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第一节 设备故障概述
一、故障及其分类
（一）故障的概念：故障就是设备因为某种原因丧失规定功能的现象。
1、设备包括元件、零件、部件、产品或者系统；
2、丧失规定功能，比破坏的含义要广泛得多。
（二）故障的分类
1、按照故障发生、发展的进程分类，分为突发性故障和渐发性故障；
（1）突发性故障，故障发生之前没有明显的可以察觉的征兆，这种故障发生比较突然，因此具有较大的破坏性；
（2）渐发性故障，是由于设备中某些零件的技术指标不断恶化，最终超出允许的范围或者允许的极限而引发的故障。渐发性故障一般和磨损、腐蚀、疲劳等等因素密切相关。
2、按故障的性质分类，分为自然故障和人为故障。
（1）自然故障是指在设备运行过程中，因为自身的原因所造成的故障，又分为正常自然故障和异常自然故障。
由于正常工作中发生磨损、腐蚀这些原因引起的为正常自然故障。
由于设计不当造成设备中存在的薄弱环节或者制造不当造成设备中存在薄弱环节而引发的故障属于异常自然故障。
（2）人为故障主要指的是操作使用不当或意外原因造成。
二、引起故障的外因
可以归结为三个方面，环境因素、人为因素和时间因素。
（一）环境因素
所谓环境因素，就是力、能量、温度、湿度、振动、污染物这些外界因素，使机件发生磨损、变形、裂纹、腐蚀等各种形式的损伤。
表9-1表示了由于机械能、热能、化学能、其他能量等环境因素引起的故障。
表9-1 环境影响及旨起的故障
环境因素 主要影响 典型故障
机械能 产生振动、冲击、压力、加速度、机械应力等 机械强度降低、功能受影响、磨损加剧、过量变形、疲劳破坏、机件断裂
热能 产生热老化、氧化、软化、烙化、粘性变化、固化、脆化、热胀冷缩及热应力等 电气性能变化、润滑性能降低、机械应力增加、磨损加剧、机械强度降低、腐蚀加速、热疲劳破坏、密封性能破坏
化学能 产生受潮、干燥、脆化、腐蚀、电蚀、化学反应及污染等 功能受影响、电气性能下降、机械性能降低、保护层损坏、表面变质、化学反应加剧、机件断裂
其他能量 产生脆化、加热、蜕化、电离及磁化 表面变质、材料褪色、热老化、氧化、材料的物理、化学、电气性能发生变化
（二）人为因素
设备在设计、制造、使用和维修过程中，始终都包含着人为因素的作用，特别是早期故障的发生，大部分可以归结于人为因素。这里包括：
1.设计不良。
2.质量偏差。
3.使用不当。
这三项人为因素中，对故障率影响最大的是使用不当。
（三）时间因素
环境因素、人为因素是促使设备发生故障的诱因，在考虑环境因素和人为因素时需将时间因素考虑在内。
常见的磨损、变形、裂纹、腐蚀这些故障的机理都与时间有着密切的关系，所以时间也是形成故障的主要外因之一，在设备的故障中，除了意外的突发性故障以外，大多数都属于渐发性故障，而且，也只有这类渐发性故障，才为故障诊断提供了可能。
三、描述故障的特征参量
描述故障的特征参量分成为两大类，第一是直接特征参量，第二是间接特征参量。
（一）直接特征参量
1、设备或部件的输出参数：设备的输出与输入的关系以及输出变量之间的关系都可以反映设备的运行状态。
2、设备零部件的损伤量：变形量、磨损量、裂纹以及腐蚀情况等都是判断设备技术状态的特征参量。
（二）间接特征参量
即二次效应参数，主要是设备在运行过程中产生的振动、噪声、温升以及电参数的变化等等，利用间接特征参量进行故障诊断
1、优点：
（1）可以在设备运行的时候检测，而不需停止；
（2）一般无需拆卸。
2、缺点：间接特征参量和故障之间的关系，不是简单的一一对应的关系。
【例题1•单选题】以设备或部件输出参数作为故障特征参数（）（2005）
A.一般难以发现早期故障
