1、第八章第八章 其它物理诊断方法其它物理诊断方法 学习目标：学习目标：n了解声学声学监测方法；n掌握温度温度监测方法；n了解无损无损检测技术。第一节第一节 声学监测方法声学监测方法n利用声响判断物品的质量是人们常用的简易方法。利用声响判断物品的质量是人们常用的简易方法。例如维修人员用听棒听棒检查轴承的运行状态，铁路工人用手锤手锤检验车架以判断其故障等，这些都是敲击声检测法。在检测蜂窝结构蜂窝结构与复合材料复合材料缺陷时，也常采用这种办法。这些简单的方法延用至今，但它只能是一种定性的故障检测手段，依赖于人的依赖于人的经验和技巧经验和技巧。n现代的声学监测技术已有了很大的发展，目前主要有声学和噪声监
2、测技术，超声波检测技术和声发射技术。一、声音和噪声诊断方法一、声音和噪声诊断方法n 在设备状态监测和故障诊断中，听碰到的声音一般为噪声，噪声有两类噪声有两类，一类是指一些不规则的、间歇的或随机的声波；另一类是指不希望有的扰动或干扰声音，有时也包括那些在有用频带内任何不需要的干扰。n在人们所处的某一环境中所有噪声的总和称为在人们所处的某一环境中所有噪声的总和称为环境噪声环境噪声。当观测研究某声源时，凡与该声源信号存在与否无关的一切干扰，统称为背景噪声背景噪声（如测量噪声、散粒噪声、热噪声等）。第一节第一节 声学监测方法声学监测方法n声级计声级计（传感器）是最基本的噪声测量仪器，通常由输入放大器、
3、计权网络、带通滤波器、输出放大器、检波器和显示装置组成，从表头上可直接读出声压级的分贝（dB）数。n 机器设备的噪声是伴随着振动同时产生的机器设备的噪声是伴随着振动同时产生的。利用声音和噪声的测量与分析进行机器设备监测及诊断的主要方法有下列几种：（1）通过简易诊断技术的评估法）通过简易诊断技术的评估法 这可以通过人的听觉系统主观判断噪声源的频率和位置，精估机器运行是否正常；或者或者借助于传声器-放大器-声级计对机器进行近场扫描测量和表面振速分析，用来寻找机器的噪声源和主要发声部位。这种方法可用于机器运行状态的这种方法可用于机器运行状态的一一般识别和精密诊断的粗定位般识别和精密诊断的粗定位。第一
4、节第一节 声学监测方法声学监测方法2通过频谱分析进行精密诊断通过频谱分析进行精密诊断 与与振动诊断方法一样，频谱分析是识别声源的重要方法频谱分析是识别声源的重要方法，可以寻找发生故障的零、部件及故障原因。对于往复机械或旋转机械，一般一般都可以在它们的噪声频谱信号中找到与转速n（r/min）和系统结构特性有关的基波和谐波峰值及其频率值，可用来识别主要噪声源。当峰值频率为好几个零、部件共有时，这时，就要结合其它方法，方可识别和区别究竟哪个零、部件是主要噪声源。3声强法声强法 声强探头具有明显的指向特性。声强探头具有明显的指向特性。声强法测量对声学环境没有特殊要求，并可在近场测量，测量既方便又迅速。
5、4相关函数法相关函数法第一节第一节 声学监测方法声学监测方法二、超声波诊断方法二、超声波诊断方法 正常人耳可以听到的声音的频率范围为2020000Hz，在此范围内的声音叫作可听声可听声。频率低于20Hz的叫次声次声，高于20000Hz的叫超声超声，用于故障诊断的超声波频率一般是在0.5MHz到10MHz以上（1MHz=1000000Hz）。n 利用超声波进行探伤的特点特点是：超声波有良好的指向性，频率越高，指向性越好；由于由于频率高，波长短，超声波可在物体界面或内部缺陷处反射、折射和散射，据此可检测物体内部和表面的缺陷。n并且波长越短，识别缺陷的尺寸越小，可检测与其波长同量级的缺陷。第一节第一
