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    排列五走势图:第五章:机械故障诊断中的监测技术2_图文

    江苏七位体彩开奖结果 www.jwbw.net 第五章:机械故障诊断中的监测技术
    § 5.1 振动监测技术 § 5.2 噪声监测技术 § 5.3 超声检测技术 § 5.4 声发射检测技术 § 5.5 红外监测技术 § 5.6 油样分析技术

    §5.1 振动监测技术
    一.机械振动的分类与特性 机械振动 表示机械系统运动的位移、速度、加速 度量值的大小随时间在其平均值上下交 替变化的过程。 机械振动的分类

    一.机械振动的分类与特性
    ? ? ?简谐振动(单一正弦波) ? ?周期振动? ? ? ?复杂周期振动(多条正弦波叠加) ?确定性振动? ?准周期振动(经处理后可变换成周期振动) ? ? 非周期振动? ? ? 机械振动? ?过度过程(单发的一次性振动) ? ? ? ?窄带随机振动 ? 平稳随机振动? ?随机振动? ? ?宽带随机振动(白噪声) ? ? ? ?非平稳随机振动 ?

    1.简谐振动
    有一质量弹簧系 统:质量M,弹 簧刚度K,质量块 M在外力作用下 到0放开,M在0 上下振动,位移x 与时间t的关系为:
    x

    A

    M 0 t

    -A T F

    x = A sin(2πft + ? )

    1.简谐振动
    A——最大振幅(峰值),单位为 mm 或?m
    T——振动周期, 也可表示成:

    1.简谐振动
    简谐振动的速度及加速度分别为:

    f =

    1 T

    π V = Aω cos( ωt +?) = Aωsin( ωt + +?) 2

    a = ?Aω2 sin( ωt +?) = Aω2 sin( ωt +π +?)
    即:振动速度V是比位移相位超前90?的正弦波 振动加速度a是比位移相位超前180?的正弦波

    x = A sin(ωt + ? )

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    1.简谐振动
    (1)振动的幅值 设实测的机械振动的信号为x(t) ,则振 幅的表示方法有以下三种:
    a. 峰值: x p b. 均值: ,峰峰值:

    1.简谐振动
    (2)振动的频率 (3)相位 对两个振动:相位相同可使振动叠加,振动加 剧;相位相反可能使振动抵消,起减振作用。 相位测量可用于: a. 谐波分析 b. 动平衡测定 c. 振型测量 d.判断共振点

    xp_ p

    x=

    1 T x (t )dt T ∫0 1 T

    c.有效值(均方根值): x rms =



    T

    0

    x 2 (t )dt

    2.周期振动
    振动波形按周期T重 复相同图形的振动:

    2.周期振动

    x(t ) = x(t + nT )

    例1:有一振幅为A的三角波
    X(t)

    一般为若干个简谐振动叠加合成的结果。对任 意周期振动,可用傅立叶级数表示成多个简谐 振动的叠加。 n n a x(t ) = 0 + ∑ ai cos 2πif 0 t + ∑ bi sin 2πif 0 t 2 i =1 i =1

    π/2 ω

    π /ω

    3 π/2ω

    2 π /ω

    t

    A(f ) 8 A/π 2 -12dB/oct

    ai =

    2 T x(t ) cos 2πif 0 tdt T ∫0

    bi =

    2 T x(t ) sin 2πif 0 tdt T ∫0
    f0 3f0 5f0 7f0 …… f

    2.周期振动
    ωt ? ?2 A π , ? ω ? x ( t ) = ? 2 A (1 ? t ), π ? ω ? 2 A( t ? 1 ), ? π ? 0 ≤ t ≤ π 3π ≤ t ≤ 2ω 2ω 3π 2π ≤ t ≤ 2ω ω π 2ω

    2.周期振动
    例2:周期性矩形脉冲振动,谱图为无限连 续的离散谱
    A(f) X(t) Tc

    ?a i = 0 ? 8A π ? ?bi = (πn) 2 sin i 2 ,i = 1,2,3 ? ? ? ∞ ?

    T

    t

    f0 2f0 3f0 ……

    fc……

    f

    8A 1 (?1)n x(t) = 2 (sinωt ? 2 sin3ωt + ? ? ? + sin( 2n + 1)ωt + ? ? ?) π 3 (2n +1)2

    周期性脉冲振动信号及频谱

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    3.准周期振动
    X(t)

    二.振动监测参数
    Ts

    在齿轮、滚动轴承、 往复机械的振动监测 中,常遇到如图所示 的振动形式,这种周 期脉冲严格地说不是 周期振动。 这种振动信号处理方 法:
    (1)取信号的绝对值; (2)取包络; (3)作谱。

    1、振动监测参数 低 频 振动时的振动 强度 由 振动位移值 来 度量; 中频 振动时的振动 强度 由 振动速度值 来 度量; 高频振动时的振动强度由振动加速度值 来度量 。

    t

    二.振动监测参数
    2、振动的量及量级 振动量的描述分绝对单位制和相对单位制。 绝对单位制能客观地评定振动的大小,一般用 MKS制。 μm 位移的单位: m 速度的单位: m/s 工程中: cm/s 加速度的单位:m/s2 G(980cm/s2)

    二.振动监测参数
    相对单位制用“级”来表示,它分为算术级 与几何级两种形式。算术级又称倍数 级,用一倍、十倍、一百倍等表示。几 何级又称对数级,以分贝(dB)表示。在 设备监测与诊断中常采用对数级(分贝) 表示。

    二.振动监测参数
    按ISO1683标准规定,振动的级有:
    振动力级
    L F = 20 lg( F F0 )

    三.测振传感器(一次仪表)及性能 F0 = 10 ?6 N
    1.测振传感器的作用 把被测对象的机械振动量(d,v,a)在 要求的范围内准确地接受下来,并把它 们转变成电信号输出。 2.测振传感器的分类(按所测参数形式分)

    振动位移级 Ld = 20 lg( d d )
    0

    d 0 = 10

    ?12

    m
    s

    振动速度级

    Lv = 20 lg( V V )
    0

    V 0 = 10 ?5 m
    a0 = 10 ?6 m

    振动加速度级 La = 20 lg( a a 0 )

    s2

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    三.测振传感器及性能
    (1)位移传感器——输出电量与振动位移成正比

    三.测振传感器及性能
    (2)速度传感器——输出电量与振动速度成 正比
    ? ?动圈式 ?接触式 ? 速度传感器 ? ?动磁式 ? 非 接触式 — —变间隙式 ?

    ? ?电阻式 ?接触式? ? ?应变式 位移传感器? ?非接触式?电容式 ? ? ?电涡流式(相对位移)最常用 ?

    (3) 加速度 传感器——输出电量与振动加速度成 正比

    ?压电式:测绝对振动(常用) 加速度传感器? ?应变式

    三.测振传感器及性能
    3、测振传感器的性能指标 (1)灵敏度 传感器的输出电量(电压或电荷)与输入振 动量(d,v,a)之比称为传感器的灵敏度

    三.测振传感器及性能
    (2)频响特性 传感器的频响特性是指灵敏度不超出某一规定精 度范围时输入机械量的频率范围。 (3)固有频率:传感器的谐振频率 (4)动态范围:指传感器能测的最大振动量 (5) 分辨率:输出电压U的变化量ΔU可分辨时, 输入机械量的最小变化量

    S =U

    v

    ?d (?v, ?a)
    (6)温度、湿度等环境条件

    灵敏度一般与频率有关 。

    三.测振传感器及性能
    4.三类传感器的频率特性与动态范围比较
    相对 振幅 100000000 10000000 1000000 100000 10000 1000 速度 传感器 100
    10

    三.测振传感器及性能
    (1)加速度传感器的频响特性与动态范围最 宽 (2)速度传感器一般在10~2000Hz (3) 位 移 传 感 器 从 理 论 上 可 到 0.1 ~ 10000Hz,一般在2000Hz以下

    加速度 传感器

    位移传感器

    0.1

    1

    10

    100

    1000

    10000

    频率

    测振传感器的频率特性与动态范围

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    三.测振传感器及性能 三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器 5.电涡流式位移传感器

    1) 特点:与被测物体不接触 2) 适用范围: a 、 旋转 机械的振动 监测 ( 具有表面线速度 的转子的振动) b、小型机械的振动测量

    3)优点: a. 线性度好; b. 频率范围宽(DC~10000Hz); c. 线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改 变; d. 能长时间连续可靠地工作; e. 长距离传输抗干扰能力强; f.能在油、气及某些化学成分介质中工作。

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    4)结构类型 a. 变间隙型电涡流传感器; b. 变面积型电涡流传感器。

    5)原理: 在 传感器 的 端部 有一线 圈 , 线 圈通 以 高 频(一般1~2MHz)的交变电流。当线圈平 面靠近 一导体面时,穿 过导体 的磁 通量 随时间 而变化,在 导体 表面 感应出电涡 流,涡流产生的磁通又穿过原线圈。 所以原线圈与产生涡流的导体相当于两 个具有互感的线圈,互感的大小与线圈 离导体表面的间隙有关。

    三.测振传感器及性能
    i1

    三.测振传感器及性能
    传感器的等效电路
    M
    Z

    R'=R+(L/L*C)k2RC
    Z

    i U
    H1 i2

    C

    L

    Lc

    U C Rc
    Z

    L'=L(1-k2)

    H2

    传感器的等效电路 R、L——原线圈电阻与自感 Rc、Lc——涡流的电阻与自感 M——互感,与线圈到导体表面的距离d有关

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    三.测振传感器及性能
    当电流频率高时,Rc<<ωLc ,则传感器线 圈的等效阻抗Z可简化为:
    其中:

    三.测振传感器及性能
    若原线圈并联一电容C,则构成R、L、C 振荡电路,谐振频率为:
    f0 = 1 2π LC (1 ? k 2 )

    Z = R ' + jωLc
    R' = R +
    '

    L 2 k Rc Lc
    2

    谐振频率与d有关
    ' 当 d → ∞ 时,k = 0, L = L, f 0

    L = L (1 ? k )
    k=M LLc

    最低。

    耦合系数

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    三.测振传感器及性能
    U(v) 线性范围 -20

    6) 涡流传感器的系统响应特性 涡流传感器的系统响应特性即间隙d与输 出电压的关系曲线,测量时输出电压U的 变化反映间隙的d变化,也就是导体表面 的振动。

    -15 U1 -10 U2 -5

    0 10 d1 d2 100 d

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    三.测振传感器及性能
    b = 50 .3 δ ?f cm

    7)被测物体尺寸及材料对测量性能的影响 a.尺寸的影响 当 被测物体为圆柱,且传感器中心线垂直 于被测物体轴线, 要求: D≥3d( d为 探头头部直径) 如果 D =d,灵敏度会下降70%左右。 被测体厚度要求:

    式中: b--厚度 δ--导电率 ?--导磁率 f--频率(通常为1MHz 左右)

    ?b > 0.1mm的钢等导磁材料; ? 一般: ? ?灵敏度不会受影响 b > 0 . 05 mm 的 铜 、 铝 等 弱导 磁 材料 ? ?

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    三.测振传感器及性能
    b. 表面加工质量的影响 不规则的表面会给实际测量造成附加误差。 一般被测表面的粗糙度Ra要求在0.4~ 0.8μm之间(磨或抛光)

    三.测振传感器及性能
    c.材料的影响 当被测物体为导磁材料(如普通钢)时,由于磁 效应和涡流效应同时存在,且磁效应与涡流效 应相反,会抵消一部分涡流效应,使灵敏度变 低。 当被测物体为弱导磁或非导磁材料(如铜、铝等) 时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应强,灵 敏度高。 例如:铜:14.9v/mm 不锈钢:10.4 v/mm 铝:14.0 v/mm 45# 钢:8.2 v/mm

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    8)涡流传感器的安装 a.探头间的距离 b.探头与安装面的距离 c.探头的安装间隙
    传感器间的安装距离

    探头间的最小距离
    探头直径 mm φ5 φ8 φ11 φ14 φ18 φ22、φ25 φ35、φ36 φ50 φ60 两探头垂直安装 两探头垂直安装 两探头平行安 (被测体为圆形) (被测体为方形) 装D(mm) D(mm) D(mm) 40.6 40.6 80.0 80.0 100 150 150 200 250 35.6 35.6 70 70 90 120 120 180 230 80 80 150 22.9 22.9 40 40

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    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    9)使用时的注意事项 a. 安装时要注意平均间隙的选取,即平均 间隙加上振动间隙(总间隙)应处于传感器 的 线 性 范围内 ,否 则会 引起测 量误差及 波 形 失真 。一 般 平均间 隙选 在线性 中点 。 b. 选用传感器时要注意传感器的动态特性、 频率范围。

    10) 应用 ? a. 测量轴的相对振动(安装在轴承座) ? b. 测量 轴的绝 对振动 (安装 在固定点 ,对 小型机械) ? c. 测相位(键相) ? d.测振型,隔一定距离安装x、y两个传感 器 ? e.测轴的偏心,放轴承座外侧,因为需知 道偏心的位置,所以需键相信号。

    三.测振传感器及性能
    测轴偏心探头 滑动轴承 键相探头

    三.测振传感器及性能
    5.电涡流式位移传感器

    安装间隙

    11) 缺点 a. 对被测对象的材料敏感; b. 需外部电源; c. 安装麻烦。



    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    2) 结构形式:
    a. 单 端 中 心 压 缩 型 : 由 基 座 、 中 心 螺杆 、 压电转 换 元 件 、 惯 性质量、 预紧螺 母组成。 预紧 力 通 过 中 心 螺杆施 加 到压电元件上。 灵敏度高、频响宽、工艺 性好,其外壳与质量-弹 簧系统不接触,可分离一 部分外界由于非振动因素 造成的干扰。

    1)原理: 利用某些材料的压电效应(受外力变形时 内部产生极化现象,其表面产生电荷, 在外力去掉后又恢复不带电状态)制成。

    1-基座; 2-重金属质量块; 3-压电元件;4-弹簧

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    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器 b. 环形剪切型: 结 构 : 压电 元 件 与 惯 性质量均 为 圆柱 环 , 压电 元 件是 经 轴 向 极 化的 压电 陶瓷 ,在其 内 外 圆 柱面上取电荷; 原 理:其机 电转 换 利 用 压电 陶 瓷的切变压电效应; 优点:抗环境干扰能力强、有 较高的抗声、磁干扰能力、基 座安装底面的应变对压电元件 的应力状态无影响。

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    c. 三角平面剪切型: 结 构 : 压电 元 件 为 方形 剪 切 型 压电 片 ,用一 环 状预 紧筒 ( 硬 弹簧) 将 三 片 压 电 元 件 和 质量块 紧 固 在 基 座上; 优点:环境特性与技术特 性好。 1-基座; 2-重金属质量块;
    3-压电元件;4-弹簧

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器 d.倒置中心压缩型 其特点是将一单端中心压缩 型结构中的惯性质量、压电 转换元件倒挂在传感器的基 座, 它除了保持单端中心压缩型 的基本特点外,可有效隔离 来自安装面的大基座应变信 号的干扰。

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    1-基座; 2-重金属质量块; 3-压电元件;4-弹簧

    e.基座压缩型(周边压缩型) 由压电元件、惯性质量、预紧螺 母组成。 优点:结构简单、工作性能可靠、 可以做到高灵敏度和高频率 响应。 缺点:由于预紧力是通过外壁加 上去的,外界条件的变化会 影响压电元件的预紧力,使 1-基座; 2-重金属质量块; 干扰信号附加到压电元件 上,增大测量误差。 3-压电元件;4-弹簧

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    3)优点 (1) 灵敏度高 (2) 频率范围宽 (3) 动态范围大 (4)体积小 4)灵敏度 把压电 加速度 传感器看 成 电荷 源或 电压 源 , 所 以加速度传感器 的灵敏 度分 电荷 灵敏度与电压灵敏度。

    (1)电荷灵敏度

    Sq = Q

    A

    (C (库)

    ms ? 2

    )

    Q——单位加速度幅值所产生的电荷量库仑(C) A——加速度幅值

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    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    三.测振传感器及性能
    5)幅频特性
    传感器的 谐振频率

    b、电压灵敏度

    Sv =

    Sq Ca

    (V / ms 2 )

    Ca——传感器的电容量 任意频率下复数形式的电荷灵敏度: * Sq = S q e ? j?