B.不但能查出有无故障还能查明故障原因
C.可以判断出故障的形式
D.可以判断出故障的部位
答案： A
【例题2•单选题】通过对（ ）的监测，不仅可以判断故障的存在，还可以判断故障的发展趋势。（2006）
A.设备输出变量变化
B.设备零、部件损伤量
C.设备输入、输出关系变化
D.设备两个输出变量间关系变化
答案：B
【例题3•单选题】下列描述设备故障的特征参量中，（ ）为设备的输出参数。（2008）
A.设备运行中的输入、输出关系
B.设备零部件的损伤量
C.设备运行中产生的振动
D.设备运行中的声音
答案：A
第二节 设备故障诊断技术和它的实施过程
一、设备故障诊断的实施过程
测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要的对策的技术，即设备故障诊断技术。
图9-1，诊断技术的三个阶段：状态监测，分析诊断，治理预防。
（一） 状态监测
通过传感器，采集设备在运行中的各种信息，把它转变为电信号或者其他信号，再把这个信号送到信号处理系统进行处理。
信号处理系统主要就是把有用信号提取出来，而把无用信号、干扰信号排除。
（二） 分析诊断
包括状态识别和诊断决策两个部分，状态识别就是把这些参数或者图谱和参考的参量或者参考的图谱进行比较，来识别设备是否存在故障，通过这样状态识别以后，就可以做出诊断结果，即分析诊断。
（三） 治理预防
根据分析诊断得出的结论，确定治理修正预防的办法。包括调度、改变操作、更换停机检修等等。
二、状态监测与故障诊断的区别与联系
状态监测是故障诊断的基础和前提，没有状态监测就谈不上故障诊断。而故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，诊断是目的。
三、设备故障诊断技术的分类，有三种分类方法：
（一）按照诊断的目的、要求和条件分类，分为功能诊断和运行诊断、定期诊断和连续监测、直接诊断和间接诊断、在线诊断和离线诊断、常规诊断和特殊诊断、简易诊断和精密诊断等等。
1、功能诊断和运行诊断。功能诊断主要是针对新安装的设备或刚刚维修过的设备，而运行诊断更多是起到状态监测的功能。
2、定期诊断和连续监测。
3、直接诊断和间接诊断。
直接诊断是直接根据关键零部件的状态信息来确定其所处的状态，例如轴承间隙、齿面磨损.直接诊断迅速可靠，但往往受到机械结构和工作条件的限制而无法实现。
间接诊断是通过设备运行中的二次效应参数来间接判断关键零部件的状态变化。由于多数二次效应参数属于综合信息，因此在间接诊断中出现伪警或漏检的可能性会增加。
4、在线诊断和离线诊断。
在线是指对现场正在运行设备的自动实时监测；而离线监测是利用磁带记录仪等将现场的状态信号记录后，带回实验室后再结合诊断对象的历史档案进行进一步的分析诊断或通过网络进行的诊断。
5、常规诊断和特殊诊断。
常规诊断是在设备正常服役条件下进行的诊断，大多数诊断属于这一类型诊断。但在个别情况下，需要创造特殊的服役条件来采集信号，例如，动力机组的起动和停机过程要通过转子的扭振和弯曲振动的几个临界转速采集起动和停机过程中的振动信号，停车对诊断其故障是必须的，所要求的振动信号在常规诊断中是采集不到的，因而需要采用特殊诊断。
6、简易诊断和精密诊断。
简易诊断一般由现场作业人员进行。凭着听、摸、看、闻来检查。也可通过便携式简单诊断仪器,如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外测温仪等对设备进行人工监测，根据设定的标准或凭人的经验确定设备是否处于正常状态。
精密诊断一般要由专业人员来实施。采用先进的传感器采集现场信号，然后采用精密诊断仪器和各种先进分析手段（包括计算机辅助方法、人工智能技术等）进行综合分析，确定故障类型、程度、部位和产生故障的原因，了解故障的发展趋势。
