）每条曲线下的面积，就是斯蒂芬一玻尔兹曼定律所表示的辐射强度值；（7）曲线最高点对应的波长
16、Am的左侧，即短波段辐射的能量约占总能量的25，其余约75的辐射能量存在于Am的右侧的长波段内。n斯蒂芬一玻尔兹曼辐射定律告诉我们，物体的温度越高，辐射强度就越大。只要知道了物体的温度及其比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率；反之，如果测出了物体所发射的辐射强度，就可以算出它的温度，这就是红外测温技术的依据。n 二、红外测温系统n1红外探测器n2光学系统n3调制系统 （调制盘）n4.致冷系统n5.显示系统n6扫描系统n红外探测器n红外探测器是红外检测系统中最关键、最重要的部分，它把所接收的红外辐射变换成易于测量的电量。由于红外辐射会产生热效应和光电效应，因此就形成了热探测器和光电探测器两个大类
17、的仪器。n 热探测器是把某些物质受到被测物体的红外辐射的照射引起的温度变化转化为电量输出来进行测试的，而温升的大小与入射能成正比。热探测器的优点是对于各种波长的红外辐射具有相同的响应率，但一般响应时间较长，大都在毫秒（10-3s）数量级以上。热敏电阻探测器是热探测器的一种主要类型，它是基于热敏电阻受辐射加热时电阻发生变化的原理而做成的。由于热敏探测器对辐射的各种波长基本上都有相同的响应率，所以它有无选择性红外探测器之称。n 光子探测器是一种半导体器件，其电特性为当光子投射到这类半导体材料上时，电子空穴对便分离，产生电信号。由于光电效应很快，所以光电探测器对红外辐射响应时间极短，比热敏探测器快三
18、个数量级，最短响应时间达纳秒（10-9s）数量级。其缺点是光谱响应范围有限，响应率低于波长p时达到极大，超过p的长波区，响应率曲线便迅速锐减截止。其原因是大于一定波长的光子能量不足以使电子释出。增强光子探测器电活性的办法是将探测器致冷，一般冷到液氮（-196）的低温，这样使它们在较长的波段上都有响应并达到最佳灵敏度。n 三、红外测温的特点n1非接触式测量n 这一特点使得远距离、高速运动或带电的目标其温度测量变得方便，而且不影响被测目标的温度分布。n2.反应速度快n 辐射是次光速传播的，红外测温取决于测温仪表的响应时间，一般比依靠热平衡原理测温的仪器响应时间短两个数量级以上，可用于实时显示。n3
19、灵敏度高n 只要目标有微小的温度差就能分辨出来，一股红外测温仪都具有0.1的温度分辨率和毫米级的空间分辨率。n4测温范围广n 根据不同要求，可以选择不同类型的仪器来实现负几十度到上千度的温度测量。n 四、温度测量应用n升温原因 机件中由于不正确的工作位置、或过载运行、或轴承的磨损运转、或润滑不良等原因，会产生异常热量。又如电气系统中由于机件间摩擦磨损导致绝缘层破坏，负载过大、电阻值变化，电缆接头老化、松动、接触不良等，都会使系统内局部区域产生异常升温。n检测方法n 手动测温 触摸测温，50 左右n 仪器测温 测高温 温度高达几千度以上n 测准温 如化工测量，热处理n 测温快 检测快速反应过程n
20、 n温度监测的应用n1温度检测，如火车轴箱n2航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查n3化工塔罐泄露的检测n4检查焊接质量n5电力材料的隔热检测n6电子元器件故障检测n7材料成型的温度测试n8温度场分析n9爆炸、燃烧分析n1火车轴箱温度检测n 火车车体的自重和载重都是由车辆的轴箱传递到车轮的。在火车运行中，由于机械结构、加工工艺、摩擦及润滑状态不良等原因，轴箱会产生温度过高的热轴故障，如不及时发现和处理，轻则得甩掉有热轴故障的车辆，重则导致翻车事故，造成生命危险和财产的损失。为防止“燃轴”事故，利用红外测温技术制成了“热轴探测仪”，可以方便精确地用以检测。仪器安放在车站外两侧，当火车通过时，探测器