    相 对 输 出

    ф——传感器的电荷输出相对于加速度输入的
    0.01

    0.1

    100

    10000

    相位滞后。

    三.测振传感器及性能
    6.压电式加速度传感器

    将加速度计直接用螺 栓安装在振动表面 上;

    6) 传感器的使用与安装 (1)用螺钉直接固定于机体上,接受的频率 特性与传感器相一致 (2)用沾接剂固定,频率特性良好 (3)用蜡固定,频率特性好,不耐温 (4)用磁座,频率特性受影响,方便

    将加速度计与振 动面通过绝缘螺 栓或者云母片绝 缘相连 ;用腊 膜粘附 ;
    手持探棒与振动 表面接触 ; 通过磁铁与具有 铁磁性质的振 动表面磁性相 连; 用粘结剂连结。

    a.可测量强振和高频率振 动,是安装加速度计理 想的方法; b.同 a只是在需要绝缘的时 侯使用 ; d.只适合测量低于1000Hz 的振动,且往往由于手 颤的影响,测量误差较 大; e.是常用的方法,方便可 靠,但只能测量加速度 较小的振动 。

    三.测振传感器及性能
    7 .电动式速度传感器 1 )结构 : 由 线 圈 、 磁 铁 、 磁路 组 成,磁 路 里留有 圆 环 形 空 气 间 隙 , 线 圈 处 于 气 隙内 ,在振动时 相对 于气隙运动。

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    低 频 界 限 ⌒ 取 决 于 电 缆 和 放 大 器

    可以用于设备诊断的频率范围 可以测出接近于正确的振幅 随传感器的安装方法而 定的传感器的谐振频率 振幅相位都可以 正确测出的范围 低 频 相 位 界 限 10 高 频 相 位 界 限 1000

    高 频 界 限 ⌒ 取 决 于 传 感 器 的 特 性



    频率

    10

    三.测振传感器及性能
    1、8-弹簧 片, 2-永久磁铁, 3-电磁阻尼 器, 4-铝架, 5-芯杆, 6-壳体, 7-工作线圈 。
    7 .电动式速度传感器

    2) 原理:基于电磁感应原理,当运动的导体在 固定的磁场里切割磁力线时,导体两端产生感 应电动势(正比于振动速度)。

    e = ? BLV × 103 (v )
    B――空气间隙的磁通密度; L――磁场内导线的有效长度(cm); V――线圈与磁力线相对切割速度,(cm/s)。

    三.测振传感器及性能
    3) 使用范围: 用于较大物体的振动测量上。 4 )特点: a、线圈阻抗低,对测量仪器的输入阻抗、 电缆长度要求不高; b、结构简单; c、在几百Hz以下的动态范围大。

    四.设备的振动监测
    1.振动电平值监测 振动电平值监测是一种简单常用的方法 , 它 只 测 量机 组 某些 特定 测点 的 总振 级大 小。一般只需在机组的特征点处(如轴承 处)安装传感器,用简单的测振计定期监 测 ,振平可用:有 效值、峰值 等,振平 监测参数:d、v、a均可。 用振动量值的相对变化(级)表示,比较可靠。

    四.设备的振动监测 2.速振平监测
    用于升、降速过程。 在升、降速过程中,测量振平值随转速 变化的曲线(转速振平图),利用这些曲线 判断机器的故障。

    50万千瓦发电机组三次降速过程中的转速振平图

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    a.振平不随转速 变化; b振平随转速增 大而最大(可能 由不平衡或基础 刚度太小引起 的); c.在某转速下振 平有峰值(可能 由共振引起 的); d.转速振平在某 一转速下突然最 大(可能由油膜 振荡引起的)

    四.设备的振动监测
    响应谱监测

    用机器某些特 征点处的振动 响应的频谱作 的某些故障诊 断的依据,可 用功率谱或幅 值谱。 例1 用频率分 析法进行早期 故障监测
    离心压缩机升速实验中的转速振平

    3.响应谱监测

    3.响应谱监测

    故障部位及其对应频率

    某一频率分量的级值-时间趋势图

    3.响应谱监测
    例2 航空发电机振动监测

    发电机总振级超差频谱 原因:低压缸转子不平衡(f1)分量; 高压缸转子不平衡(f2)分量; 监测系统框图 0.5 f1分量附近小峰群,由传动齿轮套内摩擦(0.48 f1)、 轴承的非线 性( 0.5 f1 )、油膜 涡动(0.43~0.48 f1)等原因 引起的

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    §5.2 噪声监测技术
    一、基本概念 1、声波的分类及特点 (1)按频率高低分: (2)按声源形状分 2、声场与自由场 (1)声?。河猩ù嬖诘牡悦街仕加械?空间。 (2)自由?。焊飨蛲缘奈薇呓绲拿街手械?声场,工程测量中一般用半自由场。
    振动监测的三维谱

    一、基本概念
    3、声音的量与量级
    (1)噪声的量:
    ?声 压P, 帕( p a ) ? ? 瓦 ?声 强I, 米 2 ( w m 2 ) ? ?声 功 率W, 瓦( w ) ?

    一、基本概念
    (a)声能密度:单位体积中的声波能量。
    1 2 ρU A = ρU e2 2 U A-质点振动速度幅值; e= U e-质点振动速度有效值。 声压幅值PA与质点振动速度幅值的关系: PA = ρ CU A

    a.声压:有声波存在时媒质中的压力相对于静压力的变化量; b.声场中的能量 声波传播到静止的媒质中: (1)使媒质质点在平衡位置附近来回振动→存储位能; (2)在媒质中产生膨胀与压缩过程→释放位能; (3)媒质质点在运动过程中还存在动能; 即:声波的传播过程实际上是振动能量的传播过程。

    式中:

    (b)声功率: 单位时间内声波沿传播方向通过某一波阵面的平均能量。
    W = eCS 式 中: S ? 波阵面面积

    一、基本概念
    (c)声强:单位时间内通过垂直于声波传播 方向单位面积的声能密度。
    W = eC S 1 1 2 I = ρ CU A = PAU A = PU e e 2 2 ρ C-媒质的特性 阻抗 I=

    一、基本概念
    声波的基本参数:

    式中:

    ?振幅Pm ? ?频率f ? ?周期T ?波长λ ? ? ?声速c = fλ

    在空气媒质中

    c = 331.5 + 0.62t

    声强与声压、质点振动速度的平方成正比。

    13 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    一、基本概念
    在无限的固体媒质中:
    纵波声速: C1 = C2 = E (1 ? σ )

    一、基本概念
    (2)噪声的级

    a.声压级、声强级、声功率级的计算
    ? P P0 = 2 * 10 ? 5 p a ?声压级:LP = 20 lg P , 0 ? ? I I 0 = 10 ?12 w 2 ?声强级:L I = 10 lg , m I 0 ? ? W ?12 , W0 = 10 w ?声功率级:LW = 10 lg W0 ?

    ρ (1 ? σ ? 2σ 2 ) E 2 ρ (1 + σ )

    横波声速: 式中:

    E-弹性模量; σ -泊松比。

    一、基本概念
    b.声压级、声强级、声功率级之间的关系
    对点声源(在半自由场中)

    一、基本概念
    c.声级的合成 设:两台设备在某点的声压P1、P2 :两个声压合成的有效 值为:
    2 2 p= P 1 +P 2

    ? LW = LI + 20 lg r + 8 ? ? LW = L p + 20 lg r + 8
    对点声源(在自由场中)



    LP = 20 lg

    P 2 + P22 P P 2 + P2 = 20 lg 1 = 10 lg 1 2 2 P0 P0 P0

    ? LW = LI + 20 lg r + 11 ? ? LW = Lp + 20 lg r + 11

    分贝增值表,(Lp1>Lp2时,Lp=Lp1+ △Lp。)
    Lp1- Lp2 增值(△ Lp) 0 3 1 2.5 2 2.1 3 1.8 4 1.5 5 1.2 6 1.0 7 0.8 8 0.6 9 0.5 10 0.4

    Lp1-Lp2>10dB时,可以不考虑Lp2的影响。

    一、基本概念
    d.背景噪声修正

    一、基本概念
    4、频程
    f2 = 2n f1

    设:背景噪声为LB dB,设备噪声为LA dB,总噪声为 Lc dB。 则: 令: I I +I LC = 10 lg = 10 lg A B I0 I0 L C-L B =α (dB) LC-L A =ε (dB) 则被测噪声为: LA = LC ? ε
    背景噪声修正值 α(dB) ε(dB) 1 6.9 2 4.4 3 3 4 2.3 5 1.7 6 7 8 9 10

    f 2 = 2 n f1 , f1 = 2 ? n f 2

    f中 =

    f1 f 2 = 2

    n ? f2 2

    n

    = 22
    n 2

    f1

    ?f = f 2 ? f 1 = (2
    1.25 0.95 0.75 0.60 0.45

    ?2

    ?n

    2

    ) f中

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    一、基本概念
    常用的频程有: n=1 ,称1倍频程或倍频程

    一、基本概念
    倍频程的中心频率与频带范围
    f中 31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

    ?f = 0.707 f 中
    n=1/3 ,称1/3倍频程

    f上-f下

    22~ 45

    46~ 90

    90~ 180

    180 ~ 355

    355 ~ 710

    710~ 1400

    1400~ 2800

    2800~ 5600

    5600~ 11200

    ?f = 0.231 f中

    一、基本概念
    5.响度、响度级 1000Hz纯音的的声压级的大?。╠B)就是 响度级(方)的大小。 40方为1宋(响度) 响度级: 响 度: LN = 40 + 10 log 2 N N=2
    0.1(L N ?40)

    二、噪声测量
    1、噪声测量系统

    (方) (宋)

    二、噪声测量
    2、传声器 把 声 能 转化为 电能 ,用 来直 接 测量声场 中 的声 压。 常 用的 传声 器为 电容式传声 器。 (1)灵敏度:开路输出电压与输入声压之比

    二、噪声测量

    S=

    V v ( ) pa P

    电容式传声器结构简图

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    二、噪声测量

    二、噪声测量
    (2)频率特性:被测信号的频率不同,灵敏度也不 同的特性称为传声器的频率特性。 (3)指向性 传声器的指向性:

    D (θ ) = S (θ )
    θ
    柱极体传声器结构简图

    S (0)

    ——与传声器膜片的法向夹角;

    S(θ)——与传声器膜片的法向夹角θ方向的灵敏度; S(0)——与传声器膜片的法向夹角为0方向的灵敏度。

    二、噪声测量

    传声器的指向性特性

    二、噪声测量
    3、声级计 (1)声级计的基本结构 声级计是基本的噪声测量仪器。由前放、 输入衰减器、输入放大器、计权网络滤 波器、输出衰减、输出放大、检波、显 示等组成。

    二、噪声测量

    声级计组成框图

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    二、噪声测量

    二、噪声测量
    (2)声级计的计权网络 声级计一般都设有A、B、C计权网络。 A、B、C计权网络的放大率与频率的关系取自40 方、70方、100方等响曲线的倒置。 C计权在绝大部分常用频率下较平直; B计权比较少用; A计权使用最广,A计权接近人耳对不同频率声 音的响应,人耳对低频声音不敏感, A计权对 低频声音衰减大。 D计权是专为测飞机飞过时的噪声而设的。
    等响曲线

    二、噪声测量

    二、噪声测量
    (3)声级计的精度等级 声级计的精度分0、1、2、3四个等级。 0级:精度最高; 1级:精密型; 2、3级:普通型。

    三、声强测量
    1、优点: (1)判断声源的位置 (2)求噪声发射功率 (3)不受声学环境的干扰

    三、声强测量
    2、原理 声强的定义:

    I =W

    S

    S——波阵面面积

    由声强的定义,它还可用用单位时间内单位面积的声 波对前进方向毗邻媒质所作的功表示。

    I=

    1 T Re ( p) Re (u )dt T ∫0

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    三、声强测量
    声 场 中 某 点 的声 强 矢量的时间平均 等 于 该点上某一刻的p与u的乘积。

    三、声强测量
    u=? 1 ρ

    I = pu
    在给定方向的声强:



    T

    ( p 2 ? p1 )
    ?r

    0

    dt

    I r = prur
    1 ρ
    T

    在r处的声压用1、2点处的平均声压表示。

    存在声波扰动时媒质质点的振动方程为:

    ?

    ?p du =ρ ?x dt



    u=?



    0

    ?p dt ?x

    pr =

    p1 + p 2 2

    三、声强测量
    r点的声强

    三、声强测量
    由互相关函数与互谱密度函数的关系知 :

    lim 1 T I r = p r (t )u r (t ) = p r (t )u r (t )dt T → ∞ T ∫0

    由互相关函数

    I r = R p r ur (0) = ∫ S p r ur ( f ) df
    ?∝



    lim 1 T Rxy = x(t ) y(t + τ ) dt T → ∞ T ∫0
    声强

    按互谱的定义及

    ur = ?

    1 T ( p2 ? p1 ) ?rdt ρ ∫0

    pr =

    p1 + p 2 2

    I r = R pr ur (0)

    分别求出 :

    p r (t )、u r (t )

    三、声强测量
    声强可用两测点声压互谱的虚部表示:

    三、声强测量
    3、声强探头的类型和特点 声强探头是把两个相匹配的传声器按一定的排列 方式安装在一个架子上,使两传声器中心之间 的距离为△r 。 (1)声强探头的内排列方式: a、对置式:两传声器面对面安装,间距△r。在 同 一条轴 线上,当△r 相同 时,对置式比 顺置 式的声压梯度灵敏度高。 b 、顺置式 :两传 声器的轴线在同一直线上,膜 片向同一方向。 c 、 并 列 式 : 两 传感器 的 轴 线 平 行 ,△ r 调整 方 便,但安装时不易保持与测量轴线对称。

    Ir =





    ?∝

    S p r u r ( f ) df =

    n I m [ S 12 ( f i )] 1 ∑ 2πρ ? r i =1 fi

    式中:S12(fi)——频率fi处点1和点2的声压的互谱 Im——虚部

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    三、声强测量

    三、声强测量
    (2)声强探头的测量方向和指向特征 a、测量方向 双传声器在声场中的测量方向由法向测 量(上图)与逆向测量两种,逆向测量相对 法向测量转90?

    三、声强测量
    b、指向性

    三、声强测量

    Q (θ ) =

    I (θ ) I (0)

    I(0)——法向测量时的声强 I(θ)——与法向测量呈θ角时的声强

    声强探头的指向性

    三、声强测量

    三、声强测量
    c、声强探头的使用频率与△r的关系 由 于声强 测量精度的限制 ,具有间 隔△r 的双 传 声器只能适应一定的频率范围。 声强测量系统存在多方面的误差,主要误差有两 个 (a)由于用有限差分代替压力梯度而产生的 (b)由于两个传声器相位角匹配得不好而引起的 其它误差: 互谱估计误差; 传声器对声场的干扰引起的误差。

    被测声强大小、方向与探头位置

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    三、声强测量
    测量时通常要求△r<< r ,随被测频率的增加, 误差也增加,为使误差控制在某一范围内,希 望△r 减小,而当△r减小时,相位误差增大。 所以对每一个传声器的组合都有一个推荐使用 的频率范围。 一般: △r 较小时,下限频率不能太低 △r 较大时,上限频率不能太高 例:B&K公司的1/2’传声器 △r=12mm时, f=125~5000Hz △r=50mm时, f=31.5~1250Hz

    三、声强测量
    4、声强测量仪 声强测量仪器通常由:声强探头、分析 处理仪器、显示仪器组成。

    三、声强测量

    四、噪声源识别
    1、主观评价与估计法,凭经验 2、近场测量法,用于找主要声源

    B&K公司的3360型声强测量仪

    四、噪声源识别
    3、表面振速测量法,等振曲线

    四、噪声源识别

    一个工厂的A声级等声压级线图

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    四、噪声源识别
    4、频谱分析法

    泵的振速及相干函数图

    泵的振速、油压脉动频谱及相干函数图

    噪声测量分析系统

    油泵底壳窄带功率谱图 功率谱图

    声强探头在消声器左侧的声强谱图

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    声强探头在消声器右侧的声强谱图 消声器表面的振动幅值谱

    § 5.3 超声检测技术
    一. 超声检测的基础知识 (一)概述
    1、超声波的实质:是以波动的形式在介质中 传播的机械振动。 2、超声检测技术:利用材料本身或内部缺陷 对超声传播的影响(反射、透射与散射)来 检测判断结构内部或表面缺陷的大小、形状 与分布情况。 3 、 超 声 检 测 常 用 的 频 率 为 : ( 0.5 ~ 10 ) ×106Hz。

    一.超声检测的基础知识
    (一).概述

    4、超声的特点: (1)超声波具有良好的指向性,频率越 高,指向性越好; (2)超声波传播能量大,对各种材料的 穿透力强。

    一.超声检测的基础知识
    (一)概述

    一.超声检测的基础知识
    (一).概述 d.仅需从一侧接近试件; e.设备轻便,对人体与环境无害,可作现 场检测; f.所用参数设置及有关波形均可存储供以 后调用。

    5、超声检测的优点与局限性
    (1) 超声检测的优点 a .作用于材料的超声强度足够低,最大作用应 力远低于弹性极限; b .可用于金属、非金属、复合材料制件的无损 评价; c.对确定内部缺陷的大小、位置、取向、性质 等参量较之其它无损检测方法有综合优势;

    22 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn ??