（二）按诊断的物理参数分类
表9-2，振动、声学、温度、污染、无损诊断、压力诊断等等，都是按物理参数分类。 表9-2 按诊断的物理参数分类
诊断技术名称 状态检测参数
振动诊断技术 平衡振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数
声学诊断技术 噪声、声阻、超声以及发射等
温度诊断技术 温度、温差、温度场以及热象等
污染诊断技术 气、液、固体的成分变化，泄漏及残留物等
无损诊断技术 裂纹、变形、斑点及色泽等
压力诊断技术 压差、压力及压力脉动等
强度诊断技术 力、扭矩、应力及应变等
电参数诊断技术 电信号、功率及磁特性等
趋向诊断技术 设备的各种技术性能指标
综合诊断技术 各种物理参数的组合与交叉
（三）按照按诊断的直接对象分类
各种不同的对象，诊断方法、诊断的技术、诊断的设备都有很大区别，按照机械零件、液压系统、旋转机械、往复机械、工程结构等等来进行区分。
表9-3 按直接诊断对象分类
诊断技术名称 直接诊断对象
机械零件诊断技术 齿轮、轴承、转轴、钢丝绳、连接件等
液压系统诊断技术 泵、阀、液压元件及液压系统等
旋转机械诊断技术 转子、轴承、叶轮、风机、泵、离心机、汽轮发电机组及水轮发电机组等
往复机械诊断技术 内燃机、压气机、活塞及曲柄连杆机构等
工程结构诊断技术 金属结构、框架、桥梁、容器、建筑物、静止电气设备等
工艺流程诊断技术 各种生产工艺过程
生产系统诊断技术 各种生产系统、生产线
电器设备诊断技术 发电机、电动机、变压器、开关电器
【例题4•多选题】设备故障诊断通常分为状态监测、分析诊断和治理预防三个阶段，其中分析诊断包括状态识别和诊断决策。下列各项中，属于分析诊断阶段工作内容的包括 （ ）。（2007）
A.获得诊断决策的可靠依据——征兆
B.将反映设备运行状态的征兆与故障状态参数进行比较，来识别设备是否存在故障
C.找出故障产生的原因及发生的部位
D.预测设备的性能和故障发展的趋势
E.确定治理修正的办法
答案：BCD
第三节 设备故障诊断常用方法
这节是本章的重点和核心。，振动、噪声和温度的测量又是这节的重点。
一、振动测量法
（一）振动的分类
根据能否用确定的时间关系函数来描述，振动分为确定性振动和随机振动。
1、随机振动不能用精确的数学关系式来描述，例如地震。
2、 确定性振动又分为周期振动和非周期振动，周期振动又进一步分为简谐周期振动和复杂周期振动。图9-2是振动分类的图。
确定性振动就是振动和时间的关系如果能用确定的函数来描述，如果振动和时间的关系如果不能用一个确定的数学函数来描述，那就是叫随机振动。如汽车在一条凹凸不平的道路上行驶，它的振动就是随机的。
简谐周期振动，就是振动只含有一种频率。而复杂周期振动是这种振动中，含有多种频率的振动，其中任意两个振动频率之比都是有理数。有理数，就是说任意两个振动的周期，都有一个最小公倍数。比如第一个是3π为周期，另一个是4π为周期，那么最小公倍数就是12π，因此每经过12π，两个振动都又回到原来的起点。那就是有一个公共的周期，这就是复杂周期振动。
非周期振动，包括准周期振动和瞬态振动。准周期振动是包含多种频率的振动，其中至少两个的振动频率之比为无理数，除不尽，找不到公共周期。
瞬态振动，是可用脉冲函数或衰减函数描述的振动。如爆炸产生的冲击振动就是瞬态振动。
（二）振动的基本参数
振幅、频率和相位是振动的基本参数。振动可以通过这三个参数加以描述。
式中：
x（t）— 振动位移；
t—时间
A—振幅
T—振动周期
f—振动频率；
ω—角频率
φ—初始相位角