21、逐个测出各个车轴箱的温度，并把探测器输出的每一脉冲（轴箱温度的函数）输送到站内检测室，根据脉冲高低就可判断轴箱发热情况及热轴位置，以便采取措施。目前，全国铁路90%的列检所安装了轴温红外探测仪，其准确率高达99%。n2航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查n 红外无损缺陷主动探查是用一外部热源对被检查物体进行加热，在加热的同时或以后，测量被检查物体表面温度或温度分布。加热物体时，热量将沿表面流动，如果物体无缺陷，热流将是均匀的；如果有缺陷存在，热流特性将改变，形成热不规则区，从而可发现缺陷所在。n 主动探查在材料和机械加工工业中有广泛的应用，如对多层复合材料、蜂窝材料中缺陷和脱胶等的探查，对焊接质
22、量的检测等等。n 航空发动机壳体，一般采用胶合夹层结构，缺陷可能发生在外壳和衬里之间的第一界面，或在衬里和内壳之间的第二界面，如图510（a）所示。用超声波、X射线只能发现第一界面的缺陷，用红外辐射计作主动探查，不仅可以发现第一界面缺陷，也可发现第二界面的缺陷。图510（b）表示扫描一个周期后的记录，图中两负脉冲C、D对应于样件表面的参考基准，该基准是比辐射率很小的材料细线，辐射能力比样件表面低得多，用它 来表示一个周期的 起点和终点。曲线 两高峰A、B表明缺 陷所在位置，根据 峰的高低及其它参 数可以判明，缺陷 分别在第一界面与 第二界面。n3化工塔罐泄露的检测n 石化企业中的催化装置、裂化
23、装置及联接管等都是与热关联的重要生产设备，因此都可以用红外热像仪来监测。热像中明亮过分的区域表明材料或炉衬已因变薄而温度升高，因此由此可掌握生产设备的现场状态，为维修提供可靠信息。同时也可监视生产设备的有关沉积、阻塞、热漏、绝热材料变质及管道腐蚀等有关情况，以便有针对性地采取措施，保证生产正常进行。n4检查焊接质量n 将样件的温度高于室温，观察其热像图，在其热流路径上的物理物性反应在相应的温度分布图中，从而可以发现隐患。另外在未焊好的区域产生的摩擦导致发热，对应于这一产生摩擦的位置，样件外表面的热像将显示出一个高温区，可以确定未焊好部位的所在位置 第三节 超声波故障诊断n一、基本原理n 在声学
24、中，人可听声波范围在20Hz到20kHz，低于20Hz的为次声波，高于20kHz的为超声波。n用于探伤的超声波频率主要为15MHz。超声波在探伤中得到广泛应用的主要原因在于：n （l）超声波的波长以毫米计，光波的波长更短一些，所以二者特性相近，超声波有很好的指向性，而且频率越高，指向性越好。n （2）超声波可在物体界面上或内部缺陷处发生反射、折射和绕射，据此可对物体内部进行测量，波长越短，识别缺陷的尺寸越小。n 1超声波的发生与接收n 超声波探伤所用的高频超声波是在压电材料，如石英、钛酸钡等晶片上施加高频电压后产生的。在晶片的上、下两面都镀上很薄的银层作为电极，在电极上加上高频电压后，晶片就在
25、厚度方向上产生伸缩。这样就把电的振荡转换为机械振动，并在介质中进行传播，如图510所示。n 将高频振动（超声波）传 到晶片上时，使晶片发生振动，这时在晶片的两极间就会产生 频率与超声波频率一样但强度 与超声波强度成正比的高频电 压，这就是超声波的接收。n 2超声波的种类n作为一种弹性波，超声波是靠弹性介质中的质点不断运动进行传播的。当质点振动方向与弹性波传播的方向相同时，称作纵波，纵波又称为疏密波，是由于介质中的质点交替地受到拉伸和压缩形成的波形，纵波可以在固体、气体和液体介质中传播。质点振动方向与传播方向垂直的弹性波称作横波，横波只能在固体中传播。此外还有在表面传播的表面波和在薄板中传播的板