    (一).概述 (2) 局限性
    a .对材料及制件缺陷 作精确定性、定量表征 仍 须作深入研究; b .为使超 声波能以常用的压电换能器为声源进 入试件,一般需要用耦合剂,要求被测表面光 滑; c.难以探测出细小的裂纹; d.要求检测人员有较高的素质; e.对形状复杂或表面粗糙的工件有局限性。

    (二) 超声波的波型 根 据介质质点的振动方向 与波动传播方 向 之间的关系来区分超声波的波型。 金属材料探伤中超声波的波型有: 1 纵波波型(压缩波) 纵波可以在固体、液体和气体中传播。 由于纵波的产生与接收比较容易,所以 在工业检测中用得最广泛。

    (二)超声波的波型

    (二) 超声波的波型 2 横波波型(剪切波) 介质质点的振动方向与波传播(前进) 方向互相垂直的波称横波。因为横波是 受剪切力所产生的,所以横波又称剪切 波。弹性介质在传播横波时产生剪切变 形,因此只有产生剪切力的固体才能传 播横波。

    纵波

    (二) 超声波的波型

    (二) 超声波的波型 3 表面波(瑞利波) 表 面 波 传 播 时, 介 质质 点 运动 状态 具 有 纵波和横波质点运动的综合特性。 a . 质 点 的振动 轨迹 是 一个 绕 其平衡 位 置 运动的椭圆; b.质点振动的振幅大小与介质的弹性性 质和质点离自由表面的距离有关,即与 介质的泊松比 等有关。

    σ

    横波

    23 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (二) 超声波的波型
    (a)在传播同一深度, σ 越大,振幅越大; σ 增加,同时增加传播深度,振幅变??; (b) (c) 不变,传播深度增至一个波长时,振幅减至最小。 所以表面波只能检测工件的表面缺陷。

    (二) 超声波的波型

    3 表面波(瑞利波)

    4 板波(兰姆波)
    当板的厚度与超声波的波长相当时,在弹性薄 板中传播的超声波称为板波。 板波的特点: a.板波传播时,薄板的两表面和板中间的质点 都在振动,声场遍及整个板的厚度。 b . 薄板 两表 面 的质 点振动 是纵 波 和横波的 组 合,质点的振动轨迹为一椭圆。 c.板波按其传播方式又可分为对称型(S型) 板波和非对称型(A型)板波两种。

    σ

    表面波

    (二) 超声波的波型
    4 板波(兰姆波)

    (三)超声场的特征量 1. 超声?。撼渎ǖ目占浣谐?。 描述 超 声场 特 征的 物理量称 为 超声 场的 特征量。

    2. 声压:
    P = ρ CV

    3. 声强: 在垂直于超声波传播方向上单位面积单 位时间内通过的声能称为声强I。
    板波 a) 对称型板波 b)非对称型板波

    I =

    1 2

    P 2 ρ C

    (三)超声场的特征量
    3、声阻抗 ρ C 称为介质的声阻抗。 Z = ρ C 4、声速 1)固体中的声速 a.纵波声速CL 固体中纵波传播的声速 (1)在细棒中(直径<波长尺寸的极限情况下) C
    L

    (三)超声场的特征量
    4.声速

    (2)在无限大介质中: a.纵波声速:
    CL = E (1 ? σ ) ρ (1 + σ )(1 ? 2σ )

    式中: E ——杨氏弹性模量

    =

    E ρ

    ρ

    ——材料密度 ——泊松比

    σ

    σ=

    向直 径相 对缩 小 ?d / d 横 = ?l / l 纵 向长 度相 对伸 长

    24 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn

    (三)超声场的特征量 4. 声速
    b.横波波速CS

    (三)超声场的特征量 4. 声速 E
    d.板波波速 C P = e.声速比
    对固体介质, 钢:σ

    ρ (1 ? σ 2 )
    2 (1 ? σ ) 1 ? 2σ

    CS =

    E G = 2 ρ (1 + σ ) ρ

    CL = CS

    式中:G-切变弹性模量。

    c.表面波声速(无限介质中)
    Cr = 0.87 + 1.12σ 0.87 + 1.12σ G CS= 1+σ 1+ σ ρ

    σ

    Cr 0.87 + 1.12σ CL ≈ 2 ,C = 1+σ S CS =0.28,Cr /CS = 0.92,CS /CL=0.55

    σ

    =0.33,

    =0.34,Cr /CS = 0.93,CS /CL=0.492

    所以,一般认为纵波波速是横波的2倍,即:CL=2CS 表面波波速是横波的0.9倍,即:Cr=0.9CS

    (三)超声场的特征量 4. 声速
    (2)液体、气体中的声速

    (四)超声波的传播特性 1. 超声波的反射与折射 (1)垂直通过界面时的反射与透射
    超 声波 垂直 入 射 界 面 时 产生一 个 与 入射 方 向 相反 的 反 射 波和一个与入射方向相同的透射波。 垂直入射时,界面两侧声波必须满足两个边界条件: (1)一侧的总声压等于另一侧的总声压: Pe+Pr =Pt (1) (2)两侧质点振动速度振幅相等,保持连续性: Ve-Vr =Vt (2)

    C =
    K为体积弹性模量

    K ρ

    在空气介质中的声速为: C=331+0.6t

    (四)超声波的传播特性

    (四)超声波的传播特性 (1)垂直通过界面时的反射与透射
    Pe = ρ1C1Ve = Z1Ve
    V
    V
    e

    =
    =

    Pe Z 1
    Pt Z 2
    Pr Z1

    P t = ρ2C2Vt = Z2Vt
    P r =ρ 1CV 1 r = ?ZV 1 r
    垂直入射

    t

    Vr = ?

    25 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn

    (四)超声波的传播特性 (1)垂直通过界面时的反射与透射 所以把Ve、 Vr、 Vt 代入式(2)得 :

    (四)超声波的传播特性 1、垂直通过界面时的反射与透射 由此可得 :
    a、声压反射系数:反射声压与入射声压之比:

    Pe ? Pr Pt = Z1 Z2
    由式(1)可得:

    R

    p

    =

    Pe + Pr P = t Z2 Z2


    Pr z = Pe z

    2 2

    ? z1 + z1

    b. 声压透射系数:透射声压与入射声压之比:

    Pe ? Pr Pe + Pr = Z1 Z2

    T

    p

    =

    Pt 2z2 = Pe z 2 + z1

    (四)超声波的传播特性 (1)垂直通过界面时的反射与透射
    例1:超声波(纵波)在空气与钢的界面上传播。 钢 空气:

    例2:超声波(纵波)在水与钢的界面上传播。

    R p = ?0.99998

    T p = 0.000019
    几乎全反射。

    超声波(纵波)由钢垂直入 射到水时的反射与透射

    超声波(纵波)由水垂直入 射到钢时的反射与透射

    R p = ?0.935

    R p = ?0.935

    Tp = 0.065

    T p = 1.935

    (四)超声波的传播特性 (2) 超声波斜入射界面时的反射与折射 a、不产生波型转换的界面上的反射与折射

    (四)超声波的传播特性
    b、产生波型转换的界面的反射和折射 一般两个固体间的界面上,从介质I向界面入射 一个纵波,在I中产生一个纵波反射及一个横波 反射。在II中产生一个纵波折射及一个横波折 射。在一定条件下还会产生表面波。且满足:
    C L1 sin α 1
    2

    反射定律:入射角等于反射角。 折射定律:

    C1 sin α

    =
    1

    C 2 sin α

    =

    C S1 sin α 2

    =

    CS 2 sin α 3

    =

    C L2 sin α 4

    =

    CR sin 90 0

    C L1 、C S1

    ——介质I中的纵波、横波波速 ——介质II中的纵波、横波表面波波速

    CL2、CS2、CR

    26 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (四)超声波的传播特性
    b、产生波型转换的界面的反射和折射

    (四)超声波的传播特性
    b、产生波型转换的界面的反射和折射 第一临界角(使纵波全反射的入射角)为:

    C L1 ) C L2 第二临界角(使横波全反射的入射角)为: α
    L1

    = sin

    ?1

    (

    α

    L2

    = sin

    ?1

    (

    C L1 C S2

    )
    ?1

    产生表面波的入射角: α
    声波倾斜入射

    LR

    = sin

    (

    C C

    L1 R

    )

    (四)超声波的传播特性 所以 (1)当纵波入射角满足: α L < α 1 < α L 时,介质II中只有横波折射 (2)当纵波入射角满足: α 1 < α L2 且当 α 2 = α LR 时,在介质II中形成表面 波。
    1 2

    (四)超声波的传播特性
    2.超声波在固体介质中的衰减 超声波在固体介质中传播时,声压随距离的增 加逐渐衰减的现象称为超声波的衰减,它包括: a、 扩散衰减 b 、材料对超声波的吸收、散射衰减,衰减与下 述因素有关: (a) 材料的材质; (b) 超声波的波型; (c) 超声波的频率。 在同一介质中的吸收衰减:表面波最大,横波次 之,纵波最小。

    (四)超声波的传播特性
    2.超声波在固体介质中的衰减 衰减的规律:

    (五)多普勒效应
    在实际情况下,声源与工件之间往往存在相对 运动,特别是在自动化探伤中。这时,由缺陷 反射回来的超声波频率与声源发射超声波的频 率有所不同,这种现象称为多普勒效应,由此 引起的频率变化称为多普勒频移。

    Px = P0 e ?α x

    α ——衰减系数,奈培/厘米(Np/cm) x ——与声压 P 处的距离,cm
    0

    p x ——与声压 P 相距 x 处的声压值 0 奈培与分贝的换算关系: 1Np=8.685909dB 1dB=0.115Np

    设 S 点 为声 源 ,声 源 发出 的频率为fs , 介 质中传播的声速为C,波长为 λ 。 1、声源不动,接收点与声波传播方向同向 运动,接收到的频率为

    f0 = f S

    C ? V0 C

    27 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (五)多普勒效应
    2、接收点不动,声源以VS向接收点移动,此时 接收到的波长如同被挤紧了的波长,

    (五)多普勒效应
    3、声源与接收点同时同向移动

    λ' =

    C ? VS fS

    f0 = fS

    C ? V0 C ? VS

    所以接收到的频率

    f0 =

    C C = fS λ' C ? VS

    4、当声源与接收点的速度方向不一致时,可把 在声源与接收点连线上的速度分量代入。 5、在脉冲反射法探伤时,超声波的发射与接收 都是一个探头完成,而且一般探头不动,工件 移动。

    (五)多普勒效应 a.工件与发射方向相对运动
    f0 = fS f C +V ≈ (C + 2V ) S C ?V C

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />通常将超声检测中直探头作为圆形活塞声 源来处理。

    1、圆盘声源在声速轴线上的声压分布
    圆盘可视为无限多个小声源dS组成,每 个小声源都可辐射球面声波,根据叠加原 理,声场中任意点M的声压P等于每个小声 源向该点辐射的声能的叠加。 设声源发出的波为连续简谐波,且不考虑 衰减,则圆盘型纵波声源在声束轴线上声压 分布的表达式:

    b.工件与发射方向同向运动

    f0 = fS

    f C ?V ≈ (C ? 2V ) S C +V C

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />
    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />2、近场区与远场区 在超声检测中,用压电晶片作振源,借助于 晶片的振动向工件中发射超声波,并以一定的 速度由近及远传播,使工件中充满超声场。 因 晶 片 大 小、振动 频率 、 传 播 介 质的 不 同,使声压和声能产生不同的分布状况。 由式
    ?π ? P = 2 P0 sin ? a2 + s2 ? s ? ?λ ?

    式中:

    ?π ? P = 2 P0 sin ? a 2 + s 2 -s ? ?λ ?
    —— 声源处的声压 —— 波长 —— 圆盘半径 —— 声程,声束中心轴线上离声源的距离

    P0
    λ
    a S

    知,圆形活塞声源轴线上的声压是声程S的正弦函数,

    28 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />由于正弦函数的最大值为1 ,最小值为0,所以声压 的最大值为2P0,最小值为0。
    声压P极小值 由于sin(nπ )

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />声压极大值 由于: sin(2m + 1)

    = 0 ,∴

    ?π ? sin ? a 2 + s 2 ? s ? = sin( nπ ) ?λ ?

    ,P=0

    若要使上式成立,必有: ? ?λ ∴可得:



    ? a 2 + s 2 ? s ? = nπ ?
    2

    2m + 1 时,P=2p 。 ? a 2 + s 2 ? s ? = sin( )π 0 2 ? π 2 m + 1 ? ? a2 + s 2 ? s ? = π 若要使上式成立,必有:? 2 ?λ ?
    可以证明 : S = 式中:

    ?π ∴ sin ? ?λ

    π =1 2

    S=

    式中: n =1,2,?< D/2λ

    D ? (2πλ ) 8nλ
    2

    D 2 ? (2m + 1)λ 2 4(2m + 1)λ

    m=1,2,?< (D?λ)/2λ

    且在声源的声束轴线上有n个最小值。

    且在声源的声束轴线上有m个最大值。

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />当m=0时,得到此时的极大值位置(令S=N)为: 则:

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />在声场 中 ,称 S <N 的区 域 为声 源的 近 场区 ,最后一 个声压最大值至声源的距离N称为近场长度。在近场区 内 ,声 压 分布 十 分复杂, 出 现很 多 极 大值与极 小值。 所 以 , 如 果 在 近 场 区 内 有 缺 陷 存 在,其 反 射 波 不规 则,对缺陷的判断十分困难。 当S >N时,声场中的区域称为远场区。在远场区,声 压随时间距离增加而减小。与球面波相似,两者之间 的误差比较大,当S =N时约为57%。只有S >3N后, 声压与声程比较符合反比关系。因此,习惯上以S ≥3N时为远场区,此时的声压分布为:

    D2 λ N= ? 4λ 4
    可以忽略,则有:



    D >> λ 时, λ / 4
    D2 4λ

    N ≈

    圆盘源轴线上的声压

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />远场区声压分布 把声压分布公式中的正弦函数内的 ? ?λ

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />由sinθ的特性可知,当θ很小时,sin θ→ θ,这对于一般远场情况都能满足,声压分 布公式可进一步简化为:
    P = P0 π D2 1 4λ S



    ? a2 + s 2 ? s ? ?

    用牛顿二项式展开,取前二项代入声压分布公式,可得远 场区的声压简化表达式:

    P ≈ 2P0 sin

    π ? D2 ? ? ? λ ? 8S ?

    可见,在远场区声压P随距离S作单值变化。

    29 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />3、指向性
    声场中的声压不但随声程S、时间t而变,而且与声束的半 扩 散角 有关。 半 扩 散角 的大小反 映 声 场中能量的 集中 程度和几何边界。当半扩散角 θ = 0 时,声压最大。

    (六)圆盘声源的超声?。ɑ钊瓷。?br />3、指向性 声场中声束集中向一个方向辐射的性质叫声源的指向 性,把与中心轴线夹角θ处的声压与中心轴线的声压 比称为指向性系数。

    λ? λ ? ? ? θ = sin ?1 ? 0.61 ? = sin ?1 ? 1.22 ? a? D? ? ?
    D ——圆形晶片直径 若为方形晶片,a为边长:

    Q =

    P ( S ,θ ) P (S ,0)

    θ = s in

    ?1

    λ a

    1、主声束(主瓣),2、副瓣

    (七)超声波的产生与接收 超声检 测是 将超声波 从探头 送入被 测 材料 , 当材料 内部 有缺 陷时, 输入 超声 波的一 部分在 缺陷 处会 发生 反 射, 根据 接 收 到的 反射 波 判断缺 陷的位置及 大小。 产生超声波的方法很多,如热学法、 力学法、静电法、电磁法、电动法、激 光法、压电法等。目前,在超声波探伤 中应用的最普遍的是压电法。

    (七)超声波的产生与接收 1、压电效应与压电材料 压电效应:有些单晶和多晶陶瓷材料在受到 应 力时能在 材料中产生电场, 这种效应称 为压电效应。 压电材料:具有压电效应的材料称为压电材 料。压电材料分为两类: (1)天然或人工的压电单晶,如石英等。 (2)多晶压电陶瓷材料。

    (七)超声波的产生与接收
    2、超声波的产生与接收

    (七)超声波的产生与接收 (2)超声波的接收 超声波的接收是利用压电材料的压电 效应,把超声波转变为电能的过程。 由于压电材料同时具有压电效应和逆 压电效应特性,因此超声检测中所用的 单个探头,一方面用于发射超声波,另 一方面可用于接收从界面、缺陷返回的 超声波。

    (2)超声波的产生
    如果对压电材料施加交变电压,材料将产生交替 的压缩和拉伸,由此产生振动,振动频率与施加的交 变电压的频率相同。如果施加的电频率在超声波频率 范围内,则所产生的振动是超声波的振动。如果把振 动耦合到弹性介质中传播,则在弹性介质中传播的波 即为超声波。 可见,超声波的产生是利用压电材料的逆压电效应, 把电能转变为超声能的过程。

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    二. 超声检测设备
    (一)超声探头
    超声探头主要由压电晶片及外壳组成,可发射和 接收超声波,是超声信号转换的重要元件。 探头通常分直探头、斜探头、表面波探头及可变 角、聚焦、浸液探头,还有其它特殊探头。 1、直探头 直探头又称平探头,可发射接收纵波,它由压电 晶片、?;つ?、阻尼吸收块、外壳和接插电极等组成。

    (一)超声探头

    直探头

    (一)超声探头
    1、直探头 (1)?;つ?br />因直探头直接与工件接触,并在工件上移动,因此 需加上耐磨的?;つ?,以?;ぞ皇苣ニ?。 ① 保 护 膜 的 厚 度:最 好 为 超声波在 ?;?膜 材料中 波 长 的 1/2的整数倍,这时声波穿透率最大。 ②?;つさ纳杩筞:应与晶片的声阻抗Z1 和工件的声阻 抗Z2相匹配。最佳?;つど杩梗?br />
    (一)超声探头
    1、直探头 (2)吸收块(阻尼块) 由于施加于晶片的电脉冲停止后,压电晶片 会因惯性而继续振动,加吸收块后能把晶片四 周(除向工件发射面外)的声能吸收掉,使电 脉冲停止后,晶片很快停止振动。吸收块主要 通过两个方面吸收声能: ①通过某些吸声系数大的材料,用它的内耗来耗 损声能。 ②使声波产生漫散射而使声能耗损。

    Z = Z1Z 2

    (一)超声探头 1、直探头
    (3)外壳 为使 声波 垂直 入射到 工件中去 ,探头外壳 的中 心轴 应垂直 于晶片表面。 (4)压电晶片 压电晶片 由不同的压电材料制成。根据对所 需材料和所需 声场的不同要求,压电晶片可做成不同尺寸。直探头大部分 压电晶片做成圆形片状。 晶片的厚度决定了振动频率,厚度与振动频率的乘积为一常数。 晶片的直径和频率又可以决定超声场的半扩散角和近场长度。 晶片两面敷有银层,作为电极,并有“+”、“-”之分。 晶片两面的平行度直接影响晶片的振动性能。

    (一)超声探头
    2、斜探头 斜探头有横波探头、表面波探头及板波探头。 ∵产生纵波容易,而且转换效率高, ∴ 在 超 声波 探 伤 中 需 要 其 它 波 型 时, 先获 得 纵 波,然后利用波型转换来得到其它波型。 斜探头是考虑斜楔对波型转换的作用原理后, 利用纵波在斜楔与工件界面上的波型转换而在 工件中产生所需要的波型的一种探头。

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    (一)超声探头
    2、斜探头 横波探头 在工件中激发横波,同时接收工件中返回的横波。 表面波探头 在表面上激发表面波,同时接收表面波。 板波探头 在板材中激发板波。 这几种探头的共同特点是在发射纵波的晶片与工 件之间加进一个斜楔 。

    (一)超声探头
    2、斜探头

    (一)超声探头
    2、斜探头 斜探头主要考虑两个方面: (1) 使工件中获得所需的波型及足够的声能。 (2) 不能由于斜楔的存在使杂波增加而影响缺 陷回波的判断。 斜楔上晶片接触的表面与工件接触的表面的夹 角为探头的夹角。即超声波入射到工件中的入 射角。入射角一般在第一临界角到第二临界角 之间,斜楔的角度也可以这样计算:

    (一)超声探头
    2、斜探头
    α = sin ?1 CL1 CS 2 K2 K 2 +1

    式中K为常数,一般取K=1,1.5,2,2.5。

    CL1

    ——有机玻璃中纵波声速。 ——被检材料中横波声速。

    CS 2

    (一)超声探头 斜 探 头 所 用的 斜 楔 一 般 都 用有 机 玻 璃 制 成,其纵波声速2730m/s。 钢中横波声速:3230m/s。 铝中横波声速:3080m/s。
    入射角与折射角的关系: 有机玻璃入 射角 钢中横波折 射角 铝中横波折 射角 30° 36.2° 34.4° 40° 49.5° 45.5° 45° 57° 53° 50° 65° 60° 55° 75° 69.5°

    (一)超声探头
    3、水浸探头
    探头 采 用 水 浸 型 式 可 以 获 得 稳定的声 耦 合 , 能 满 足超声波自动检测的需要。 水 浸 探头的外 形 与直探头 相 仿。外壳 可 以长 一些 ,可 以 不 用 保 护膜 ,可 以使 压电 晶片 暴露 在水 中, 但 需解 决两个新问题: ①对于会产生潮解的压电晶片必须考虑封闭问题。 ②由于晶片与水直接接触,二者声阻抗相差极大 (33:1.5),只有17%的声能传入水中,为提高水浸探 头辐射到水中的声能,可在压电晶片前覆盖一层匹配 介质(碘酸锂)。

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    (一)超声探头
    4、组合探头
    组 合 探头 是 指 两 片 晶 片组 合 在一个 探头 中 。 二 个以 上的 探头 组合 在一 个装 置 中 ,可 组 成 不同 用途 的 组合 探头。

    (一)超声探头
    4.组合探头

    (1)接触式纵波双晶探头
    接触式纵波双晶探头是两个纵波单探头的组合。一个 用于发射一个用于接收,发射电脉冲不再进入接收电 路,收、发脉冲都有各自的延迟块,而且两延迟块的 声束入射平面均带一倾角,倾角的大小则取决于要探 测区域离探测面的深度。这种探头有声能集中区,可 以提高须探测区内缺陷探测的灵敏度,提高信噪比。

    组合探头结构示意图 1-隔离层 2-发射晶片 3-延迟块 4-接头 5-外壳 6-屏蔽 7-接收晶片 8-声压 9-深度

    (一)超声探头
    (2)接触式横波双晶探头
    接触式横波双晶探头是将两个横波斜探头向中偏一个 内倾角构成的,也是利用声能集中区提高信噪比。

    (一)超声探头
    液浸式聚焦探头结 构示意图
    1-接线 2-压电晶片 3-接头 4-外壳 5-支架 6-阻尼块 7-声透镜

    5. 聚焦探头
    (1)液浸聚焦探头 液浸聚焦探头是在液浸探头的晶片平面上加上声透镜 构成的,其特点: 在聚焦区内超声束宽度减??;而声强增大。

    (一)超声探头
    (2)接触式聚焦斜探头 接触式聚焦斜探头种类有:透镜式、反射式、 曲面晶片式三种。 其主要特点: 对聚焦区范围内的缺陷检测能力强。曲面晶片 聚焦探头的效果最好,但制作难度大、价格昂 贵。

    (一)超声探头

    聚焦探头 a)透镜式聚焦探头 b)反射式聚焦探头 c)曲面式聚焦探头

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    (一)超声探头 6. 其它探头
    除上面介绍的几种探头外,还有可变角探头、 表面波探头、充水探头、轮式探头、微型探头、 内孔探头等等。 最新出现的探头是薄膜探头,这种探头具有高 电压常数、高柔顺性,可用于工件为任何形状 的表面。其主要特点:灵敏度高、声阻抗低、 密度低质量轻、易于加工、性能稳定。 用环氧树脂PVF2压电薄膜粘到一根细长的铜棒 上组成。

    (一)超声探头 7. 非接触式涡流探头
    这是一种利用电磁技术激发产生超声(涡流 声)的探头。 其主要特点: 不需与工件直接接触; 不需用耦合剂就可将超声传入工件。

    (二)试块
    1.试块的作用 (1)确定检测灵敏度:超声检测的灵敏度太高杂波多、判伤 困难,太低会引起漏检。用试块上某 一人工反射体 来调整检测灵敏度。 (2)测试仪器和探头的性能; (3)调整扫描速度:用试块调整仪器示波屏上水平刻度与实 际声程之间 的比例关系,即扫描速度, 以便对缺陷进行定位。 (4)评判缺陷大?。豪檬钥榛娉鼍嗬耄ǚ绷壳叨?缺陷定量分析。

    (二)试块
    2.试块的分类 (1)按试块来历分:
    标准试块:是指材质、形状、尺寸及表面状态等均有某 些权威机构的试块制定; 参 考 试 块 : 是 指由 各 部 门 按 某 些 检 测 对 象制 定的 试 块;

    (2)按试块上人工反射体分:
    平底孔试块:试块上加工有底面为平面的平底孔; 横孔试块: 试块上加工有与探测面平行的横孔; 槽型孔试块:试块上加工有三角尖槽或矩形槽。

    (三)超声波检测仪 1.超声检测仪概述 1)仪器的作用 超声波探伤仪是超声检测的主要设备, 其作用是产生电振荡并加于换能器(探 头)上,激励探头发射超声波,同时将 探头送回的电信号放大,用一定方式显 示出来,从而得到被检工件内部有无缺 陷及缺陷位置和大小等信息。

    (三)超声波检测仪 1.超声检测仪概述
    2)仪器的分类 (1)按超声波的连续性分类: a.脉冲波检测仪: 通过探头向工件周期性地发射不连续且频率 不变的超声波,根据波的传播时间及幅度来判 断工件中缺陷位置及大小。

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    (三)超声波检测仪 1.超声检测仪概述
    b .连续波 检测仪 :通过探头向工件发射连续且 频率不变的超声波,根据透过工件的超声波的 能量变化判断工件中有无缺陷及缺陷的大小。 这种仪器灵敏度低,不能确定缺陷位置。在超 声显像及共振测厚等仍有应用。 c.调频波检测仪:通过探头向工件发射连续且 频率周期性变化的超声波。根据发射波与反射 波的差频变化来判断工件中有无缺陷。只适合 于检测与探测面平行的缺陷,目前很少用。

    (三)超声波检测仪 1.超声检测仪概述 (2)按缺陷显示方式分:
    ①A显示检测仪 ②B显示检测仪 ③C显示检测仪 目前常用的为A型显示脉冲反射式探伤仪。

    (三)超声波检测仪

    (三)超声波检测仪 1.超声检测仪概述 (3) 按超声波的通道分:
    a. 单通道检测仪 b. 多通道检测仪

    (4) 按信号类型分
    a. 模拟信号检测仪 b.数字信号检测仪
    超声检测仪缺陷显示示意图 (a) A显示 (b) B显示 (c) C显示

    (三)超声波检测仪
    2.A型脉冲反射式超声波检测仪 (1)A型显示的基本原理 以显示器的x坐标为超声波的传播时间,y坐标为 超声波的反射幅度,这种显示方式叫A型显示。 设:试件厚度为t,探伤面到缺陷的距离为x。从反 射脉冲(始波T)到缺陷波F的长度 LF ,到底波B的 长度 LB ,则

    (三)超声波检测仪

    x LF = t LB

    可由上式确定缺陷的位置。

    A型显示示意图

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    (三)超声波检测仪
    (2)A型检测仪的基本构成和工作原理

    (三)超声波检测仪
    (2)A型检测仪的基本构成和工作原理
    同步电路 周期性同步脉冲信号 发射脉冲 探头 脉冲超声波 回波 探头 电脉冲振荡 高频放大检波 视放 示波管y偏转板 同步电路 周期性同步脉冲 扫描发生器 线形锯齿波 扫描放大 视波管x偏转 板 从左到右x扫描线(时基线)

    A显示超声波检测仪工作原理框图

    (三)超声波检测仪 (3) A型检测仪的主要性能指标: a. 灵敏度:在规定深度下能检出的最小缺 陷; b.盲 区:由探头到能够探测出的缺陷的最 小距离; C.纵向分辨率:声波屏上能把距探头不同距 离的两个相邻缺陷区别开来的能力; d. 横向分辨率:声波屏上能把距探头相同距 离的两个相邻缺陷区别开来的能力;

    (三)超声波检测仪 (3) A型检测仪的主要性能指标:
    垂直线性:表示A型探伤仪输入的回波幅度和 声波屏上显示的回波高度成正比关系的程度; f.水平线性:电子束扫描电压(或探测距离)与时 间成正比关系的程度; g.探测深度:在被测屏上能获得一次底面反射的 超声波的最大传播距离; h.动态范围:回波高度从垂直极限的80%衰减到 消失(一般约小于1mm)时对仪器加入的衰减量。 e.

    (三)超声波检测仪
    3.平面显示超声波检测仪

    (三)超声波检测仪

    平面显示可对缺陷的几何形状作出判断。 有B型显示、C型显示。
    (1)平面显示超声波检测仪的工作原理

    a.B型显示:B型显示在屏幕上显示与声束 平行,且位于探头正下方的一个声像其 缺陷信号幅度用亮度表示。 B型显示的方框图如下:
    B显示方框图 1-显示, 2-工件, 3-探头, 4-缺陷, 5-机械同步

    36 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (三)超声波检测仪 B显示的工作原理:
    ?1、扫描电路 → 锯齿波 → 示波管 y偏转板 ? ?2、探头发射超声波 → 随探头位置改 变而 ? 同步信号触发电路 ?变动的电位加到 x偏转板 → 以进行方位扫 ?描 → 探头接收超声波 → 幅度放大 → 示波 ? ? ?管栅极进行亮度调制

    (三)超声波检测仪 b. C型显示 C型显示也是一种平面显示,屏幕上显示 与声 束 轴线垂直、 且与 探头 有一定 距离 的横断面声像。C型显示一般由:同步、 反 射 、放大、与门 、闸门、平 面显 示器 与机械同步组成。 关键:探头对工件的机械扫描分量(x,y) 必须与显示器的电子扫描(x,y)同步。

    为了完成B扫描,必须使探头对工件的机械扫描与显示器 的x轴扫描同步。

    (三)超声波检测仪

    (三)超声波检测仪
    (2)平面显示超声波检测仪的性能

    a.灵 敏 度:同A显示,指探伤仪对最小缺 陷的发现能力; b.分 辨 力:区分两相邻缺陷的能力; c. 动态范围:屏幕上最亮信号幅值与最暗 信号幅值的亮度比; d.线 性:图像失真的大??; e.清 晰 度:图像的清晰程度; f.成像时间:平面显示一幅图像的时间。
    C型显示方框图 1-显示, 2-工件, 3-探头, 4-缺陷, 5-机械同步

    (三)超声波检测仪
    (3)准三维显示 技术

    (三)超声波检测仪
    各种显示的基本特点
    特点 显示内容 类型 A型显示 B型显示 C型显示 准三维显示 缺陷当量大小 缺陷纵剖面声像 缺陷横剖面声像 缺 陷 三 维 空 间声 像 显示成像时间 最 较 最 快 慢 慢 机械扫描范围 不 用

    B、C显示的缺点是:对缺陷的深度和空间 分布不能一次记录成像,准三维显示 把B、C显示相结合产生一个准三维的投 影图象,表示缺陷在空间的特征。 其最大的优点:可显示缺陷的形象。 其最大的缺点:成像时间慢 。

    一维空间 两维空间

    37 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (四)仪器与探头的选择
    1.检测仪选择 (1)定位精度要求高的情况:选择水平线性误差小的仪 器; (2)定量精度要求高的情况:选择垂直线性好、衰减器精 度高; (3)大型零件检测:选择灵敏度余量高、信噪比高、功率 大; (4)需有效发现近表面缺陷和区分相邻缺陷:选择盲区小、 分辨率好; (5)室外现场检测:重量轻、荧光屏亮度好、抗干扰能力 强、便携式。

    (四)仪器与探头的选择
    2.探头选择 探头的选择包括: 探头形式、频率、晶片尺寸、斜探头的K值等。 选择依据: 检测对象的形状、衰减、技术要求等。 (1)探头类型选择: 一般根据工件形状、可能出现的缺陷部位、方 向等条件选择探头。

    (四)仪器与探头的选择
    2.探头选择 (1)探头类型选择: 纵波探头只能发射接收纵波,波束轴线垂直于探 测面,主要用于探测与探测面平行的缺陷,如 锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。 横波探头主要用于与探测面垂直或成一定角度的 缺陷,如焊缝中的未焊透、夹渣、未溶合等缺 陷。 表面波探头用于探测工件表面缺陷 双晶探头用于探测近表面缺陷 聚焦探头用于水浸探测管材或板材

    (四)仪器与探头的选择
    (2)探头频率选择 超声检测频率在0.5~10MHz之间,选择范围大,选择 时应考虑下列因素: a.由于波的衍射,使超声波检测灵敏度约为 λ /2,提 高频率有利于发现小的缺陷; b.频率高,脉冲宽度小,分辨力高,有利于区分相邻缺 陷;

    (四)仪器与探头的选择
    (2)探头频率选择
    c.由
    ?1

    (四)仪器与探头的选择
    (2)探头频率选择 频率的高低对检测有较大的影响,一般在保证 检测灵敏度的前提下尽可能选择较底的频率。 对晶粒较细的锻件、轧制件、焊接件等,一般选 用较高的频率,常用2.5MHz~5MHz; 对晶粒较粗的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频 率,常用0.5MHz~2.5MHz。 如果频率过高,会引起严重衰减,示波屏上出现 林状回波,信噪比降低,甚至无法检测。

    λ? λ? ? ? θ = sin ? 0.61 ? = sin ?1 ? 1.22 ? a? D ?可知,频率高、波长短、 ? ?

    指向性好,有利于发现缺陷并对缺陷定位; d.由
    N ≈ D 2 4 λ

    可知,频率高、波长短、近场

    区长度大,对检测不利; e.疲劳增加,衰减急剧增加。

    38 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (四)仪器与探头的选择
    (3)探头晶片尺寸的选择
    探头圆晶片尺寸一般为?10~?30 ,晶片大小对检测也有 影响,选择时主要考虑以下因素: λ? λ? ? ? a.由 θ = sin ?? 0.61 a ?? = sin ??1.22 D ?? 可知,晶片尺寸增加,半扩散角 减小,声束指向性好,超声波能量集中,有利于检 测; 2 b.由 N ≈ D 可知,晶片尺寸增加,近场区长度增
    ?1 ?1

    (四)仪器与探头的选择
    (3)探头晶片尺寸的选择 所以,在实际检测中: 检测面积范围大的工件时,为了提高检测效率, 宜选用大晶片探头; 检测厚度大的工件时,为有效地发现远距离的缺 陷,宜选用大晶片探头; 检测小型工件,为了提高缺陷定位定量精度,宜 选用小晶片探头; 检测表面不太平整、曲率较大的工件时,为了减 少耦合损失宜选用小晶片探头;



    加,对检测不利; c.晶片尺寸大,辐射超声波能量大,探测未扩散区扫查范 围大,发现远距离缺陷能力增强。

    (五)耦合与补偿
    1.耦合剂
    超声耦合是指超声波在探测面上的声强透射率,声强透 射率高,超声耦合好。为了提高耦合效果,在探头与 工件表面之间施加一层透声介质称为耦合剂。 作用:排除探头与工件表面之间的空气,使超声波能有 效地传入工件,达到检测目的。同时,耦合剂可以减 少摩擦。 耦合剂应满足的要求: a.能湿润工件与探头表面,流动性、粘度、附着力适当; b.声阻抗高,透声性能好; c.来源广,价格便宜; d.对工件无腐蚀,对人体无害,不污染环境; e.性能稳定,不易变质,能长期保存。

    (五)耦合与补偿
    2.影响声耦合的主要因素
    (1)耦合层厚度 (2)表面粗糙度 (3)耦合剂声阻抗 (4)工件表面形状

    3.耦合损耗的补偿
    设工件与试块表面耦合差补偿为ΔdB ,补偿方法: 先用“衰减器”衰减ΔdB ,将探头置于试块上调好灵敏 度,然后,再用“衰减器”增益ΔdB (即减少ΔdB 衰减 量),这时耦合损耗得到补偿,试块与工件上相同反 射体回波高度相同。

    三.超声波检测方法
    (一)超声检测方法分类

    在超声检测中,由于使用的波型、发射 和接收方法、信号的显示方法、探头与 工件的耦合的特点、工件形状和缺陷类 型等都不相同,所以超声检测方法可以 按不同的归纳方式分类。 常用的金属探伤方法如下:

    39 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (二)共振法
    一定波长的声波,在物体的相对表面上反射,所发 生的同相位叠加的物理现象称共振,应用共振现象来 检验工件的方法称共振法。 用共振法测厚的关系式为:

    (二)共振法
    优点:设备简单,测量精确。 应用:测壁厚,复合材料如胶合质量,板材点焊 质量,均匀腐蚀,板材内部夹层缺陷等。

    δ =
    f——超声波的频率;

    nλ nc = 2 2 f
    ——共振次数(半波长的倍数)。

    n

    c ——试件中的超声波声速;
    λ
    ——超声波波长;

    δ

    ——试件厚度;

    (三)穿透法
    1.方法: 将两个探头分别置于工件的两侧。一个探头发射 的超声波透过工件被另一面的探头接收,根据 接收到的能量大小判断有无缺陷。
    工件内无缺陷:超声波透过工件后衰减小,接收探头 接收到的能量大; 工件内有缺陷:超声波被缺陷遮挡,缺陷将部分或全 部阻止超声波能量达到接收探头, 在缺陷后形成声影区。 当缺陷较小时由于声波在缺陷边缘会产生绕射,如图 缺陷后不变的距离St 可由下式求得:

    (三)穿透法
    St = ?2 4λ 式中: ?--缺陷的直径; λ--波长

    缺陷后形成的声影 1-发射探头,1-接收探头,3-缺陷,4-缺陷后形成的声影

    (三)穿透法
    (1)连续波穿透法

    (三)穿透法
    (2)脉冲波穿透法

    连续波穿透法 1-连续波高频发生器,2-发射探头,被测工件,4-缺陷,5-接收探头,6-放大器,7-电流表

    脉冲波穿透法 1-脉冲波高频发生器,2-发射探头,被测工件,4-缺陷,5-接收探头,6-放大器,7-荧光屏

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    (三)穿透法
    2.穿透法的优缺点 优点: a.适于探测薄工件的缺陷和衰减系数较大的匀 质材料工件; b.设备简单,操作容易,检测容易、快; c.对形状简单,批量较大的工件容易实现连续 自动探测。 缺点: a. 不能探测缺陷的深度; b. 探伤灵敏度较低; c.对反射、接收探头的相对位置要求较高。

    (四)脉冲反射法
    脉冲反射法是目前应用最广泛的一种超声波探伤方法。 原理: 将 具 有一定 持 续 时间 和 一定 频率间 隔 的 超 声 脉冲 发 射 到 被 测 工件 , 当 超声波在 工件 内 部 遇到 缺陷 时,就 会产生 反 射, 根 据 反射 信号 的大小 及 在显 示屏 上的位 置可以判断缺陷的大小及深度。 优点: a、通过改变入射角的方法,可以发现不同方位的缺陷; b、利用表面波可以检测复杂形状的表面缺陷; c、利用板波可以对薄板缺陷进行探伤。

    (四)脉冲反射法
    1.直接接触纵波脉冲反射法 直接接触纵波脉冲反射法是探头垂直或小于第

    (四)脉冲反射法 插图

    一 临 界 角的 入 射角 度耦 合到 工 件上,在 工 件 内部 只产生 纵波。 主要 用于: 板材 、 锻件、铸件、复合材料的探伤中。 a、一次脉冲反射法 当工件中无缺陷时: 只有始波T,底波B 当工件中有小缺陷时:显示屏上有始波T, 缺陷波F,底波B。 当工件中有大缺陷时:只有T与F。

    直接接触纵波一次脉冲反射法 1-探头, 2-缺陷, 3-工件 , 4-荧光屏

    (四)脉冲反射法
    b、多次脉冲反射法
    是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤,在显示 屏上出现高度逐次递减的多次底波,用于探测吸收性 缺陷(如疏松等),声波穿过缺陷不引起反射,但声波衰 减很大,几次反射后由于声源耗尽使底波消失。

    (四)脉冲反射法

    带有吸收性缺陷直接接触纵波多次脉冲反射法

    直接接触纵波多次脉冲反射法· 1-探头 2-缺陷 3-工件

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    (四)脉冲反射法
    c、双探头脉冲反射法 与单探头类似,一个发射一个接收。 优点:盲区小,分辨率高。

    (四)脉冲反射法
    2.斜角探伤法
    用 不 同角 度的 探头 在 工 件中产生 横 波、表 面 波、 板 波 等 探伤的方法称斜角探伤法。 优点:a.可对直探头探测不到的缺陷实行探伤。 b. 可改变入射角来发现不同方位的缺陷。

    直接接触纵波组合双探头脉冲反射法· 1-接收探头 2-发射探头 3-遮挡片 4-缺陷 5-工件

    斜角探伤中横波在工件内的反射

    (四)脉冲反射法
    (1)横波探伤法 当纵波入射时,若有机玻璃楔块的入射角大于 第一临界角, 有机玻璃纵波声速 α 1 = sin ?1 工件纵波声速 小于第二临界角,
    α 2=sin ?1 有机玻璃楔块纵波声速 工件横波声速

    (四)脉冲反射法

    工件中只有横波传播。

    横波斜角探伤

    (四)脉冲反射法
    (2)表面波探伤法
    当有机玻璃楔块入射角满足下式时,形成表面波

    (四)脉冲反射法

    α 2 < α R = sin ?1

    C L1 C R2

    αR
    C R2

    ——产生表面波的入射角 ——工件中表面波的声速

    C L1 ——楔块中纵波的声速

    轴类表面波探伤

    42 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (四)脉冲反射法 (3)板波探伤法 当斜探头的入射角α p符合下式时,薄板 中产生兰姆波
    α p = sin ?1 C L1 C p2

    (四)脉冲反射法

    C L1 ——楔块中的纵波声速
    C p 2 ——薄板中的兰姆波声速 可用于薄板、薄管的探测。
    兰姆波探伤

    四. 超声波检测方法的应用
    (一)焊缝的超声波探伤
    1.焊缝中常见缺陷: 焊缝焊缝 中常 见 缺陷 有: 气孔 、 夹 渣、 未焊 透、 未溶 合、 裂纹。 2.探查方法:前后扫查、左右扫查、斜平行扫查、W型扫 查、定点转动扫查、摆动扫查、串列扫查 3.探测条件选择: 1)耦合剂:机油、甘油、水、化学浆糊 2)频率选择:2~2.5MHz 3)探测灵敏度:

    (二)板材探伤 1.板材的缺陷: 表 面缺陷、内部缺陷。超 声波探伤的主 要 对 象 是 内部 缺 陷。 常见 的内 部 缺陷 有: 夹层、分层、白点、裂纹。
    2.探伤方法:

    按照厚度进行分类: 厚板一般用纵波探伤; 薄板一般采用板波探伤(厚度在6mm以 下)

    (三)铸锻件的超声检测 1.铸件的超声检测 (1)铸件的特点 a.铸件内部组织不均匀,晶粒比较粗大; b.组织不致密; c.表面比较粗糙、形状比较复杂; d.缺陷的种类与形状复杂。

    (三)铸锻件的超声检测
    (2)铸件的超声检测的特点 a.超声波的可穿透性差:粗大的晶粒、不均匀的 组织、复杂的界面都会增加超声波的散射,使 超声波的能量衰减变大,减小可探测厚度。 b.杂波干扰:超声波在不均匀、不致密、粗大晶 粒界面上散射时的信号强度很大,并被探头接 收,在荧光屏上显示为杂乱的林状回波。 c.缺陷的定量评定困难

    43 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    (三)铸锻件的超声检测 (3)检测方法 a.厚度较大、表面光滑的铸件,采用纵波 检测,当缺陷取向不能用纵波有效检测 的关键部位,可采用横波检测; b.厚度不大、表面不很光滑的铸件,采用 纵波检测,观察一次底面回波与二一次 底面回波之间是否有缺陷回波。 c.厚度较薄、材质均匀的铸件,采用多次 回波法检测。 d.厚度特大的铸件,采用分层检测。

    (三)铸锻件的超声检测
    2.锻件的超声波 (1)轴类锻件检测 a.径向检测,用纵波直探头,可发现轴向缺陷; b.轴向检测,用纵波直探头,可发现与轴线垂直 的横向缺陷; c.斜探头周向检测,可检测出呈径向的单片缺 陷; d.斜探头轴向检测,当轴较长,从端面直探头测 横向缺陷时,如果存在灵敏度不足,可采用斜 探头检测。

    (三)铸锻件的超声检测
    (2)饼类锻件检测 饼类锻件的检测部位一般选择其中心; 饼类锻件的缺陷一平行于端面的居多,所 以常采用直探头在端面上进行探测。 (3)筒类锻件的检测 斜探头周向检测,主要检测发现径向缺 陷; 斜探头横向检测,主要检测发现横向裂纹。

    §5.4 声发射检测技术
    一.概述 1.声发射 声发射(Acoustic Emission, 简称AE)检 测技术是一种评价材料或构件损伤的动 态无损检测技术。 声发射检测技术就是通过对声发射信号的 测量、处理、分析来评价缺陷的发生、 发展规律,并确定缺陷的位置。

    一.概述
    1.声发射 物体在外力作用下,缺陷或异常部位因应力集中而产生变形 或断裂,并以弹性波的形式释放出应变能的现象称作声发 射。 声发射的频率范围很宽,从次声、可听声到超声(5×107Hz 左右)。 声发射幅值差异很大,从几微伏~几百伏。 按声发射的振荡形式不同,声发射可分为: 连续型声发射:由一系列低幅连续信号构成,主要与塑性变 形有关; 突 发型 声发 射: 由高幅度的不 连续 、持 续时间 很短 的信号 构成,与裂纹的形成、扩展有关。

    一.概述

    44 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn ??

    一.概述
    2.声发射检测技术

    一.概述
    3.声发射检测技术的特点 1.声发射检测是一种动态无损检测技术; 2.声发射检测不受材料限制 ; 3.声发射检测灵敏度高 ; 4.声发射检测可实现实时动态检测; 5.声发射检测可对大型构件实行整体检测。

    用仪器检测、分析声发射信号并确定 声发射源的技术称声发射检测技术。 多数金属材料塑性变形或断裂时都有 声发射信号,但声发射信号的强度一般 很弱,需借助于灵敏度好的传感器才能 检测出来。

    一.概述
    4.声发射检测技术的应用范围 1)压力容器的安全性评估; 2)机械制造过程监控; 3)复合材料特性研究; 检测 纤 维或 纤 维 束的 断 裂及 丝 束断 裂载 荷 分 布,从而评价其质量,区分复合材料层板不同 阶段的断裂特性; 4) 结构完整性评价; 5)焊接构件疲劳损伤检测; 6)泄漏检测。

    一.概述
    5.声发射检测技术的优点与局限性

    1)优点 (1)对裂纹的遥测和定位; (2)测量系统可很快设置; (3)灵敏度高 (4)对测试目标只要求有限地接近; (5)可检测活动裂纹; (6)只需相对小的负载; (7)有时能预报毁坏负载。

    一.概述
    5.声发射检测技术的优点与局限性

    二.声发射产生机理
    到 目前还不能直接测到从 声发射源发出 的 原始 声发射 信号, 这给 声发 射 源的 研究 带来一定的困难。 应 用声发射技术进行检测 时,其目的就 是 找 出 声发射 源 的位 置, 了解 它 的性质, 判断它的危险性。 研究表明,已知很多机构都能成为声发 射源。如位错运动、孪生、相变、畴界、 晶界、裂纹的形成与扩展直至断裂、摩 擦、磨损、泄漏等。如表1所示。

    2)局限性 (1)结构必须承载; (2)与材料密切相关; (3)测量会受到不明电噪声和机械噪声的干 扰; (4)定位精度有限; (5)对裂纹类型只能给出有限信息; (6)有时难以解释测量结果;

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    二.声发射产生机理
    1.位错运动与塑性变形 加载物体产生变形时,总应变能由两部分组成: a.弹性变形能。所产生的变形在卸载后恢复; b.塑性变形能:Ep=Ei+E, 其中:Ei为位错运动和其它缺陷的塑性变形而储 存在材料内部的内能, E为释放的声能,占Ep的绝大部分,是由 位错引起的。

    二.声发射产生机理
    1.位错运动与塑性变形
    滑移变形是金属塑性变形的一个基本机构,滑 移的过程是位错运动。 当位错以足够高的速度运动时,位错周围存在 的局部应力场就成为产生声发射的条件。

    二.声发射产生机理
    1.位错运动与塑性变形
    由图可以 看到:位 错使周围 的原子排 列发生畸 变,在外 切应力的 作用下, 刃型位错 沿滑移面 运动。
    刃型位错的结构

    二.声发射产生机理
    单个位错的声发射由于能量很小难以测出,Garpenter 等人认为:声发射率与晶体内可动位错的密度变化有 关,他们得到的声发射计数与可动位错的密度的关系 为:

    二.声发射产生机理
    2.裂纹的形成与扩展

    dN dA m = 10 ? 4 dt dt

    式中:

    dN dt

    ――单位时间的声发射计数,即声发射计数率;

    Am――可动位错的密度。

    裂纹 的 形 成 和 扩 展 是一 种 主 要 的声发 射 源 , 它 与材料 的塑 性变 形有关。一 旦裂 纹 形 成,材料 局部 应力 集中 得 到卸载而 产生声发射。 材料的断裂过程可以分为三个阶段: a. 裂纹形成; b. 裂纹扩展; c. 最终断裂。

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    二.声发射产生机理
    ? 3 .塑性变形的声发射
    1) 屈服效应

    二.声发射产生机理
    ? 3 .塑性变形的声发射
    2)不可逆效应——凯赛尔效应

    材料在屈服区会出现明显的声发射峰, 材料在屈服变形后会产生断裂。 对塑性材料可根据材料屈服点附近的声 发射峰,对将要产生的断裂实行预报警。 对脆性材料,在屈服变形之后很快就断 裂,可供预报的时间很短。

    因为金属塑性变形不可逆,所以声发射也不可 逆。当试件第一次受力卸载时,再次以同样的 方式加载,在达到以前受力的最大载荷前不出 现声发射这种现象称不可逆效应(或凯塞尔效 应)。不可逆效应可用于: 试验检测到的声发射信号的真实性,排除外界干 扰; 推断材料受过的最大应力。

    三.声发射的传播
    固 体介 质 内 部 变 形 时, 不 但产生体积变 形 , 而且产生 剪 切 变 形 , 激发 纵 波 和横 波, 当传 播 到 不同 介质 之 间的 界 面 时 还 会产生 反 射与 折 射 ,从 而产生波 型转 换,同 时出现纵波与横波,还可能出现表面波。 若半无限大固体中的某一点产生声发射,当达到表面 某一点时,纵波、横波、表面波先后相继到达,互相 干涉呈现复杂的模式。

    三.声发射的传播
    循轨 波 : 在 实 际 应 用 中 , 固 体 中 某 一 点 的声发 射,在传播过程中两个界面的多次反射,每次 反射都要发生波型转换,这种方式传播的波称 为循轨波,循轨波的传播速度接近横波。 循轨波的另一个性质是:频率不同的波传播速度 不同引起的频散现象。 假定在声发射源形成一个简单的脉冲,在有限 介质中传播一定距离后,波形变钝,脉冲变 宽,并分离为几个脉冲,先后达到表面某一点。 下图是厚度为12.7mm的钢板中传播760mm后波 形分离现象。

    半无限大物体内声发射波的传播

    三.声发射的传播

    四. 声发射信号的特征参数
    声发射信号的特征参数有: 声发射的振铃计数与计数率; 事件计数与计数率; 幅度及其分布; 能量和及其分布; 有效值; 波形的上升、下降与持续时间; 到达的时间差等。

    循轨波的传播

    传播引起的波形分离 a.原始波形 b传播760mm后的波形

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    四. 声发射信号的特征参数
    1.声发射事件与振铃的计数率和总和

    四. 声发射信号的特征参数

    (1)事件计数法 事件:一个突发 型声发射 信号即为一 个 事件。 事件计数:突发型声发射信号经包络检 波后其波形超过阈值电压部分所形成的 脉冲计数称为事件计数。
    事件计数法

    四. 声发射信号的特征参数
    1.声发射事件与振铃的计数率及总和 事件计数率 :单位时间的事件计数。 事件总和:事件计数的累加之和。 事件计数率与事件总和表征声发射的活性大小。 (2)振铃计数法 振铃计数:声发射信号超过阈值部分所形成的 脉冲计数称为振铃计数。 声发射率:单位时间的振铃计数。 事件振铃数:一个事件的振铃计数。

    四. 声发射信号的特征参数

    振铃计数法

    四. 声发射信号的特征参数
    1.声发射事件与振铃的计数率和总和
    一个声发射事件可近似地用指数衰减的余弦波来表示。

    四. 声发射信号的特征参数
    1、声发射事件与振铃的计数率和总和
    一个声发射衰减波形如图

    V = V p e ? βt cos ωt
    式中:

    V——瞬时电压 V p——峰值电压
    β ——衰减系数

    t ——时间 ω ——角频率

    一个声发射衰减波形

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    四.声发射信号的特征参数
    1、声发射事件与振铃的计数率和总和 设阈值电压为 Vt ,则:
    1 f0 1 f0

    四.声发射信号的特征参数
    1、声发射事件与振铃的计数率和总和 对于突发型声发射,若声发射能量越大, 峰值Vp也越大,声发射率
    dN

    Vt = V p e

    ? βn

    cos( 2π f 0 n
    Vp f0 ln Vt β

    ? βn 1 ) = Vpe f0

    dN 也随之增 dt

    一个事件的振铃计数为:

    加,所以可以由 dt 表示声发射能量的大 ??; dN 对连续型声发射, 表示发生声发射次 dt 数的频度。

    n =

    如果在单位时间内有m个事件,则声发射率为:

    m dN = ∑ ni dt i =1

    ni ——第i个事件的振铃计数

    四.声发射信号的特征参数
    2、幅度及其分布

    四.声发射信号的特征参数
    2.幅度及其分布
    设:声发射仪主放大器的饱和输出电压为Vs,将其分为R 个振幅等级,得基准电压为 :

    V0 =

    Vs

    R

    如果主放大器的输出信号V为:

    V = GV p e ? βt cos( 2π f 0 t )
    式中:G——放大器增益 Vp——传感器输出的峰值电压

    β――衰减系数
    声发射幅度分布

    四.声发射信号的特征参数
    2.幅度及其分布 令: x = GV p V0
    ,x为振幅比

    四.声发射信号的特征参数
    3、能量分析 能量分析反映了声发射源以弹性波形式释放的 能量相对大小。它是对放大器输出信号的电压 进行的。 瞬态信号的能量定义为:

    则振幅比在x ――x+dx间的事件数为:

    dF ( x) = f ( x) dx
    f(x)——峰值分布的谱函数 幅度分布的作用:可以明显地将塑性变形对应的连续型声 发射与裂纹开裂所对应的突发型声发射区别开来。

    E =

    1 R





    0

    V 2 ( t ) dt

    式中:R——测量电路的输入电阻; V(t)——瞬态信号的电压。

    49 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    四.声发射信号的特征参数 3、能量分析
    若用离散信号的方法,瞬态信号的能量?。?br />
    四.声发射信号的特征参数
    4、有效值电压
    有 效 值 电压 是 表 征 声发 射 信号 的 主 要参 数 之 一, 直 接 与 声发射能量有关。 若N(Vp)是以峰值电压为变量的幅度分布谱函数, 则有效值电压为: 1 ∝ 2 2 p p p 0

    E=

    ?t R

    ∑V
    i =1

    m

    2

    i

    式中:△t——采样间隔; Vi——第i点的电压; m ——采样点数。

    Vrms

    ? V N (V )dV ∫ =? ∝ ? ? ∫0 N (V p )dV p ?