6、节 声学监测方法声学监测方法n超声波探伤的优点优点是：设备轻巧，操作方便，成本低，灵敏度高，检测速度快，可自动化检测，适用于野外作业，而且超声波对人体无害。缺点缺点是检测时有一定的近场盲区，且很难用于在线检测。目前，超声波探伤技术超声波探伤技术已广泛应用于工矿企业的一些重要管线和压力容器的故障诊断。n另外，超声波测厚技术超声波测厚技术也是超声波诊断方法的一种，这一技术也是超声波诊断方法的一种，这一技术已广泛应用于管道壁厚测量已广泛应用于管道壁厚测量。例如，2002年夏天，某化纤公司聚酯生产装置一台热媒加热炉发生热媒加热盘管泄漏，在对漏点进行焊接修补的同时，利用超声波测厚仪对盘管进行壁厚测量，经
7、多点检测得之当时壁厚范围约在3.54mm（原始壁厚4mm），提供了该热媒加热炉继续使用的参考依据。第一节第一节 声学监测方法声学监测方法三、声发射诊断技术三、声发射诊断技术n当加载物体发生当加载物体发生塑性变形塑性变形、内部晶格位错运动、内部晶格位错运动、晶界滑移时晶界滑移时，或，或者在裂纹成核、扩展和物体断裂时以及其它缺陷增长时，都会以者在裂纹成核、扩展和物体断裂时以及其它缺陷增长时，都会以弹性波的形式释放出猝发能量，这种现象称为弹性波的形式释放出猝发能量，这种现象称为声发射声发射（Acoustic Emission）。）。n大多数金属材料的塑性变形和位错运动中的声发射信号很微弱很微弱。这就
8、要借助借助传感器和测量仪器，通过通过检测分析声发射信号，并进而根据根据声发射信号的特征推断声发射源的机理和危险性，这就出现了声发射技术声发射技术。第一节第一节 声学监测方法声学监测方法n声发射必须有外部条件外部条件，如力、电磁、温度等因素的作用，使材料内部结构、缺陷或潜在缺陷发生变化，才能产生能量释放使声发射出来。因此声发射技术是一种“动态动态”无损检测技术无损检测技术，它对增长着的缺陷更敏感，可以检测微米数量级微米数量级的显微裂纹的变化，检测灵敏度很高。n另外，绝大多数金属和非金属都具有声发射特性，声发射诊断几乎不受材料所限，可以长期对缺陷的安全性进行实时状况监测和险情报警，这是声发身技术优
9、于其它无损检测技术的特点。n但是，由于材料的塑性变形和裂纹扩展等的不可逆性不可逆性，声发射也有不可声发射也有不可逆性逆性，即认为应力第二次再重复作用时，大多数弹性体不会再产生声发射。因此，必须知道材料的受力历史或者在构件第一次受力时进行声发必须知道材料的受力历史或者在构件第一次受力时进行声发射诊断射诊断。n需要指出的是需要指出的是，声发射探伤的技术关键之一是排除背景噪声的干扰。第一节第一节 声学监测方法声学监测方法第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 温度与机器设备的运行状态密切相关。温度与机器设备的运行状态密切相关。如润滑不良造成机件的异常磨损会使相应部位的温度升高故障征兆；高温也会引发机
10、械设备故障，尤其在夏季运行时更需注意。旋旋转机械的的轴承、润滑油和带电设备的接头转机械的的轴承、润滑油和带电设备的接头等是需要重点关注温度和温升的部位。温度诊断技术是利用温度诊断技术是利用测量机件工作温度测量机件工作温度的方式，对机器的方式，对机器设备的发热状态进行监测，从而判断设备的技术状态。设备的发热状态进行监测，从而判断设备的技术状态。温度监测方法包括简易温度监测方法简易温度监测方法和红外测温监测方法红外测温监测方法。一、简易温度监测方法一、简易温度监测方法 温度是工业生产中重要的热工参数热工参数之一，温度的变化与被温度的变化与被监测设备的性能和工况有密切的关系监测设备的性能和工况有密切