26、波。表面波的质点运动兼有纵波和横波的特性，运动轨迹比较复杂。n 声波在介质中传播的速度是由传播介质的弹性系数和密度以及声波的种类而决定的，它与晶片和频率无关，表5-3列出了声波在几处介质中传播的速度 n 横波的声速一般认为是纵波的一半。n 声速c，波长与频率f之间有如下的关系n c=f n 3超声波的反射与穿透n 当超声波传到缺陷处、被检物底面或者不同金属结合面处的不连续部分时，会发生反射。不连续部分就是指正在传播超声波的介质与另一个不同介质相接触的界面。n（1）垂直入射时的反射和穿透n 当超声波垂直地传到界面上时，一部分被反射，而剩余的部分就穿透过去。这两部分的比率取决于接触界面的两种介质的
27、密度和在该介质中传播的声速。n当钢中的超声波传到空气界面时，由于声波在空气和钢中传播的声速相差较大，且两者的密度也相差很大，因此超声波在界面上几乎100%地被反射了，它完全不到空气中去。在钢与水的界面上，88%的能量被反射，12穿透出来。n 因此，如果探头与被检物之间有空气存在时，对超声波实际不作传递，只有两者之间涂满了油或甘油等液体（耦合剂），才能使超声较好地传播过去。n（2）斜射时的反射和穿透n 当超声波斜射到界面上时，在界面上会产生反射和折射。假若介质为液体时，反射波和折射波只有纵波。把斜探头接触钢件时，因为两者都是固体，所以反射波和折射波都存在纵波和横波。n 在斜射时，折射的穿透率与折
28、射角有关，通常，斜探头采用的折射角为3580，这时穿透率最好。n4.小物体上的超声波反射n 当超声波碰到缺陷（即异物）或者空洞时，就会在那里反射和散射。可是，当这些缺陷的尺寸小于波长的一半时，由于衍射的作用，波的传播就与缺陷的是否存在没什么关系了。因此，在超声波探伤中缺陷尺寸的检出极限为超声波波长的一半。n二、检测仪器与设备n 1超声波探头n 超声波探头实际上是一种机械能和电能互相转换的换能器，大多数是利用压电效应制作的，其功能在于发生和接收超声波。n 根据超声波波型的不同，探头可分 为纵波探头（又称直探头或平探头）、横波探头（斜探头）和表面波探头等。n 根据诊断方法可分为接触式探头和 水浸式
29、探头。n2超声波诊断仪n 超声波诊断仪种类繁多，常见的分类如下：n （1）按发射波连续性分n 有连续波探伤仪，共振式连续波探伤仪，调频式连续波探伤仪，脉冲波探伤仪。n （2）按缺陷显示方式分n 有A型显示探伤仪，B型显示探伤仪，C型显示探伤仪。n （3）按通道分n 有单通道探伤仪，多通道探伤仪。n 目前使用最多的是脉冲反射式超声波探伤仪。n三、超声探伤技术n1脉冲反射法n（1）直接接触纵波脉冲反射法n将探头置于被测面上，电脉冲激励的超声脉冲经耦合剂进入工件，传播到工件底面，如底面光滑，则脉冲反射回探头，声脉冲又变换回电脉冲，由仪器显示。n仪器显示屏上的时基线与激励脉冲是同步触发的，在时基线的始
30、端出现“始波”（见图5-16），当探头接收到底面反射波时，时基线上出现一“底波”。时基线上从扫描到的时间信为脉冲在工件中的传播时间，据此可算出其厚度。如果工件中有缺陷，探头接收到的缺陷反射“伤波”将显示在时基线上，故可利用、之间的距离关系，判断出缺陷的部位及其大小。n缺陷位置 n（2）脉冲反射横波脉冲反射法n利用横波探头进行缺陷诊断时，有时用一个探头兼作发射和接收，即单斜探头法。也有分别用发射探头、接收探头的，即双斜探头法，如图5-16（b）所示。横波在工件中传播时，遇到工件表面将产生多次反射，直至声能衰减殆尽，如图5-16（c）所示。n2共振法n 应用共振现象诊断工件缺陷的方法称为共振法。探