    ? ? ? ? ?

    有效值电压多用于连续型声发射信号,例泄漏检测的分析。

    四.声发射信号的特征参数
    5、波形的时间参数

    四.声发射信号的特征参数
    5、波形的时间参数

    (1)上升时间 (2)持续时间 (3)下降时间(也称衰减时间) 6、到达时差△t 在多通道列阵之中,以第一个接收到声发射信 号的探头为参考,其它探头与第一个探头接收 同一个声发射源的信号所存在的时间差称为达 到时差△t。即各个探头所接收到信号的首次超 过阈值电压的时间差别。
    一个声发射事件的基本波形

    四.声发射信号的特征参数
    7.应用实例
    应用实例1:齿轮疲劳实验

    四.声发射信号的特征参数

    主试箱

    陪试箱

    疲劳寿命试验第一天,载荷为 714Nm,输入转速为800r/min,机器 运行状态良好时采集的声发射信号的 事件计数

    50 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    四.声发射信号的特征参数

    四.声发射信号的特征参数

    疲劳寿命试验第五天载荷稳定在714Nm, 输入转速为1450r/min时采集的声发射信号 的事件计数

    疲劳寿命试验第六天,稳定载荷为 714Nm,输入转速为1800r/min时采 集的声发射信号的事件计数(齿轮 出现故障)

    四.声发射信号的特征参数

    四.声发射信号的特征参数

    能量与转速和时间的关系

    RMS与转速、时间的关系

    主试箱内齿轮故障

    四.声发射信号的特征参数 应用实例2 :刀具磨损实验

    四.声发射信号的特征参数
    应用实例3:材料拉伸过程的声发射监测

    刀具良好状态时声发射 信号的能量变化

    刀尖损坏时声发射 信号的能量变化

    51 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    四.声发射信号的特征参数

    五.声发射源的定位方法
    在很多大型构件的故障诊断中 ,除了要知道缺 陷的 存在、强度、活动性等 ,常?;剐枰范?出缺陷 位置。 相同性质的缺陷在构 件上不同的位置, 相同位置 的不同性质的缺陷会对 构件产生不同的影 响。 确定缺陷的位置就是 声发射源定位。 声发射源定位是声发 射检测的重要内容 ,是提高 声发射技术实际应用水 平的一个关键。 因此,声发射源定位 技术成为了目前声发射技术 研究的热点之一。

    五.声发射源的定位方法
    1. 声发射源定位的方法和类型

    五.声发射源的定位方法
    (1)时差定位法 时差定位法根据同一声发射源所发出的声发射信 号到达不同传感器的时间上的差异以及传感器布 置的空间位置,通过它们的几何关系列出方程并 进行求解,可得到声发射源的精确位置。 可以同时布置多个传感器阵列,保证至少一个阵列 可以接收到AE信号。时差定位法假定材料声传播 各向同性,声速为常数。

    52 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    五.声发射源的定位方法
    (2)区域定位法 区域定位法不是通过求解方程组来确定声发射 源的坐标,而是根据接收到声发射源信号的传 感器个数和相对时差次序来判断声发射源所在 的小区域。 区域定位允许比时差定位更大的传感器间距, 但最大间距也不能超出传感器可以检测到的有 效范围,保证至少有一个传感器可以接收到信 号,这需要根据声发射波在材料中的衰减特性 确定。 区域定位不需要知道声发射信号在材料中的传 播速度。

    五.声发射源的定位方法
    区域定位过程中,不需要记录和计算时差,但需要记 录每个声发射信号到达每个传感器的顺序。当仅考虑 首次到达撞击信号时,可提供波源所在的主区域,而 该区域以首次接收传感器与临近传感器之间的中间点 连线为界。当考虑第二次或第三次到达撞击信号时, 可进一步确定主区域中的第二或第三分区。这样便可 逐次精确地判断声发射源的位置。
    主区 第一分区 第二分区 传感器

    五.声发射源的定位方法 (3)互相关定位法 连续信号的各种定位方式都有一定的优点 和不足。 互相关定位法是目前研究比较多的一种方 法?;ハ喙囟ㄎ环ㄊ抢蒙⑸洳煌藕?之间的相关性,得到信号之间的延迟时 间,而后再利用时差定位法确定出声发射 源的位置,故准确地说它应该是互相关式 时差定位法。 目前,所见到的资料都是仅仅把互相关定 位法应用到模拟声发射信号的分析中。

    五.声发射源的定位方法
    3.一维线定位 (直线定位法) 一维线定位就 是在一维空间 确定声发射源 的位置,也称 为直线定位。 一维线定位至 少采用两个传 感器和单时差。

    一维线定位原理

    五.声发射源的定位方法 3.一维线定位
    取两探头的连线的中点为坐标原点,取从1到2为 正方向。声发射源的位置坐标可由下式确定:

    五.声发射源的定位方法 3.一维线定位 ? 要保证线定位的准确性,波速是关键因素。 它与声发射波的模式、激励方式、材料、被 检物体表面形状甚至于天气情况都有关,因 此要计算波速是非常困难的,最好的方法就 是提前测定波速。

    x = sign( ?t )
    sign(△t ) =1 sign(△t)=-1

    ?t C 2

    信号先到探头2 信号先到探头1

    △t——到达两探头的时差(取绝对值)
    C——声速(循规波的声速) 可用于焊缝缺陷的定位,输送管道缺陷的定位。
    声发射信号速度测定方法

    53 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    五.声发射源的定位方法 3.一维线定位
    一维线定位法传感器布置的 一般形式如图。设声发射 源Q达到传感器S1、S2的时 差为△t,声速为C,则:
    常数

    五.声发射源的定位方法 4.二维(平面)定位 二维定位至少需要三个传感器和两组时 差,单为了得到单一解,一般需要四个 传感器三组时差。传感器阵列可以任意 选择,但为了运算简便,常采用简单阵 列形式:三角形、正方形等。

    QS1 ? QS2 = Ct
    离两个传感器距离差相等的轨迹为一条双曲线(如图), 声发射源位于双曲线上的某一点。这种线定位仅提供波源 的双曲线坐标。

    五.声发射源的定位方法

    (1)三个传感器定位法

    五.声发射源的定位方法
    (2) 归一化正方阵定位

    归一化正方形定位法

    五.声发射源的定位方法
    (2) 归一化正方阵定位
    归一化正方阵定位是一种将声源位置坐标按换能器位置 坐标归一化的定位方法。 将 四 个 换 能 器 分 别 置 于 直 角 坐 标 系 中 的位 置 (1 , 1) 、 (-1,1)、(-1,-1)、(-1,1)。当声源p(x、y)的 声波达到换 能器1 的 传播时间t1,而传播到换能器2、3 、 4 相对于 换能 器 1的时差 为 △ t2 、△t3 、△ t4 ,那么 p(x 、 y) 应 该 位 于分 别以 换 能器 1 、2 、 3、 4 的位 置为 圆心, 以 C t1 、 C(t1+△t2 ) 、 C( t1+△t3) 、 C( t1+△t4) 为半 径 的 四 个 圆的交 点 上。 四 个 圆只 有一 个交 点, 所 以方 程组只能有唯一解。 源位置应满足下述四个方程:

    五.声发射源的定位方法
    (2)归一化正方阵定位
    ?( x ? 1) 2 + ( y ? 1) 2 ? 2 2 ?( x + 1) + ( y ? 1) ? 2 2 ?( x + 1) + ( y + 1) ?( x ? 1) 2 + ( y + 1) 2 ?
    解上述方程组可得:
    ? C 2 ? t 2 [? t 3 (? t 3 ? ? t 2 ) ? ? t 4 (? t 4 ? ? t 2 )] ?x = 4 (? t 4 ? ? t 3 + ? t 2 ) ? ? 2 ? y = C ? t 4 [? t 3 (? t 3 ? ? t 4 ) ? ? t 2 (? t 2 ? ? t 4 )] ? 4 (? t 4 ? ? t 3 + ? t 2 ) ?

    = C 2 t12 = C 2 (t1 + ?t 2 ) 2 = C 2 (t1 + ?t3 ) 2 = C 2 (t1 + ?t 4 ) 2

    54 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    五.声发射源的定位方法 (3)平面正三角形定位法

    五.声发射源的定位方法
    (3)平面正三角形定位法
    把四个探头分别置于正三角形的三个顶点S1(-1,-B)、 S2(1,-B)、S3(0,A)及内心S0(0,0),且以内心为直角 坐标系原点。P(x、y)为声发射源,到S0(0,0)的距 离为r,则P(x、y)点到S1、S2、S3的距离与r之的差分别 为:

    δ 1=pS 1 ? pS 0 = C?t10
    δ 2 = pS 2 ? pS 0 = C?t 20 δ 3 = pS 3 ? pS 0 = C?t 30

    式中: 平面正三角形定位法

    ?t10、?t 20、?t—— 分别为信号到达S1、S2、S3 30

    相对于S0的时差。 C―――声速。

    五.声发射源的定位方法 (3)平面正三角形定位法
    则声发射源P(x、y)为四个圆的交点,方程为

    五.声发射源的定位方法 令 ( A + B ) 2 = 2 2 ? 1 ,解方程组得:
    4 ? 2 2 2 ? C 2 (?t10 ? ?t 20 ) + ?t10 (?t30 + 2?t 20 ) ? ?t 20 (?t 30 + 2?t10 ) + ?t 30 (?t 20 ? ?t10 ) ?x = 4 ? (?t10 + ?t 20 + ?t30 ) ? C2 ? ? 1.3333(?t + ?t ? 2?t ) + ?t (?t 2 + ?t 2 ? ?t ?t ? ?t ?t ) 10 20 30 30 10 20 30 20 30 10 ? C2 ?y = 2.3094 (?t10 + ?t 20 + ?t 30 ) ? ? C2

    ?x + y = r = C t ? 2 2 2 2 ?( x + 1) + ( y + B ) = C (t 0 + ?t10 ) ? 2 2 2 2 ?( x ? 1) + ( y + B) = C (t 0 + ?t 20 ) ? x 2 + ( y ? A) 2 = C 2 (t + ?t ) 2 0 30 ?
    2 2 2 2 2 0

    五.声发射源的定位方法
    (4)四个传感器成菱形布置定位 S1 、S2 、S3、S4四个传感器成菱形布置,构成 平面直角坐标系。其实,这是两组线定位传感 器的结合。 S1 和S3组成一组传感器,设声发射 源发出的信号达它们的时差为Δtx,可确定双 曲线1。 S2和S4组成另外一组传感器,设信号 到达它们的时差为Δty,得到双曲线2。波源Q 与传感器S1和S2 , S3和S4的距离差分别为ΔLx 和ΔLy,波速为v,两组传感器间距分别为a和 b。波源坐标为(x,y)??傻玫揭韵路匠淌剑?br />
    五.声发射源的定位方法

    ?Lx = ?t x V ?Ly = ?t y V

    a? a? ? ? QS1 ? QS3 = ? x + ? + y 2 ? ? x ? ? + y 2 = ?Lx 2? 2? ? ?

    2

    2

    b? b? ? ? QS 2 ? QS 4 = ? x + ? + y 2 ? ? x ? ? + y 2 = ?Ly 2? 2? ? ?

    2

    2

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    五.声发射源的定位方法
    5.曲面定位 (1)柱面定位 柱面定位是一种常见的定位方式,许多压力容器 都是圆柱体,柱面定位实际上是平面定位的一 种特例。 将一个圆柱面沿任意一条母线剖开就是一个矩 形,声发射信号在柱面上的传播与平面上的传 播是相似的,只不过需要考虑的是柱面剖开所 得矩形的两边是相连接的,图中的柱形剖面的 AB与CD实际上是相连接的,AE信号从O点到 达S1点后不是反射,而是从S1点继续向S2点传 播,因此,计算方法上必须考虑到这一点。

    五.声发射源的定位方法

    5.曲面定位
    一般传感器的 布局是将传感 器布置在两个 或几个圆周 上,而且每个 圆周均匀布置 几个传感器, 如图所示,每 个圆周均匀布 置着三个传感 器

    柱面定位信号 传播示意图

    柱面定位传感器布置

    五.声发射源的定位方法 5.曲面定位 (2)球面定位 球面定位也是一种常见的定位方式。利 用声发射技术可以对球形容器进行声发 射检测并对AE源进行定位,传感器一般 沿着几条纬线均分布置。由于其结构特 点,声发射源的球面定位的计算比较复 杂,

    五.声发射源的定位方法 5.曲面定位 (2)球面定位

    球面定位传感器布置

    球面弧长示意图

    五.声发射源的定位方法 设球形容器的球心为O,球半径为R,容器表面 上取任意两点A、B,A、B位置用球面坐标 分别表示为A(α1,β1),B(α2, β2),其中α 为0?到360?,β为0?到180?;那么球面上AB 两点之间的最短距离(通过球心的AB弧长) 为:
    AB 2 = R 2 (sin α1 sin β1 ? sin α 2 sin β 2 ) 2 + R 2 (cos α1 sin β1 ? cos α 2 sin β 2 ) 2 + R 2 (cos β1 ? cos β 2 ) 2
    AB

    五.声发射源的定位方法
    假设一个声发射源P在球面上的一个三角形 ABC内,A、B、C三点布置着三个传感器。P 到达A点和B点的时间差Δt1,到达A点和C点 的时间差为Δt2,声发射波在球面上的传播速 度为V,P与A点的距离为L,则声发射源P的位 置由下面三个方程决定:

    A、B两点对应的弧长为: AB = R(π ? 2arccos 2 R )

    AB = R arccos [sin β1 sin β 2 cos(α1 ? α 2 ) + cos β1 cos β 2 ]

    可得:

    ? PA = L ? ? PB = L + V ?t1 ? PC = L + V ?t ? 2

    56 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    五.声发射源的定位方法 代入上式可得:
    L ? ?sin β sin β1 cos(α ? α1 ) + cos β cos β1 ? cos R = 0 ? L + ?t1 V ? =0 ?sin β sin β 2 cos(α ? α 2 ) + cos β cos β 2 ? cos R ? L + ?t2 V ? =0 ?sin β sin β 3 cos(α ? α3 ) + cos β cos β3 ? cos R ?

    五.声发射源的定位方法 例如:采用牛顿迭代法求解,它的导数矩 阵为:
    ? ? ? sin β sin β1 sin(α ? α1 ) cos β sin β1 cos(α ? α1 ) ? sin β cos β1 ? ? ? sin β sin β sin(α ? α ) cos β sin β cos(α ? α ) ? sin β cos β 2 2 2 2 2 ? ? ? ? sin β sin β 3 sin(α ? α 3 ) cos β sin β 3 cos(α ? α 3 ) ? sin β cos β 3 ? ? 1 L sin R R 1 L + ?t1 V sin R R L + ?t2 V 1 sin R R ? ? ? ? ? ? ? ? ?

    上式中的方程为三元非线性方程的超越方程组,用解 析法很难求解,要确定AE源的位置,可以选择合适的 数值解法。

    在三角形ABC内选定AE源位置初始值,选用合适的步长, 代入上面的迭代方程经过一定次数的迭代便可确定出AE源 的位置。在球形容器表面均匀布置传感器,通过以上算法, 就可找到球面上不同位置的声发射源。

    五.声发射源的定位方法
    6.连续型声发射源的互相关定位法 对于连续型声发射源,检测仪器无法测定同一 段声发射波到达不同传感器的时间差,无法直 接利用时差定位法。必须寻求新的定位方法。 任意一个波x(t)和另一个延迟时间为τ的波 y(t+τ)之间的互相关函数:
    由互相关函数性质可知:如果 τ = τ ′ 时,Rxy (τ ) 取得最大 值,那么y (t ) 相对于x (t ) 的延迟时间就是 τ ′ 。利用函数 互相性的这一特点,就可以测定一个随机信号的传播速 度。
    1 Rxy (τ ) = T

    五.声发射源的定位方法
    6.连续型声发射源的互相关定位法 在实际检测中,信号都是由一定数量的离散采样 数据构成,互相关函数为:
    Rxy ( m) = 1 N

    ∑ x ( n ) y ( n + m)
    0

    N ?1



    T

    0

    x(t ) y(t + τ )dt

    两个信号的延迟时间 :

    ?t =

    mmax f

    五.声发射源的定位方法
    7.影响声发射源定位精度的因素分析 ? (1) 声发射波的传播 ? a 声发射波的模式 ? 声发射 波在 介质 中的 传播 ,有 纵波、横 波、 表 面波、板 波等几种 不同 的传 播模式, 不同 模式的波具有不同的传播特性。 ? 当 遇到 不同 介质的界 面时 会产生波的反 射和 折射,发生波型变换。

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    五.声发射源的定位方法
    目前,反射、折射 和 模 式转 换 不 易控 制 ,可 以 增 加波 击 闭 锁 时 间 ( HLT ), 减 小其 影响。 可 以 适当 增 大 检 测 仪 器 的波 击鉴 别 时 间( HDT ), 保 证 把 分 离 的 两个脉冲 当 成一 个 波 击 来 处 理。

    五.声发射源的定位方法 b.声发射波的衰减

    ? 声发射 波在介质中传播,会发生幅度随传播距离 的增加而下降的 衰 减现 象。引发声发射波衰减的主要 因素为:波的几何扩展、材 料吸收、散射、频散等。

    波的反射与模 式转换 O-波源 L-纵 波 S-横波 R- 表面波

    声发射源定位 中波的衰 减

    声发射波形的分离与持 续时间

    ?上图显示了有机玻璃板上某次断铅线定位实验中信号采集情况,可 以 看出, 只 有1通道的传感器被触发,2通道的传感器却没有采集到 信号 。 这 是 由于 存在 衰 减使 得 传播 到 2通 道传感器的声发 射 波比 较 弱 ,没能 达到门 槛 值要求。这种情况就无法进行声发射源定位。布 置 传感器 考虑衰 减 ,避免某些传感器由于波的衰减 过大而无法检测 到信号的情况 。

    c 声发射波的传播速度和板波

    ?a) 板波理论
    ?目前,声发射源定位主要是应用到板状结构中,如飞机机翼、压 力容器壳体等 。这些结构中声发射波以板波形式为主。 ?根据板波理论,声发射波在薄板结构中按三种模式传播:(1)扩 展波;(2)弯曲波;(3)横波。一般在板状结构中只能检测到 扩展波和弯曲波,横波影响忽略不计。 ?根据板波理论,经过复杂的理论推导后,得出扩展波和弯曲波的 传播速度公式