1.振幅。表示振动体（或质点）离开其平均中心的幅度。它是振动强度的标志，可用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。
2.频率。每秒振动的次数称为频率f，其单位为次/秒，用Hz表示。振动体每振动一次所需要的时间称为周期（T），单位为秒（s）。振动频率与振动周期互为倒数。只要确定出振动所包含的主要频率成分及其幅值的大小，就可以找出振源。可见该量对查找产生振动的原因具有重要意义。
3.相位。表示振动的部分相对于其他振动的部分或其他固定部分处于什么位置关系的一个量。相同相位的振动可能引起合拍共振，产生严重后果。如果相位相反，则可能引起振动抵消，起到减振作用。因此，相位也是振动特征的重要信息，在查找发生异常的位置方面具有重要意义。
振动的运动规律除了可以用位移的时间历程描述外，还可以用速度和加速度的时间历程来描述。振动位移对时间的一阶导数是速度、速度对时间的一阶导数是加速度。加速度对时间积分得速度、速度对时间积分得位移。
因此，位移、速度、加速度这三者，只要测出其中的一个参数，就可以通过微分、积分电路得到其他两个参数。
而且，由三者之间的微分关系可以得知：
速度的最大值超前位移最大值90°
加速度最大值位移最大值180°。
（三）常用的测振传感器
振动测量有机械方法、光学方法和电测方法，其中，电测方法应用最广泛。采用电测法测量振动，传感器的作用是感受被测振动参数，将其转换为电量。主要有三种测振传感器，分别为压电式加速度计、磁电式速度传感器和电涡流位移传感器。
1.压电式加速度计。
（1）工作原理：有些晶体能够产生压电效应，压电效应就是说这种晶体在一定方向上受力，产生变形时候，内部就会产生极化现象，在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除以后，又恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。压电式加速度计是基于压电效应工作的。
（2）压电晶体输出的电荷与振动的加速度成正比。压电式加速度计常见的结构形式为中心压缩式，分为正置压缩型、倒置压缩型、环形剪切型、三角形剪切型等，不管是哪一种，都包括压紧弹簧、质量块、压电晶片和基座等基本部分。其中，压电晶片是加速度计的核心。
（3）压电式加速度计属于能量转换型传感器。电荷产生不需要外接电源，灵敏度高而且稳定，有比较理想的线性。
突出的优点：因为没有移动元件，所以不会因为磨损而造成寿命降低的现象。
此外，压电式加速度计使用的上限频率随其固定方式而变。最佳的固定方式是采用钢螺栓固定，只有这种固定方式能达到出厂标示的上限使用频率。
（4）小结：
第一，是利用压电效应工作的；
第二，输出电荷和振动加速度成正比；
第三，组成都包括了压紧弹簧、质量块、压电晶片和基座，其中压电晶片是加速度计的核心；
第四，属于能量转换型，不需要外接电源；
第五，内部没有移动元件，所以不容易发生磨损；
第六，是上限频率和固定的方法有关。
2.磁电式速度传感器。
（1）原理：利用电磁感应原理，把振动速度转换为线圈中的感应电动势。
测振时，将传感器固定或紧压在被测设备的指定位置，磁钢与壳体一起随被测系统的振动而振动，线圈和磁场之间产生相对运动，切割磁力线而产生感应电动势，从而输出与振动速度成正比的电压。它的工作也不需要外加电源，而是直接从被测对象吸取机械能量，并将其转换成电量输出。因此，它也是一种典型的能量转换型传感器。
（2）特点：输出功率大，性能比较稳定；
不足就是传感器中存在着机械运动的部件，所以寿命比较短。
3.电涡流位移传感器。
（1）原理：它基于金属体在交变磁场中的电涡流效应工作，属于能量控制型传感器。测量时， 将传感器顶端与被测对象表面之间的距离变化转换成与之成正比的电信号。