11、的关系，因此，温度监测已被广泛地应用于在线设备的监测在线设备的监测上。简易温度监测常用接触式测温仪表接触式测温仪表，常用的有下列几种：n膨胀式温度计膨胀式温度计：分液体式和固体式，它们是利用液体或固体受热膨胀的原理制成原理制成的，如液柱温度计和双金属温度计。n压力表式温度计压力表式温度计：分液体式、气体式和蒸汽式，其作用原理作用原理是封闭在固定容积中的液体、气体或某种液体的饱合蒸气，受热后体积膨胀或压力变化。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 n电阻温度计电阻温度计：是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来进行测温进行测温的。通常以金属热电阻或半导体热敏电阻作为敏感敏感元件元件，用电桥
12、转换变为电压的变化。n热电偶温度计热电偶温度计：其基本原理基本原理是利用物体的热电效应，用电位差计等仪表测量出热电势，来求出对应的温度值。接触测温由于热接触和热平衡常带来较大的误差较大的误差，同时，在应用范围上也有一定的局限性，因此，非接触测温法非接触测温法越来越受到人们的重视。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 二、红外测温监测技术二、红外测温监测技术 任何物体都存在热辐射。物体温度不同，辐射的波长组成成分不同，辐射能的大小也不同。在热辐射中很重要的成分是红外线辐射，称之为“红外辐射红外辐射”。n红外辐射就是从可见光的红端到毫米波的宽广波长范围内的电磁波辐射。由物体自身发射的由物体自身发
13、射的红外辐射强度红外辐射强度反映了物体反映了物体自自身的温度身的温度，能提供物体热状态的重要信息，可揭示物体的，能提供物体热状态的重要信息，可揭示物体的形形状特征状特征。n因此，利用红外辐射温度计红外辐射温度计和红外成象装置红外成象装置进行系统状态监测和故障诊断得到了迅速的发展和应用。如果按照检测的形状分，红外测温设备包括：用于检测点点的红外点温仪红外点温仪（红外（红外测温仪）测温仪）；用于检测线线的红外行扫描仪红外行扫描仪；用于检测面面的红外红外热像仪热像仪和红外热电视红外热电视。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 n红外测温设备红外测温设备的主要部分包括精密光学系统精密光学系统和红外探
14、测器红外探测器。n红外测温仪红外测温仪（红外点温仪）是最轻便、最直观、最快速最轻便、最直观、最快速的非接触测温仪，它常用于测量物体的一个点点（指相对较小的面积）的温度。由于红外测温仪结构简单、轻巧便携、使用方结构简单、轻巧便携、使用方便、价格低廉便、价格低廉，因而成为现场检测的通用手段。n 红外热成象系统红外热成象系统是把物体发出的红外辐射经光学成象物镜、光机扫描系统投射到投射到液氮致冷红外探测器上，探测器把红外辐射信号转变成电信号，经放大放大和处理处理后在视频显示器上得到与物体表面热分布相应的“实时热图象实时热图象”。从而实现了把实现了把景物的不可见热图象转变为可见图象景物的不可见热图象转变
15、为可见图象。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 n目前常用的热成象主要有红外热象仪红外热象仪和红外热电视红外热电视两类。近年来，利用微机的图象处理和分析系统也得到了广泛的应用。热成象技术具有如下特点如下特点：可进行可进行非接触检测非接触检测；可给出空间分辨率和温度分辨率都较好的设备的可给出空间分辨率和温度分辨率都较好的设备的温度场的二温度场的二维图象维图象；可进行快速和实时测量，允许我们进行可进行快速和实时测量，允许我们进行瞬态研究瞬态研究和大范围设和大范围设备的备的快速观测快速观测，并可记录与重放物面温度场及其，并可记录与重放物面温度场及其演变过程演变过程，进行数据显示、计算、处理和分析