31、头把超声波辐射到工件H后，通过连续调整发射频率，改变波长。当工件的厚度为超声波半波长的整数倍时，在工件的两个侧壁间超声能量将发生振荡，从而在工件中产生驻波，其波腹在工件的表面上。用共振法测厚时，在测得共振频率f和共振次数n后，可用下式计算工件厚度n 此法常用于壁厚的测量，另外，在工件中若存在较大的缺陷或厚度改变时，将使共振现象消失或共振点偏移。可用此现象诊断复合材料的胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀量和板材内部夹层等缺陷。n3穿透法n 穿透法测量如图5-17所示。这种方法采用两个探头，一个探头发射超声能量，另一个探头接收超声能量。由于透过被检零件的超声能量取决于零件内部的状态，存在有严重的疏松
32、或气穴时，大部分能量就会反射或散射，因此另一探头所接收到的能量就会有不同程度的减少。根据荧光屏上比较发射脉冲和接收脉冲的幅值AT与AR，就可以判断材料的粘结质量和检查出内部的缺陷。n 图 a是探头直接和被检零件接触的方式；b为用水作耦合剂的方式。为了取得较好的效果，可以用钛酸钡制作发射探头，用硫化锂制作接收探头，常用的超声波频率为0.20.9MHz。n四、应用实例n1.管壁腐蚀监测n 管道的管壁腐蚀情况是化工、炼油和动力厂设备运行状态监测的重要项目，常用的方法是用回波脉冲法。但由于被检零件的两侧表面不平行，反射脉冲的幅值降低，反射脉冲的数目减少，特别是管道外径小时更为严重。因此，这种方法只适用
33、于外径大于20mm的管道。n 如图5-18所示，当管壁受到严重的腐蚀时，由于内壁形状不规则，回波信号将变宽、数目减少。一般情况下，往往只有第一个回波才能够清楚地分辨出来，用它可以确定管壁的壁厚。当管壁进一步受 到腐蚀时，第一个回波与 发射波脉冲已难以区分，由于散射和干涉的作用，回波的幅值也将大为减少。n2.活塞裂纹诊断n 国外曾经用超声方法成功地检查了一批1200kW柴油机活塞在运行过程中内部的裂纹情况，在只揭盖不拆卸的前提下查出了带裂纹的活塞。n可以看出，用超声方法对活塞进行现场探查有如下的优点：（1）灵敏度高，反应快，可以迅速确定缺陷的位置；（2）渗透力强，可以检测原材料；（3）只需从一个
34、方向检查活寒不需拆开机器。n 超声诊断目前被广泛地应用在锻、铸件的缺陷诊断、焊缝的缺陷诊断以及关键件的在线监测上。n超声诊断的缺点是：n（1）当样件的几何形状复杂时，解释信号比较困难；n（2）当材料晶粒较粗时，回波信号比较弱；n（3）解释超声图像技术性较强。第四节 声发射故障诊断n一、基本原理n 当材料受力作用产生变形或断裂时，或者构件在受力状态下使用时，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射，声发射是一种常见的物理现象。如果释放的应变能足够大，就能发射出可以听得见的声音，如弯曲锡片时，会听到噼啪声。但人耳听不到大多数金属材料的塑性变形和断裂的声发射，因为声发射的信号很微弱，需要借助灵敏的电
35、子仪器，才能检测出来。利用仪器检测、分析声发射信号，和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。n 二、产发射信号的特征及表示方法n 声发射作为一种能量释放过程，其能量的大小一般可表现为声发射率的高低，即单位时间发出声发射脉冲的数目，信号幅度的大小，以及频率成分的宽窄。下面介绍声发射信号的特征及其表示方法。n1计数与计数率n裂纹每向前扩展一步，就释放一次能量，产生一个声发射信号，于是传感器就接收到一个声发射波，其波形如同阻尼振荡的波形，我们称之为一个声发射事件。而声发射计数可以分为事件计数和振铃计数。n 图5-20为一突发型声发射信号记录，我们通过此图介绍计数的方法。一般的事件计数处理方
36、法，只注意了事件的频度，而较少涉及信号的幅度，因此它只是着重反映了裂纹扩展的步进次数。而振铃计数是计算声发射事件中越过门槛电压的振荡次数，门槛电压可按不同材料的实际情况来设定，在仪器上是可调的。如图中，在该事件中，振铃数为5。由此可见，声发射波谐振幅度越大，振铃数就越多，因此振铃计数在一定程度上反映了声发射信号的幅度。n2幅度与幅度分布n 古典力学认为，振荡的能量与振荡幅度的平方成正比，故可用声发射信号的幅度作为声源释放能量的量度，其值可采用峰值和有效值。n幅度分布就是按信号幅度的大小范围分别对声发射信号进行事件计数。把仪器的动态范围分为若干等级，每个等级有一定的电平范围，若把声发射事件按幅度