电涡流位移传感器必须借助电源才能将振动位移转变为电信号，属于能量控制型传感器。
（2）特点：涡流位移传感器属于非接触式测量。这种传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。电涡流位移传感器被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电动机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等。
图9-6是电涡流位移传感器的示意图。
小结：
三种传感器的主要特点对比：
1、压电式加速度传感器和磁电式的速度传感器，都是能量转换型，而电涡流位移传感器，是能量控制型，需要外接电源，这是这三种振动传感器最大的不同。
2、就是在磁电式速度传感器中有运动元件，所以寿命受到影响。
3、电涡流位移传感器是非接触式测量，所以它可以适用于高温或者受污染的对象。
（四）异常振动分析方法
分析方法有三种：振动总值法，频谱分析法和振动脉冲测量法。
1、振动总值法：就是对照“异常振动判断基准”，判别实际测量值到底是不是超过极限值，也就是我规定的值，从而评价设备工作状态是正常还是出现异常。振动值可用加速度、速度或位移来表示，通常都用振动速度这个参数。表9-4就是国际标准化组织，ISO制定的一个异常振动判断基准。
2、通过频谱分析诊断异常振动。
可以用振动总值法判别整机或者部件的异常振动，如果要进一步查出异常的原因和位置，就要对振动信号进行频谱分析。
频谱分析就是将时域信号变换为频域信号（在时域信号中，横坐标是时间；而在频域信号中，横坐标是频率或圆频率。），得到频谱图，从而获得信号的频率结构（组成信号的各个频率分量及振动能量在各频率分量上的分布）。
频谱分析通常由专用的频谱分析仪来完成，图9-7，就是一个数字式频谱分析仪方框图。具体的过程：通常先采用测振仪，进行振动总值的检测，如果发现振动总值超出最大允许值，或者增长速度比较快，就要对它进行频谱分析。在频谱分析过程中，放大器的作用，是把输入信号放大到所需要的这种幅度。而滤波器，则是用于滤去高频成分，防止高频成分产生干扰。A/D转化就是把模拟量转换为数字量；因为后面的高速数据处理器只认数字量。高速数据处理器用来完成频谱分析，它可以是一台微型计算机，也可以是专用的硬件电子线路来完成。
3、振动脉冲测量法：专门用于进行滚动轴承的磨损和损伤的故障诊断。
其原理是利用滚动轴承失效时由于滚道产生点蚀、剥落等缺陷使轴承内外环上出现凹痕，每当与滚珠接触时，都会发生一个冲击力，虽然这也增加了振动的有效值，但影响最大的是峰值。这种冲击脉冲波经设备本体传至压电式传感器，传感器输出的信号峰值，基本上只与脉冲波的幅值有关，对其他因素相对来说并不敏感，因此当测量系统对冲击效应进行放大时，不会受普通机器振动的影响。
根据实际冲击水平与正常冲击水平之差（即冲击水平增加值）来判断轴承性能的好坏。
【例题5•单选题】下列关于涡流测振传感器的叙述中，正确的是（ ）（2005）
A.是基于电磁感应原理工作的接触式测振传感器
B. 属于相对式测振传感器
C.属于能量转换型传感器
D.适于测量旋转轴系的振动速度和转速
答案：B
【例题6•单选题】压电加速度计在其使用中，可以采用不同的固定方式。只有（ ）方式的实际使用上限频率能达到出厂标示的上限使用频率。 （2008）
A.钢螺栓固定 B.永久磁铁固定
C.粘结剂固定 D.手持探针
答案： A
【例题7•多选题】下列测量装置中，能够用于振动测量的有（ ）。 （2008）
A.涡流位移传感器 B.频谱分析仪
C.压电传声器 D.声级计 E.校准器
答案： AB
二、噪声测量法