16、；进行数据显示、计算、处理和分析；具有具有全被动式全被动式、全天候全天候的特点。的特点。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 三、红外测温技术在故障诊断中的应用三、红外测温技术在故障诊断中的应用 只要表面发出的只要表面发出的红外辐射红外辐射不受阻挡，都属于不受阻挡，都属于红外诊断技术红外诊断技术的有效监的有效监测设备测设备，例如例如：旋转机械、变压器、断路器、互感器、电力电容器、避雷器、电力电缆、母线、导线、绝缘子串、组合电器、低压电器及二次回路等。在电力系统中，输电电缆的接头发热是电力设备中的一个主要问题。如如为了防止过热造成停电事故，需用大量人力手工测量接头或导线的电阻比。不仅劳动强度大
17、，而且作业危险。n利用利用红外温度测量仪红外温度测量仪则只需只需手持仪器对着导线接头直接测量，几分钟即可完成检查工作。又如电机转子、变压器、开关、闸刀等常常因元件老化造成失效，不但不但会影响正常供电甚至会引起火灾，停电检查势必会影响生产。n利用红外测量仪红外测量仪进行在线监测代替停电检查可充分显示出它的优越性。电气部件的故障是逐渐恶化的，在此过程中往往伴随着电气部件的故障是逐渐恶化的，在此过程中往往伴随着温度的升高温度的升高，根，根据所测温度及电气设备的特点，可以判断该设备据所测温度及电气设备的特点，可以判断该设备是否已经变坏是否已经变坏，并可做，并可做出出趋势分析趋势分析。第二节第二节 温度
18、监测方法温度监测方法 带电设备（带电设备（Alive Equipment）红外诊断技术）红外诊断技术 定义：定义：1带电设备带电设备：传导传导负荷电流(试验电流)或加有加有运行电压(试验电压)的设备。2温升温升（Temperature Rise）：用同一检测仪器同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之差表面温度之差。3温差温差（Temperature Difference）：用同一检测仪器同一检测仪器相继测得的不同被测物或同一被测物不同部位之间的温度差温度差。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 4相对温差相对温差（Relative Temperature Differ
19、ence）：两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数相对温差之比的百分数相对温差t可用下式求出：t=(12)/1100%=(T1T2)/(T1T0)100%式中：1和T1为发热点发热点的温升和温度；2和T2为正常正常相对应点的温升和温度；T0为环境参照体的温度。5环境温度参照体环境温度参照体（Reference Body Of Ambient Temperature）：用来采集采集环境温度的物体叫环境温度参照体。它可能不具有当时的真实环境温度，但它但它具有与被测物相似相似的物理属性并与被测物处在相似的环境之中。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 运行电气设备的红外检测红外检测和