37、分类的等级分别计数，就称为事件分级幅度分布，如图522所示。若把声发射事件按越过各等级低端电压的事件数进行累计计数，则称作为累计幅度分布。n3能量和能量率n 在声发射技术中，多采用振铃计数法。但此法有下列缺点：振铃计数随信号频率而变；仅能间接地考虑信号的幅度；计数和重要的物理量之间没有直接的联系。因此，提出了能量测量的方法。n 据此，将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，作为信号所包含能量的量度。n 能量量度的另一种方法是测量事件的宽度，把能量与事件宽度联系起来。n 能量的测量方式有三种：测单位的能量，称为能量率；测从试验开始到某一阶段的能量，称为总能量；测每
38、个事件所包含的能量。n4.频谱n 频谱分析正在受到重视，它可以区别不同声源并了解声源发射的机理。许多研究工作者认为，声发射的频率成分与波形一样包含有声发射微观过程的重要信息。频率分析的主要工作是测量出声发射信号中的各种频率成分及它们的幅度，然后再加以分析比较。n5声发射源定位n 有时，需要近似地确定试件中声发射源的位置，从而确定开放性裂纹的坐标。为此，可以采用如下的近似计算方法。设有三个声发射传感器，其坐标位置分别为，与，声发射信号到达和的时差为，到达和的时差为，声发射波的传播速度为，则图5-22中参数n n用牛顿法对上述联立方程求n近似解，即可确定声发射源n点的坐标 n 三、声发射仪概述n1
39、.声发射仪n 在声发射技术中，由微观过程引起的声发射信号的强度很弱，利用声发射仪才能检测到。声发射仪的作用有三：接收声发射信号；处理已接收到的声发射信号；显示处理后的声发射数据。声发射仪通常分为单通道、双通道和多通道声发射仪。n 声发射源发出的声波，被传感器转化为电信号，经前置放大器放大，滤波器除去噪声，主放大器将信号放大到足够的幅度，供给数据处理器的插件。信号处理器具有包括事件形成、整形为方波供事件计数、设置门槛形成振铃信号、整形并作振铃计数等功能。计数器受时基控制，用数字显示，并通过数模转换为模拟电压，供记录仪器记录。单通道声发射仪可测量幅度和进行幅度分析。n 双通道声发射仪除具有单通道声
40、发射仪的功能外，主要特点是可以进行线定位。n 多通道声发射仪除具有单通道和双通道声发射仪的功能外，主要特点是可作平面定位，并配有小型计算机实时处理数据，而通道数有4、8、16、32、64、128等等。n2声发射传感器n 声发射接收传感器多用谐振式压电传感器，差动式压电传感器和宽带式压电传感器，在标定传感器时还用到电容式传感器。谐振式压电传感器原理与超声用传感器相同。n 差动式压电传感器是为解决电气噪声的干扰而设计的，它是用一块压电陶瓷对半切开后制成的，两个半块大小相同，在其正负极化面相反的方向用导电胶贴在传感器底座上，中间用绝缘材料隔开，上面正负两个电极面各引出一根导线与芯同轴轴头的两个中间抽
41、头相接，并用屏蔽双芯电缆接到前置放大器上，这种传感器多用于现场声发射技术中。n 宽频带传感器用于频谱分析中，已有高达几MHz的响应平坦灵敏度较高的传感器，制作宽频带传感器的关键是展宽频带，所用方法有背衬吸收法和变厚度传感器。n 由于一般传感器背衬是空气，压电元件与空气声阻抗相差很大，阻抗匹配使被激励的压电元件的两个界面形成多次反射，加长了振铃时间。因此常用在压电元件背后安装背衬匹配吸收体，它的声阻抗与压电元件相近，使入射到压电元件的声能全部进入吸收体而不反射。n四、声发射技术在设备故障诊断中的应用n1高压容器的监控n 某厂对四台运转的高压氧反应器轮流进行声发射连续监控，每个反应器周期为一星期。