（一）噪声测量的主要参数
进行噪声测量时，常用声压级、声强级和声功率级表示其强弱，也可以用人的主观感觉进行度量，如响度级等。
1.声压、声强、声功率
（1）声压：声波传播时，空气质点随之振动所产生的压力波动而引起的压强增量。
没有声波存在时，媒质的压力称为静压力，用Po表示。
压强增量，即声压，用P表示，单位是Pa。
仪器检测的声压为有效声压，是声压的均方根值。
（2）声强：单位时间内，通过垂直于传播方向上单位面积的声波能量——声强（W/㎡）。
（3）声功率：声源在单位时间内辐射出来的总声能——声功率（W）。
2.分贝与声级。引起听觉的可听声频率在20～20000Hz之间，但在此范围内的某一声波可以有不同的声压或声强。
当频率为1000Hz时，正常人耳开始能听到的声压为2×10 -5 Pa，称为听阈声压；频率为1000Hz，声压为20Pa时，能使人耳开始产生痛感，称为痛阈声压。
可见从听阈到痛阈，声压的绝对值数量级之比为1∶10 6 ，即相差一百万倍。
而从听阈到痛阈，声强的绝对值数量级绝对值之比为1∶1012 ，即相差亿万倍。
所以，用声压的绝对值表示声音的强弱以及用声强的绝对值表示能量的大小很不方便。而且人耳听觉响应并不与强度成正比，而是更接近于与强度的对数成正比。所以在声学中采用 “级”来度量声压和声强，称为声压级、声强级，还有声功率级。就像用级表示风的大小，地震的强弱。
（1）声压级（dB）：声压与基准声压之比的以10为底的对数的20倍，级是最常用的噪声测量参数。
基准声压
听阈声压级：
痛阈声压级：
（2）声强级：声强与基准声强之比的以10为底的对数的10倍——声强级（dB）。
基准声强
（3）声功率级；声功率与基准声功率之比的以10为底的对数的10倍——声功率级（dB）。
基准声功率
3.噪声的主观量度：响度、响度级、等响曲线
人们在实践中发现，人耳感觉到的声音的强弱不仅与声压有关，而且还与声音的频率有关。例如，频率为1000Hz而声压级为40dB的声音，听起来与频率为30Hz而声压级为75dB的声音一样“响”！人耳朵对声音的感觉，不仅和声压级有关，还和频率有关。当频率发生变化的时候，听阈和痛阈的声压级也是不同的。要确定噪声的响度，选用频率为1000Hz的纯音作为基准音，纯音就是只有一种频率的声音，调节1000Hz纯音的声压级，使它和所要确定的噪声听起来有同样的响度，具有同样的响度，则该噪声的响度级就等于这个纯音的声压级（dB）值，单位为方（Phon）。
在各个频率下对人的听力进行试验，得出的曲线即为等响曲线。这就是图9-8，等响曲线。对等响曲线需要掌握以下几点：
（1）纵坐标是声压级，横坐标是频率。
（2）同一条曲线上的各点，虽然代表着不同频率和声压级，但其响度相同，所以每条曲线都叫做等响曲线。在同一条曲线上，各点尽管频率声压级不等，但响度相等。
（3）将各个频率下刚刚能够听到的相同响度的声压级相连而得到的曲线，即为听阈曲线，它的响度规定为0方，所以听阈曲线也称为零方响度线。
（4）同样道理，将不同频率时，痛阈的声压级和频率关系曲线称为痛阈曲线，也叫做为120方响度线。
（5）在听阈和痛阈之间，共有13个响度级，其响度分别为 0、10、20、30 ┉┉ 110、120。
（6）每条等响曲线所代表的响度级的大小，由该曲线在1000Hz时的声压级确定。
（二）噪声测量仪器
1、传声器
（1）噪声测量中，最常使用的仪器是传声器和声级计。
（2）传声器：它的作用是将声能转换成电能，所有传感器都是把测量的参数转变成为电的参量或者其他适于分析处理的物理量，把声能转化为电能。
（3）传声器的分类方法有两种，一种是根据膜片感受声压情况的不同，另一种是根据膜片振动转换成电能方式的不同。