20、诊断周期诊断周期应根据电气设备的重要性、电压等级、负荷率及环境条件等因素确定。n红外检测时一般先用红外热像仪红外热像仪或红外热电视红外热电视对所有应测部位进行全面扫描全面扫描，找出热态异常部位热态异常部位，然后对异常部位和重点检测设备进行准确测温准确测温。准确测温应注意注意下列各项：1针对不同不同的检测对象选择不同不同的环境温度参照体；2测量设备发热点、正常相的对应点及环境温度参照体的温度值时，应使用同一仪器测量同一仪器测量；3正确选择被测物体的发射率；第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 4作同类比较时要注意保持保持仪器与各对应测点的距离一致距离一致，方位方位一致一致；5正确键入键入大气温
21、度、相对湿度、测量距离等补偿参数补偿参数，并选择适当的测温范围；6应从不同方位进行检测，求出求出最热点的温度值温度值；7记录记录异常设备的实际负荷电流和发热相、正常相及环境温度参照体的温度值温度值。第二节第二节 温度监测方法温度监测方法 案例一：案例一：35kV多油断路器外连接件接触不良，6个接头有5个发热，最高温度达537.2，属紧急缺陷。案例二：案例二：发热接头温度T1=97.9，正常相T2=31.2，T0=10.2，t=75.9%，属一般缺陷。案例一案例一 高压断路器外部连接件接触不良高压断路器外部连接件接触不良 案例二案例二 电缆头接头接触不良电缆头接头接触不良 第二节第二节 温度监测
22、方法温度监测方法 无损检测无损检测（NDT，Nondestructive Testing）是指对是指对材料和和零、部件进行的进行的非破坏检测非破坏检测，以期发现，以期发现表面和和内部缺陷的一项专门技术。的一项专门技术。表表8-1 无损探伤法检测表面裂纹的极限能力无损探伤法检测表面裂纹的极限能力 第三节第三节 无损检测技术无损检测技术 检测方法裂纹尺寸（mm）注释宽长深目视法0.12受表面状况和光照的影响渗透法10-210.1与表面状况有关磁粉法10-210.2与磁化方式有关，限于铁磁材料涡流法10-210.2与激励频率有关，适于导体超声波法10-221与反射情况有关X射线法0.350.3与表面
23、垂直厚度有关声发射法10-310-310-3仅在裂纹扩展时才有信号1渗透探伤法（着色探伤法）渗透探伤法（着色探伤法）n用清洗剂（无色）清洗剂（无色）把受检零件表面预先清理干净后，在其表面敷以敷以专用的渗透液，当表面有开口缺陷时，经足够的时间后，渗透剂（红色）渗透剂（红色）就渗透到缺陷渗透到缺陷中；然后然后把零件表面多余的渗透液清洗掉，再涂再涂以显象剂形成显象剂（白色）薄膜显象剂（白色）薄膜，把缺陷中的渗透液吸出吸出，经充分扩散经充分扩散进入显象剂薄膜，显现显现缺陷图景；最后最后就可观测判断缺陷的位置、形状和大小，这就是渗透探伤法渗透探伤法（Penetrant Testing）。优点：优点：简单
24、方便，直观形象，成本最低，应用范围广。缺点：缺点：仅适于表面开口的缺陷类型，灵敏度不太高，不利于实现自动化，不能显示深度。第三节第三节 无损检测技术无损检测技术 2磁粉探伤法磁粉探伤法n磁粉探伤（Magnetic Particle Testing）是一种应用较早较广的无损检测方法。主要用于主要用于探测磁性材料或零、部件表面和近表面的各种缺陷各种缺陷。通过观测施加在构件上的磁粉痕迹磁粉痕迹，就可判定缺陷的位置、取向和大小。优点：优点：比渗透探伤渗透探伤更灵敏，能探测近表面的缺陷；可携带，甚至可用于水下探测水下探测；不需除去像油漆那样的涂层，使用简便，成本较低；显示直观。缺点：缺点：仅适于铁磁材料