42、通过监控考察发现，四个反应器都有不同程度的干扰信号，最强时，计数率幅度达到8mV。每当生产系统条件有所变化（压力、温度变化）时，声发射仪能灵敏地接收到由于这些因素变化而引起的声发射信号，并在XY记录仪上反应出来。n 在所测试到的信号中，除外界干扰的一些小信号外，也发现了一些振铃较多、幅度较高的声发射信号，这些信号可以认为是筒体或焊缝潜在缺陷的扩展或产生小裂纹而释放出来的弹性应力波。由经验知，凡这样的信号，计数率幅度超过10mV时就应引起我们的重视。通过累积突发信号的幅度、个数和发射率可以对高压反应容器进行安全监控和评定提供可靠依据。实践证明，生产系统正常时，其背景噪声仅为0.06V，而当反应器
43、引出管或其它部位严重漏气时，背景噪声会急剧升高，最高的可达0.5V，背景噪声突然升高，就应及时采取措施，防止事故。n2轧机裂纹监测n 对于材料内部结构的变化，声发射参数会给出非常灵敏的指示。对于韧性钢材，主要是退火的低碳钢，其声发射计数率、应力、声发射累计数与应变的关系示于图5-24中。从图中可见，材料一开始产生应力，产发射计数率就不断升高，当达到屈服极限时，产发射计数率出现高峰。对于高强度钢，它的声发射计效率、声发射累计数、应力与应变的关系曲线如图5-25所示。n 从图上可以看出，裂纹是以台阶形跳跃式发展的，它的产发射累计数有明显的拐点，而其声发射计效率，在材料屈服前后，没有象韧性材料中展现
44、出的那样十分明显的峰值。但裂纹的每次进发，在声发射计数率曲线上有一个明显的峰值出现，根据该曲线就可以预报材料的开裂点。日本新日铁公司就利用这个关系，成功地应用声发射技术监测生产中已产生裂纹的轧机框架。n 当检测出轧机已产生裂纹，但又没有备件来更换的情况下，新日铁公司采取了两项措施，其一是降低轧制力20%继续维持生产，其二是在上述状况下，用声发射技术对裂纹扩展进行监测。这样，使新日铁公司赢得了八个月的时间、换上新轧机后再继续正常生产。n 新日铁公司还以同样的方法，对已产生裂纹的齿接手进行了监测，也获得了成功。n 第五节 计算机辅助监测诊断系统n 一、计算机监测诊断系统的组成与功能n 用微机和软件
45、建立的诊断系统，与专用信号分析仪相比有明显的优点：投资少，实际中易于推广应用；功能强且易于扩展和升级；使用维护方便等。在微机系统中加入专用信号处理板，使得微机信号处理能力和速度大大提高，可基本达到专用信号分析仪的水平。n基本功能：n（1）AD转换n（2）信号分析功能n（3）分析、比较功能n（4）数据库n（5）分析、监测结果的输出n（6）时钟控制n监测系统的组成 n诊断的基本过程：n特征信号的获取与其中征兆的提取；n根据征兆，得出系统所处状态的初步结论；n对结论进行验证；n提出故障原因的假设；n验证每一个原因的假设。n诊断中的重要环节n信号检测n特征分析n特征量选择n状态分析n决策分类n控制n二
46、、高级计算机监测诊断系统n发展趋势n（l）以微机为主体的监测系统，将是今后几年中应用的主力军。因为它技术成熟，性能基本能满足一般机械设备的要求。必要时，还可与中央处理机相联形成计算机故障诊断与监测网络。n（2）随着功能强大的计算机、处理机的不断涌现，将使计算机监测诊断系统在速度、规模、容量方面有较大的突破，为将人工智能、模式识别等学科的研究成果引入系统提供物质基础。n（3）人工智能技术的应用，人工智能关于自学习机制的研究的突破，肯定会对监测诊断系统自学习能力的提高带来巨大的影响。另外，专家系统的应用将使监测诊断系统向智能化迈进一大步。n（4）模式识别理论用于监测诊断技术，将使系统处理问题的能力得到极大的提高，从而使监测诊断系统得到更加广泛的应用。n（5）依靠网络，共享信息，专业诊断。