    ? 声发射波的传播速度主要用于声发射源 的时差定位计算,而其不确定性成为影 响源定位的主要因素。


    ?式 中 ce 扩展 波波速,c f为弯曲波波速。 ? ,f为声发射波的频率。

    ?弯 曲 波的速度与 频率 有关, 传 播 中 会分发生频散,导致波形分离。 ?纵波、横波的速度,比较稳定。

    六. 声发射源的鉴别方法

    六. 声发射源的鉴别方法
    1、幅度鉴别:在声发射仪的主放大器的输出端,设置
    适当的阈值电平(也称门槛电平,可以用固定电平, 也可以用浮动电平如图),剔除低于阈值的电平仪器 内部噪音干扰及周围环境的外界干扰。用硬件。

    浮动门槛电平随噪声的变化

    58 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    六. 声发射源的鉴别方法 2、频率鉴别:任何一种构件或设备都是由 某种材料构成的,通过具体材料缺陷的 声发射信号的频谱分析,确定这种材料 谱线最丰富的频段,然后设置声发射检 测系统的频响范围与之相对应,就可实 现频率鉴别,排除频带外的干扰,一般 工业干扰频率<60kHz,声发射频率 >100kHz。声发射检测系统的频率鉴别是 由探头的谐振特性与仪器中的带通滤波 器共同完成的。

    六. 声发射源的鉴别方法
    3、时间鉴别: (1)前沿鉴别 在外界环境干扰噪声中,有些干扰信号的前沿上 升时间慢;检测区域外较远的声发射源的信号 经介质中的传播,前沿变缓。所以如果确定监 视区域,也就确定了有用声发射信号的前沿上 升时间△T0。 若某一信号的前沿上升时间为△T,则: △T≤△T0,检测通道开通,信号被接收; △T>△T0, 检测通道关闭,信号被排除。

    六. 声发射源的鉴别方法 3、时间鉴别 (2)持续时间鉴别 一 般,天电干扰信号的持 续时间比声发 射 信号 的 持续 时间短 得多,利 用 这种 特性 可 以设 置一 个脉冲 宽度 鉴别 闸门, 当脉 冲 小 于 一定值时, 检测 通道 关 闭, 排除 持续时间很短的天电干扰。 注意:用于持续时间鉴别的传感器要有较 大的阻尼,使得激发声发射振荡衰减特 性仅反映外来信号的变化。

    六. 声发射源的鉴别方法
    4、空间鉴别(用多探头):
    (1)主副鉴别:主探头置于鉴别区域内。 副探头 置于鉴别 区 域 外。 当副 探头 先接 到 信号时, 把 主探头的 通 道关 闭 , 排 除 区域 外的 干扰 。 当 主探头 先 接到 信号 时,把 检测通道开通。

    主副鉴别

    六. 声发射源的鉴别方法
    4、空间鉴别(用多探头) (2)符合鉴别 这种方法所监测的区间为两探头的中间区域,适 用于对焊缝进行监测。 设:声发射源到两个探头的时间分别为t1、t2,确 定符合时间为 则: | t1 ? t 2 |≤ ?t 0 检测通道开通;

    六. 声发射源的鉴别方法
    4、空间鉴别(用多探头) (2)符合鉴别
    噪声 1 检测区 噪声

    裂纹

    2

    信号门Y

    | t1 ? t2 |> ?t0

    检测通道关闭。

    输出

    时间、空间鉴别都是按一定的逻辑关系在干扰噪声中 鉴别声发射信号,因此,统称为逻辑鉴别。

    59 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn

    六. 声发射源的鉴别方法 5、统计鉴别(以软件为主): 对由4个探头组成的声发射源定位阵列, 根据阵列的最大时差定出4个探头接收到 的全部时差组合,并标出各种时差组合 可能确定的位置,采用软件进行统计处 理,因为缺陷位置固定不变,噪声干扰 是随机的,所以作大量统计处理可以鉴 别缺陷位置。

    七.声发射信号的处理方法 声发射信号的处理方法与振动信号处理方 法类似,主要有: 1.时域分析方法; 2.频域分析方法; 3.小波分析方法;

    刀具破损时的声发射信号

    七.声发射信号的处理方法

    七.声发射信号的处理方法

    齿轮正常运行时的声发射信号及其重构

    刀具破损时的声发射信号

    刀具破损时的声发射信号的频谱

    齿轮正常运行时声发射信号能量分布

    七.声发射信号的处理方法

    八.声发射检测系统
    1.概述 ? 声发射检测过程就是用灵敏的声发射传 感器来接收声发射信号并采用一定的信 号分析方法进行处理。 ? 通过对检测到的声发射信号的特征参数 和波形的分析和研究,判断材料或结构 内部缺陷的状况,了解机器运行状态, 对故障发展情况做出判断和预测。

    齿轮出现裂纹时的声发射信号及其重构信号

    齿轮出现裂纹时的声发射信号能量分布图

    60 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    八.声发射检测系统
    ? 1.概述 ? 一个完整的声发射检测系统,必须满足 以下条件: ? a 能够适应机械部件在运行过程中的实 时监测;并能长时间进行现场实验; ? b 具有消除外来噪声功能; ? c 很高的可靠性和广泛的适应能力; ? d 能够快速响应,且具有报警功能; ? e 具有快速、大容量数据存储系统。

    八.声发射检测系统

    声发射检测分析原理简图

    八.声发射检测系统
    2.声发射探头 1)高灵敏度探头(单端谐振式):结构简单, 频响特性为窄频带,谐振频率取决于晶 片的厚度。

    八.声发射检测系统
    1.声发射探头 2)差动式探头:与单端谐振式的区别在于晶片的 构造形式,一个圆形晶片外套一个环形晶片, 特性相同,极性反接??垢扇拍芰η?。与差动 前置放大器相配合使用。

    单端谐振式传感器 1-压电元件, 2-外壳, 3-端盖, 4-导线, 5-高频插座,6-吸收块,7-底座,8-?;つ?br />
    3)高温探头 4)宽频带探头
    差动探头的晶体结构

    八.声发射检测系统
    3.声发射仪 常用的声发射仪有:单通道、多通道声发射仪。 1)对声发射仪的基本要求 a.检测微弱的声发射信号,要求增益高,噪声 低; b.排除各种噪声干扰,要有一定的信号鉴别能 力; c.用特征参数表征声发射信号,要有一定的数据 处理能力。

    八.声发射检测系统
    2)单通道声发射仪

    单通道声发射仪框图

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    八.声发射检测系统
    a 、前置 放大器:作用 提高信噪比,输入端噪声 电平≯ 5μv ,增益40 ~ 60dB,应具有大的动 态范围及频宽。 b、滤波器:带宽按要求定。 c、主放大器:增益一般为60dB,要求有足够的 动态范围及带宽。 e、鉴幅整形器:设定阈值,超过阈值部分的信 号形成振铃脉冲或时间脉冲。 d.声发射率及总数计数电路:对振铃脉冲或事件 脉冲进行计数,数字显示及模拟输出。

    八.声发射检测系统
    3)多通道声发射源定位几分析仪 多通道声发射仪是多个单通道声发射仪基础上,加上 时差单元,测出个通道探头信号达到的时差,具有很 强的信号鉴别与处理能力。

    多通道声发射源定位几分析仪示意图

    九.声发射检测技术的应用
    1、压力容器定期检测中的应用 2、输送管道的检测
    R15型 声发射传感器 PAC公司的 PCI-2型 声发射检测系统

    3、核电站的应用

    ?泄漏检测 ? ?运行检测 ? ?定期检修后水压试验检测 ? ?核压力容器及回路系统水压试验检测

    4、其它设备的检测 5.其它方面的应用
    2/4/6型前置放大器

    ?工艺过程质量控制 ? ?焊缝检测 ?材料研究 ?

    §5.5 红外监测技术
    一.红外测温技术的基本原理 1.非接触式测量的特点: ( 1 ) 测 量 仪 表 不 会 破坏 被 测 介 质的 温 度 ??; (2)测温滞后小,适于测量动态过程; (3)测温范围宽; (4)灵敏度高。

    一.红外测温技术的基本原理
    2.红外线: 在光谱中红光光谱之外的具有强烈效应的辐射波。 红 外 线 的 波 长 : 0.75~1000μm ( 看 见 光 0.4 ~ 0.7μm) 按波长的大小可分为: 近红外区: 0.75~3μm 中红外区: 3~6μm 远红外区: 6~15μm 超远红外区:15~1000μm

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    一.红外测温技术的基本原理
    3.热辐射与红外辐射 (1)热辐射:任何物体在绝对温度以上都能以电 磁波的形式向周围辐射能量。热辐射是整个电 磁波的一个组成部分 。 一 般 说 的 热辐 射 是 系统处 于 平 衡 状 态 时的 辐 射,对于热辐射的度量要考虑空间、时间、波 长、辐射能的发射方向。 (2)红外辐射:可见光的红端到毫米波的宽广的 波长范围内的电磁波辐射称红外辐射。

    一.红外测温技术的基本原理
    当物体温度: t<1000?C时,热辐射中最强的波为红外 辐射 t=300?C 时 , 热 辐 射 中 最 强 的 波 长 为 5μm,即红外辐射
    ? ? ?极 大 部 分 辐 射 仍 为 红 外辐 射 t = 800? C 时, 辐 射 有 足够 的可 见 光 , 呈 赤 热 状 态? ? t = 500 ? C 时, 会 出 现 红色 的 辉 光

    t=3000?C时,接近于白炽灯丝的温度,辐射才能保持足够的 可见光。 (3)点辐射源:源的尺寸到探测器的距离相比可以忽略的一 种辐射源。

    二.红外测温技术
    1、红外测温的特点与优缺点 (1)特点: 测温范围广:-170~3200℃; 测温精度高:可分辨0.01k; 测温反应速度快:可在几秒内测出物体的温度; 可测目标?。鹤钚】刹獬鲋本段?.5 μm目标的 温度; 非接触测量:不会破坏温度??; 测距可远可近。

    二.红外测温技术
    1、红外测温的特点与优缺点 (2)红外测温的要求: ①知道被测物体的发射率。 ②被测物体的辐射能充 分抵达红外探测器。 ③消除背景噪声。

    二.红外测温技术
    1、红外测温的特点与优缺点 (3)优点: ①非接触测量,对被测物体无影响; ②可测运动中的物体; ③可测瞬态温度; ④可对点、线、面测温; ⑤可测绝对温度,也可测相对温度。

    二.红外测温技术
    1、红外测温的特点与优缺点 (4)缺点: ①仅测表面温度。 ②要求精度高时测温要求严格。

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    二.红外测温技术
    2.红外探测器 红外探测器是红外测温敏感器件,是把 入射的红外辐射能转换成其它能量的转 换器??煞至酱罄啵?br />? 1~30ms) ?热敏电阻型(响应时间 : ? ? 热 电 偶 型 ( ~ 30 50 ms ) ? ?热敏型 ? ? ? ?气动型:高莱管 (约20 ms ) 红外探测器 ? ? ?热释电型 ? ? ?光电导型(光敏电阻型 ) ?光电型 ? ? ?光生伏特型(光电池) ?

    二.红外测温技术
    2.红外探测器 (1)热敏探测器 利用物体接受红外辐射温度升高,从而引起一些 参数变化的器件。响应时间较长(在毫秒级以 上),对入射的各种波长的辐射线基本上有相 同的频率响应率。 (2)光电探测器 原理:利用某些物体中的电子吸收红外辐射而改 变其运动状态这一原理工作。响应时间比热敏 探测器短,一般为微秒级,最短可达纳秒。常 用的光电探测器有光导电型和光生伏特型。

    二.红外测温技术
    2.红外探测器 (2)光电探测器 a.光导电型(光敏电阻) 当 红外辐射照到光敏电阻 上时,它的导 电 率 增 大,随 着 入射 辐射功率 的变化,其 导电率也变化。 b.光生伏特型(光电池) 被 红外辐射照射后就有输出电压,电压 的 大小与入射辐射功率有关。

    二.红外测温技术
    (3) 红外探测器的特性参数 ① 探测器材料; ② 工作类型;光生 伏特型、光导电 型、热 敏 电阻型等等; ③ 工作温度; ④ 工作波段; ⑤ 探测率 D--- 当单位功 率的红 外辐射 入射 在 具有单位探测面积的探测器上时,所能得到的 单位带宽的信噪比; ⑥响应时间; ⑦响应率――探测器的输出信号(电压或电 流)与输入的辐射功率之比,

    二.红外测温技术
    (4)探测器的噪声源 红外探测器的噪声源有以下四个方面: ①探测器本身; ②放大器及其它电子线路; ③周围环境热辐射涨落; ④被探测信号本身涨落。

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    二.红外测温技术
    3.红外成像 红外成像:把红外辐射转换成可见光显示出来。 红外成像系统:利用红外探测器、光电成像物 镜和光电扫描系统,在不接触的情况下接收物 体表面的红外辐射信号,该信号转换为电信号 后,经电子系统处理传至显示屏上,得到景物 表面热分布相应的“实时热图像”。 物体表面红外辐射信号 红外探测器 光电成像系统 光电扫描系统 信号转换 显示屏 实时热像。

    二.红外测温技术
    3.红外成像 红外成像可分为: 主动式:用一红外辐射源照射物体,利用 被反射的红外辐射摄取物体的像。 被动式:利用物体自身发射的红外辐射摄 取物体的像。 被动式红外成像称为热像,显示热像的仪 器为热像仪。 热像系统的探测目标:物体自身发射的热 辐射。

    二.红外测温技术
    3.红外成像 (1)热成像的特点: a. 可 给 出 空 间分 辨 率 和温度分 辨 率都 较 好 的设备温度场的二维图形。 b. 可 自 一定距 离 外 提供 非 接触 、非干 扰 式 的测量。 c. 可 提 供 快 速 和 实 时的 测 量, 从 而可 进 行 温度瞬态研究和大范围的快速观察。 d.具有全被动式、全天候的特点。

    二.红外测温技术
    3.红外成像 (2)热成像系统的基本组成
    红外探测器 监视器

    被 测 目 标





    光 机 扫 描

    集 光 镜

    致 冷 红 外 探 测 器

    录像机 前 置 放 大 视 频 放 大 信 号 处 理

    A/D

    计算机

    显示器

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    二.红外测温技术
    3.红外成像 A.红外探测器(又称扫描仪、红外摄像机) (a )成 像物镜:根据 视物大小和像质 要求,可 由不同透镜组成。 (b )光机 扫描机 构:由垂直、水平扫描棱镜及 同步系统组成。 ( c)致 冷红外探测器 :用于接收目标 的红外 信 息并能转化为电信号的红外敏感器件。 (d)控制电路: ① 消除由制造和环境条件变化产生的非均匀性。 ② 使目标能量的动态范围变化能 够适应电路处 理中的有限动态范围。

    二.红外测温技术
    3.红外成像 B.红外成像系统探测波段的选择 ①1μm左右的近红外段 ②2~2.5μm段 ③3.5~4.2μm段,短波段,常用此段 ④8~14μm段,长波段,用于低温及远距 离探测 一般用③、④。

    二.红外测温技术
    3.红外成像 C.红外热像仪测温精度分析 探测器输出视频信号幅度US
    Us ∝ ωσT 5 π

    二.红外测温技术
    C.红外热像仪测温精度分析 测 温精度与很多因素有关 ,主要影响因素 有: ①测试背景状况的影响。 ②辐射率的影响,辐射率ε直接影响测量 结果。

    ∫ ε (λT )τ (λ )R(λ )dλ
    λ1 a

    λ2

    式中:λ1、λ2——热像仪工作波长范围 ω——热像仪瞬时视场角 σ——辐射常数 T ——被测物温度 ε(λT)——被测物光谱辐射率 τa(λ)——大气透过率 R(λ)——热像仪总光谱响应

    二.红外测温技术
    C.红外热像仪测温精度分析 影响辐射率的因素有: ①表面状态 金属及大多数材料都是不透明的,影响辐射率的 主要因素有: (a )有 色或涂层表面 ,ε主要取决于 表面的 涂 层。 (b )粗糙 表面对 ε影响大,粗糙度增大,ε增 大。 (c)表面薄膜、污染层都会影响ε。 (d)表面有氧化膜时,ε会增大10倍以上。

    二.红外测温技术
    C.红外热像仪测温精度分析 ②温度:一般金属的ε低,随温度上升而增大。 非金属的ε高。 ③波长:ε随红外线的波长的变化而变化。 ④距离对测量温度的影响 测量距离影响视场角的大小,一般距离取被测物 体 的大小 满足5 ~10 个系统的瞬时视场角 的要 求。 ⑤大气的影响 (a)大气中多种气体对红外辐射的吸收作用。 (b)大气中悬浮微粒对辐射的散射作用。

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    三.红外测温技术在设备诊断中的应用 1.红外测温技术在铁路交通运输中的应用 1)红外轴温检测技术 (1)红外轴温检测技术的测量方法 (2)处理方法 2)车轴箱温度在线监测装置

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    2.红外测温技术在冶金工业中的应用

    1)高炉监测 2)钢锭轧制过程中的动态温度场的测定 用热像仪在不改变轧制速度的情况下,跟 踪测量钢锭温度场随时间的变化,判断 均热炉加挡墙后钢锭间的温度分布改善 情况。 3)热像仪测钢锭表面各部分温度值

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    3.红外测温技术在石化企业中的应用 1)用于点检 所用的方法:比较法。 建立各种安全标准的热像图,即建立标准图谱。 对运行设备定期巡回检测。 实时热像图与标准热像比较。 根据差异程度,结合工艺结构、材料进行综合分 析。 判断设备是否正常,发生故障的性质、部位。