25、或构件；试验前要去除剩磁，否则会出假痕迹；若要探测所有方向上的缺陷，要进行多次探测。第三节第三节 无损检测技术无损检测技术 3涡流探伤法涡流探伤法n涡流探伤法是以电磁感应电磁感应为基础的。优点：优点：适用范围广，灵敏度高，超过超过磁粉探伤磁粉探伤所能测到的深度；不用耦合剂，且可用于高温探伤；容易实现自动化和计算机化的数据处理。缺点：由于缺点：由于涡流表面的趋肤效应，距表面较深的缺陷难以检测出来；由于由于影响涡流变化的因素很多，故必须采用信息处理的方法“去伪存真”，这就需要做模拟试验或做标准试块予以对比，或做些预试验摸索规律，方可做出正确判断；涡流对形状复杂的零件存在边界效应。第三节第三节 无损
26、检测技术无损检测技术 4射线探伤法射线探伤法n在设备诊断中常用的射线有X和射线射线。射线探伤技术在核反应堆部件的质量检验中，在固体火箭发动机的完整性评价中都已得到了具体应用，现已成为检查现场安装质量、维护管理和寿命预测的主要手段主要手段。其主要缺点主要缺点是射线对人身有害，且设备的成本较高。5光学探伤法光学探伤法n光学探伤的主要设备是光学内窥镜光学内窥镜。第三节第三节 无损检测技术无损检测技术 材料监测项目目视检测法温度检测法光学检测法渗透检测法磁粉检测法射线检测法涡流检测法泄漏检测法力学检测法声学检测法超声探伤法超声测厚法声发射法其它方法金属表面开裂纹/表面腐蚀坑/严重腐蚀研磨/内部裂纹/孔
27、隙/未焊透缺陷/内部孔穴夹杂/缺陷尺寸/厚度测量/结构微变化/应力/应变测量/涂层金属涂层厚度测量/涂层剥落/涂层针孔/复合材料脱粘/纤维/基体配量/树脂不完全固化/内部孔隙混凝土混凝土厚度加强钢筋腐蚀/陶瓷表面裂纹/内部裂纹孔隙/其它组装检测选分表表8-2 各种检测方法的应用范围各种检测方法的应用范围 注：/一般的检测方法 较好的检测方法 小小 结（一）结（一）n利用声响声响判断物品的质量是人们常用的简易方法。现代的声学监测技术已有了很大的发展，目前主要有声学和噪声监测技术、超声波检测技术和声发射技术。n温度温度是工业生产中重要的热工参数之一。简易温度监测常用接触式测温仪表；目前，非接触测温
28、法红外测温监测技术越来越受到人们的重视。n无损检测无损检测是指对材料和零、部件进行的非破坏检测，以期发现表面和内部缺陷的一项专门技术。互动时间一、单项选择题一、单项选择题（在备选答案中选出一个正确答案，并将其号码填在题干中的横线上）1声级计是依靠 将被测声波转变为电信号，最后在表头上指示出读数。A、微音器（传感器）B、扩大器 C、检音器 D、记录仪2超声的频率范围为 。A、低于20Hz B、高于10000Hz C、高于20000Hz D、低于10Hz3下列监测方法中不属于声学监测方法的是 。A、声发射诊断技术 B、超声波测厚 C、声强法 D、射线探伤法4泄漏故障的检查方法有超声波检查、涂肥皂水
29、、涂煤油和 等多种方法。A、升温检查 B、加压试验 C、性能试验 D、超速试验5以下测温仪表中，不属于接触式测温仪表的是 。A、膨胀式温度计 B、红外测温仪 C、压力表式温度计 D、热电偶温度计6一台高速运转的齿轮箱，下列部位中，最适宜作为温度监测点。A、上箱体盖 B、侧箱体盖 C、底座 D、轴承座7以下无损检测技术中，能测得裂纹尺寸最小的是 。A、渗透探伤法 B、磁粉探伤法 C、涡流探伤法 D、声发射法8以下无损检测技术中，对人体有害的是 。A、磁粉探伤法 B、涡流探伤法 C、射线探伤法 D、光学探伤法二、判断题二、判断题（在括号内选择打“”或“”）1超声波测厚技术属于超声波诊断方法。（）2声发射具有可逆性。（）3体温计属于膨胀式温度计。（）4红外测温设备是利用物体存在红外辐射的原理工作的。（）5目前常用的热成象主要有红外测温仪和红外热电视两类。（）6用来采集环境温度的物体叫环境温度参照体。（）7红外测温监测技术仅用来检测带电设备。（）8磁粉探伤法仅适于铁磁材料或构件。（）第八章 结束谢谢大家!2022-10-2133