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    3.红外测温技术在石化企业中的应用

    2)在化工生产流程中的应用 可检查: (1)换热器的漏洞和堵塞。 (2)油封故障。 (3)转化炉炉墙温度,了解保温状况及热 损失部位,记录异常部位。

    下部红外热像

    上部红外热像

    加氢反应器底部红外热像
    再生器、烟气管线及沉降器外形 及红外热像

    加氢反应器底部外形

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    三.红外测温技术在设备诊断中的应用 4.红外测温技术在电力系统中的应用 1)电力设备的计划监测 监测对象:发电厂、高压 超高压变电站 、 输电线路接头等。 监测内容:温度分布、温升。 监测作用:可确定设备内部的缺陷位置。

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    4.红外测温技术在电力系统中的应用 2)电力设备临时监测 用于重大设备的故障诊断。 例: (1 )发电 机?;蟮缙匝槭?,铁芯过热点的 监测。 (2 )发电 机碳刷 发热,端子箱及密封母线的监 测。 (3)锅炉外壁、气轮机及管道的隔热材料效能 的监测。

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    4.红外测温技术在电力系统中的应用 3、测试方法及注意事项 (1) 通 电电流: 应 选 择高 负 荷 的季节 , 高负 荷 的时间 进 行 监测 。 (2)气候条件: a.温度对测定结果影响不大。 b.日照会造成误差,所应在阴天或日落后进行监测。 c.风会冷却发热部位,造成误差。 d.应避开雨雾天气检测。 (3) 距离 : 测 距 太 远 时, 射 入 图像 超 过 了空 间分 辨率 范围 ,测 出的温度是对物体与空间的平均温度,会产生误差。 (4)发射率:为取得被测对象的真实温度,必须掌握物体的发 射率。一般是0.7~0.9。

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    4.红外测温技术在电力系统中的应用

    4)诊断异常的方法 (1)模型的比较法:实测与标准比较。 (2)三相比较法:正常时电力设备三相温 升 平 衡 ,所 以比较 三相 温度分 布可 以判 别有无异常。 (3)相邻部位比较。 (4)检测设备整体温度,检查有否过热点。

    高于直流输电用闸刀C相和CT侧连接板热像(141)

    高于直流输电A相闸刀热像(140)

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    高于直流输电I平波电抗器上下线圈连接 板相闸刀热像(109)

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    5.气体泄漏检测

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    6.建筑质量检测

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    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    7.食品生产过程中微小温度差异检测

    三.红外测温技术在设备诊断中的应用
    8.在机械工业中的应用

    机床主轴箱热变形检测。 磨削温度检测。 焊接质量的热像检测。

    §5.6 油样分析技术
    一、概述 机械摩擦过程中的能量损 耗与磨损情况 的 主要因素为: (1)摩擦副的性质; (2)摩擦副表面之间的润滑剂。 摩擦副的磨损过程分为:跑合期、正常 磨损期、严重磨损期。

    一、概述
    磨粒特征(形态、尺寸、表面形貌、数 量等)反映了不同的磨损失效类型:粘 着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐 蚀磨损。 油样分析: 研究机械磨损的部位、磨损过程、磨损 失效的类型,磨损的机理。

    二、油样分析的步骤
    1、了解被测设备的情况 (1)机器的机构及润滑方式:摩擦副相对运动的类 型、润滑方式等。 (2)摩擦副材料的性能:材料成分,热处理情况, 表面硬度。 (3)机器运行条件:转速、载荷、温度、有否异常 等。 (4)设备运转历史及维修保养情况:上次大修时间。 原因、措施等。 (5)润滑油性能。

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    二、油样分析的步骤
    2、油样抽取 油样抽取应保证所取出的油样具有代表性。 (1)取样部位 a. 循 环 油路 : 选 在 回 油 管 路 经过过 滤 器之 前 部 位; b. 非循环油路:?;蟀胄∈蹦谌⊙?,在整个油 箱一半稍深处 (2) 取样间隔 视机器的重要性、使用性、负荷特性而定。

    二、油样分析的步骤
    监测设备类型 跑合阶段(小时) 正常阶段(小时) 失效前夕阶段(小时) 地面液压系统 80 200 80

    煤矿井下系统

    20

    50

    20

    地面传动装置

    100

    300

    100

    煤矿井下装置

    30

    100

    30

    重型燃气轮机

    250~500

    柴 油 机

    200

    蒸 汽 轮机

    250~500

    飞机燃气轮机

    50

    二、油样分析的步骤
    2、油样抽取 (3) 采样规范 a.对某一待监测的设备,一定要固定取样位置、 取样时间; b.绝对保证吸油器具的清洁、无污染,无上次 使用的残油,无其它杂质颗粒及水份混入; c.动作小心,不让污染杂质带入油样及待监测 的设备 (4)原始数据记录完整

    二、油样分析的步骤
    3、油样处理 使 油样经过一段时间的沉 积,沉于瓶底 的 磨屑再重新悬浮于油样中。 方法 : 油 样 在 杯 中 加 温 30min , 取出 振 摇 3min ,以 保 证悬 浮物在 油样 中均匀 分布 。 4、将油样送入油样分析仪器,测取数据或 分析结果。 5、根据分析结果判断机器状态。

    三.油样光谱分析法
    1.分光光度计法
    分 光光 度 计 法是 利 用 物 质 对 光 的 吸收 作用 而 建立 的分 析方法。 1)分光光度计法的工作原理 (1)吸光度 A 当 一 束 单色 平 行光 照 射到 任 何均 匀 、非 散 射 介质 (溶 液 时),光的一部分被溶液吸收。 如果:入射光的强度为:I0, 吸收光的强度为:Iα, 透射光的强度为:It, 反射光的强度为:Ir, 则:

    三.油样光谱分析法
    1)分光光度计法的工作原理 (1)吸光度 A

    用分光光度计时,控制条件使得Ir=0, 则: I =I +I
    0 α t

    式中:A——吸光度

    I A = lg 0 = kcl 吸光度 : It
    It——透射光强度

    I0——入射光强度

    k——吸光系数,与溶液的性质及波长有关的常数 C——待测物质的浓度,μg/ml l——待测物质溶液的厚度,cm

    I 0 = I r + Iα + I t

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    三.油样光谱分析法
    1)分光光度计法的工作原理 (2)工作原理

    白光 → 聚光 → 单色器 分光 → 单色光→ 一定 厚度的有色溶液 →光电 元件 → 释放光电子 → 产生光电流(此电流正 比于照射到光电元件上 的光强度)→检流计读 数标尺上读出相应的吸 光度—→ 测定待测物质 的浓度(当λ、l不变 时,吸光度与有色物质 的浓度成正比)

    三.油样光谱分析法
    2)优缺点
    ?灵敏度高 ? 优点: ?准确度与稳定性较好 ?对微量元素的分析效果 好 ?

    1.钨灯 2.聚光透镜 3.平面镜 4.狭缝 5.?;げAТ翱?6.准直镜 7.玻璃棱镜 8.光栅 9.吸收池 10.光门 11.光电管 12.长杆螺丝

    ?只能给出油样中各种元 素的含量,不能确定磨 损部位 缺点: ? ?速度慢,不同元素要配 制不同的溶液

    三.油样光谱分析法
    2.原子吸收分光光计法

    三.油样光谱分析法
    2.原子吸收分光光度计法

    1)基本原理

    1.电 源

    2.光



    3.试 样

    4.火焰原子化器 8.读数系统

    1)基本原理 将待测元素的化合物(溶液) —→ 高温下 试样原子化—→变成原子蒸汽,当单色 光(或特征辐射线)源发射出的光束穿过一 定厚度的原子蒸汽时,光的一部分被待 测元素的基态原子吸收。监测系统测量 特征辐射线减弱后的光强度,由吸光度 可求出待测元素的含量。

    5.光学系统

    6.光电元件

    7.放大器

    三.油样光谱分析法
    2.原子吸收分光光度计法

    三.油样光谱分析法
    2.原子吸收分光光度法

    1)基本原理

    A――吸光度;

    A = lg

    I0 = k0 N 0l It

    2)优缺点
    ? 灵敏度高; ? ? 精确度高; (1) 优点 ? ? 适用范围广; ? 取样量少。 ?
    ?麻烦,测一个元素要换一个光源; ? (2)缺点?火焰法要用燃料气,不方便,不安全; ?只能给出磨屑中元素的含量,不能了解磨屑的外形、尺寸等。 ?

    I0――入射光光强; It――透射光光强; k0—— 吸收系数(与被测元素的性质、 待测溶液性质有关); N0——基态原子数; l—— 吸收层厚度。

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    三.油样光谱分析法
    3.原子发射光谱法 1)基本原理 原子发射光谱是由于物质 内部运动的原子 和 分 子 受到外 界能 量后发生 变化而 得到 的。 因此,利用物质受电能或热能激发后, 辐射出的特征线光谱来判断物质组成的 方法,叫原子发射光谱。

    三.油样光谱分析法

    光谱分析用仪器示意图 1.光源 2.光谱议(2a.狭缝,2b.透镜,2c.色散器) 3.接收器(3a.感光板,3b.目镜,3c.光电管) 4.投影仪 5.测微光度计

    三.油样光谱分析法
    3.原子发射光谱法

    三.油样光谱分析法
    3.原子发射光谱法 3)优缺点 ?油样不需预处理,分析 速度快; 优点? ?读数准确,重复性好, 分析容量大。
    ?价格昂贵,安装条件较 严格,实验费用高; ? 缺点?与铁谱技术相比,探测 较大粒度磨粒的灵敏度 低, ?不能获得磨屑形态方面 的信息。 ? ∴ 在判断 磨损类型和预报 灾变发 生的能力方面存 在不足 。

    2.分析步骤 油样 —→ 蒸发为气体原子态 —→ 使它 激发 —→ 将辐射出的光经过色散—→得 到按波长排列的线光谱 —→
    ?根据特征线是否出现判断某物质是否存在 ? ?根据特征线的强弱判断某物质的含量多少

    四.油样铁谱分析技术
    1.铁谱分析技术 利用高梯度的强磁场将润滑油中所含的 机械磨损碎屑按其磨粒大小有序地分离 出来,通过对磨屑的形状、大小、成分、 数量及粒度分布等进行定性与定量的观 察、判断设备磨损状况、预报零部件的 失效。

    四.油样铁谱分析技术
    2.铁谱分析技术的优缺点 1)优点 (1)应用范围广,能分离出润滑油中含有较宽尺 寸范围的磨屑。 光谱对<10μm磨粒敏感; 铁谱对0.1~102μm以上的颗粒都敏感 (2)可对磨屑进行定性观察分析和定量测量,以 判断机器的磨损程度,还可 对磨屑的组成元素 进行分析,以判断磨屑产生的部位。

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    四.油样铁谱分析技术
    2.铁谱分析技术的优缺点

    四.油样铁谱分析技术
    2.铁谱分析技术的优缺点

    1)优点

    1)优点 定性观察分析:用双光显 微镜和扫描电 子 显微镜。 定量 测 定:用 光 密 度 计 法 , 颗 粒 定量 仪 法,微观粒子分析法等。 组织元素分析:用化学辨色法,x射线波谱 法,x射线能量谱法等。
    各种分析方法对磨屑尺寸的敏感范围

    四.油样铁谱分析技术
    2.铁谱分析技术的优缺点

    四.油样铁谱分析技术
    3.铁谱仪简介 1)分析式铁谱仪 (1)用途:将油液中的磁性颗粒分离出 来,制成铁谱基片,供铁谱显微镜下将 组织定性观察和定量分析用。 (2)原理: 油样 —→ 微量泵 —→ 玻璃基片

    2)缺点 (1) 对 润 滑 油 中 非 铁 系 颗 粒 的 检 测能 力 低; (2)规范化不够,分析结果对操作人员的 经验有较多的依赖性; (3)对大规模设备群的诊断工作不很适应。

    四.油样铁谱分析技术 3.铁谱仪简介

    四.油样铁谱分析技术 3.铁谱仪简介

    分析式铁谱仪工作原理 1.油样,2.微量泵,3.玻璃基片, 4.磁场装置,5.导流管,6. 储油杯 TPF-x1型分析式铁谱仪

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    四.油样铁谱分析技术
    3.铁谱仪简介 2)直读式铁谱仪 (1)用途: 直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分 布,只能作定量分析,检测过程简单、 迅速、成本低。

    3.铁谱仪简介

    直读式铁谱仪原理图 1.油样,2.毛细管,3.沉积管,4.磁铁,5.灯,6.光导纤维, 7.光电探头,8.虹吸泵,9.废油,10.电子线路,11.数显屏

    3.铁谱仪简介

    3.铁谱仪简介
    2)直读式铁谱仪 (2)原理: 油样稀释后 —→ 流经磁铁上方的玻璃 沉积管 —→ 可磁化磨粒在高梯度将磁场 作用下依粒度顺序排列在沉积管内壁不 同位置,入口区1~2μm沉积层上覆盖着 >5μm的大磨粒,在5mm之后只有1~ 2μm的小磨粒。

    沉积管内的磨粒排列

    3.铁谱仪简介
    2)直读式铁谱仪 (3)主要性能指标 a.重复性误差:%; b. 沉积效率:%; c. 线性度; d. 沉积磨粒粒度范围:10-1~102μm数量级; e. 仪器数显读数飘移:5min内≤0.2 f. 光 电 稳 压 器 的 稳 压 性 能 : 当 电 网 电 压 为 220V±10%时,直流输出0~4.5V变化≤0.2。

    3.铁谱仪简介
    2)直读式铁谱仪 (4)油样制备 a.定量取样:1ml; b.浠释:浓度浠释、粘度浠释。

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    3.铁谱仪简介
    2)直读式铁谱仪 (5)定量方法 常用磨粒粘度指数Is表示:
    2 I s = DL ? Ds2

    3.铁谱仪简介
    2)直读式铁谱仪 也可用大磨粒百分数PLP(大磨粒总重量 中的百分数)表示:
    PLP = DL ? DS 100% DL + DS

    式 中 :DL、 DS为DL、 DS两个数 显屏 上显 示 出的磨 粒沉 积 覆盖值。 也可用标准磨粒浓度(每毫升油样的磨粒浓度)表示:

    还可用累积磨损粒度表示:

    SPWC =

    DL + DS N

    式中:N为流过铁谱仪的油样ml数

    ∑ (D

    L

    + DS )

    4.铁谱分析的工作程序

    5.铁谱分析技术的应用实例
    柴油机正常 磨损磨粒 长轴尺寸不 超过 15μm,厚 度不大于 1μm

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    5.铁谱分析技术的应用实例
    处于损坏阶段的发 电机磨损磨粒 磨粒形状类似于车 削加工的切屑,形 成的原因:摩擦副 中较硬的一方出现 裂纹造成硬的刃边、 润滑油中的污染颗 粒。

    5.铁谱分析技术的应用实例

    滚动轴承疲劳剥落磨粒。 最大粒度可达100μm,长轴尺寸与厚度的比约为10∶1

    5.铁谱分析技术的应用实例
    滚动轴承滚 动疲劳产生 的 层 状 磨 屑,粒度为 20 ~ 50μm , 长 轴尺寸与厚 度 之 比 为 30∶1

    5.铁谱分析技术的应用实例

    齿轮疲劳磨屑,大磨屑所占的比例高。

    5.铁谱分析技术的应用实例
    齿轮的剥块状 磨屑,厚度达 7μm,长轴 尺寸与厚度之 比为5∶1

    5.铁谱分析技术的应用实例
    齿轮胶合 磨损磨 屑,磨屑 表面有划 痕

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    5.铁谱分析技术的应用实例
    齿轮滑动磨 损磨屑,大 磨屑的比例 高。磨粒范 围在 15μm 以 上,长轴尺 寸与厚度之 比为10∶1

    5.铁谱分析技术的应用实例
    烟气粉尘的窜引起的烟机轴瓦磨损

    01.8.20

    01.9.24

    磁性磨粒与杂质均少,均为正常磨损颗粒

    5.铁谱分析技术的应用实例

    5.铁谱分析技术的应用实例

    01.10.22

    01.12.17

    磁性磨粒有较大幅度的增加,出现有大于20μm的磁性磨 粒,同时出现非金属颗粒,这些非金属颗粒为烟气粉尘颗 粒,尺寸为20~150μm。

    01.10.22 油样谱图中含有烟气粉尘颗粒

    02.3.11 磁性磨粒减少并趋于正常磨损 状态

    5.铁谱分析技术的应用实例

    思考题
    1. 简述机械振动分类。 2. 振动传感器有哪些类型? 3.简述涡流式位移传感器的特点及优缺点。 4. 声波怎样分类? 5.声强测量法有哪些优点?声强探头有哪几种?

    02.5.28

    02.6.18

    磁性磨粒随时间变化在数量上有大幅度的增加,大小也有所 增大,细小的磁性磨?;蚍稚⒒蚣械胤植荚谡銎灼?, 是较为明显的异常磨损。

    6 . 简述材料的声发射特性,什么叫“凯塞尔效 应” ? 7. 声发射检测参数有哪些? 8. 简述声发射检测方法的优点与局限性? 9. 什么叫声发射?声发射技术有什么特点? 10. 简述常用声发射源的定位方法及简单原理?

    78 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ? www.fineprint.com.cn

    思考题
    11.什么叫热辐射?什么叫红外辐射? 12. 主动式与被动式红外成像有什么区别?热成像有什么特点? 13.影响红外成像仪测温精度的因素有哪些? 14.用红外诊断技术监测电力系统的故障时应该注意哪些问题? 15.简述油样分析的步骤。 16.简述油样光谱分析的原理与适用磨粒的大小范围。 17.简述油样铁谱分析的原理与适用磨粒的大小范围。 18.金属材料探伤中常用的超声波的波型有哪几种? 19.超声场有哪几个区域?各有什么特点? 20.超声波探伤中常用的探头有哪几种? 21.常用的超声波探伤方法有哪些? 22.穿透法探伤有哪些优缺点? 23.简述超声波探伤方法的优点与局限性?

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