①根据膜片感受声压情况的不同，传声器可以分为压强式、压差式以及压强压差组合式，在噪声测量中通常运用的是压强式传声器。
②根据膜片振动转换成电能方式的不同，传声器分为三类，电容式，压电式和动圈式。其中电容式优点比较多，所以在精密分析仪器和标准声级计中，一般采用电容式，压电式性能差一些，用在普通声压计中，动圈式现在已经不用了。
（4）电容式和压电式传声器的简单的结构。
①电容传声器基本结构就是一个电容器，图9-9，是一个电容传声器结构原理图。电容传声器属于能量控制型；能量控制型就是需要外接电源，这种电容传声器，它的灵敏度高，性能强，在很大的温度范围和很大的湿度范围下，性能变化小，这是它最突出的优点，性能稳定，不受温度湿度影响，而且外形尺寸比较小，所以刚才我们说用在精密的声级计里。
②压电传声器
ⅰ原理：
由具有压电效应的晶体来完成声电转换，属于能量转换型传感器。图9-10就是一个压电传声器结构的简图。
ⅱ特点：
压电传声器具有结构简单、成本低、输出阻抗低、电容量大（可达1 000pF）、灵敏度较高等优点。
最大缺点就是受温度、湿度影响较大。所以它主要用在普通声级计里。
2、声级计
声级计是噪声测量中使用最为广泛、最简便的仪器。它不仅用来测量声级，还能与各种辅助仪器配合进行频谱分析、记录噪声的时间特性和测量振动等。
（1）分类：
①声级计按其用途分为一般声级计、脉冲声级计、积分声级计和噪声暴露计（噪声剂量计）等。
②声级计按其精度分为：
0型声级计，精度最高。
1型声级计，是一般用途的精密声级计。
2型声级计，一般用途声级计。
3型声级计，普及型声级计。
③声级计按其体积分为台式声级计、便携式声级计和袖珍式声级计。
（2）声级计工作的原理：
①被测的声压信号通过传声器转换成电压信号，该电压信号经衰减器、放大器以及相应的计权网络（或外接滤波器），或输入外接的记录仪器，或者经过均方根值检波器直接推动以及分贝标定的指示表头。
②计权网络是基于等响曲线设计出的滤波线路，分为A、B、C、D四种。对应四种计权网络测得的声压级分别称为A声级（L A）、B声级（LB）、C声级（LC）和D声级（LD），分别记为dB（A）、dB（B）、dB（C）和dB（D）。A、B、C三个计权网络的区别是对低频噪声衰减程度不同，A衰减得最为突出，C对低频噪声衰减程度最弱。这样对同一个噪声，通过ABC三个计权网络，如果输出以后，A的噪声强度很小,而C很大，这就说明在噪声中低频的部分比较大，所以在A那里就给过滤掉，这样一来，就可以区别，到底噪声主要分布在低频部分还是高频部分。
A计权网络相当于一个低频滤波，就是把低频部分去掉，留下了高频噪声，；除此以外，A计权网络对低频噪声衰减最强，对高频噪声反应也很敏感，这正和人耳朵的感觉是一致的，人耳也是对高频噪声反应比较敏感，所以在对于人耳朵有害的这种噪声的测量都采用A声级，B,C计权网络近年已逐渐少用，D计权网络是专门为测量飞机噪声而设计的。声级计测量的已不再是客观物理量上的声压级。
3.声级计的校准。
按照规定，每次测量开始和结束的时候都要进行校准，两次差值不应大于一分贝。
校准方法有很多种，其中最常用的、最简便的，是活塞发生器校准法。
（三）故障的噪声识别方法
噪声超过一定的范围，超过了正常的范围，才能判断可能是故障。所以根据噪声信号的特征量，制定一定限值作为有无故障的标准，对于噪声信号它的变异和程度进行判断有三种标准，即绝对标准、相对标准和类比标准。
在绝对标准中，利用测量的噪声信号的特征量值与标准特征量值进行比较；标准特征量值可能是行业规定的，也可能是国家规定的。
在相对标准中，利用测取的噪声信号的特征量值与正常运行时的特征量值进行比较；
在类比标准中，利用同类设备在相同工况条件下的噪声信号的特征量值进行比较。
小结：
噪声的测量，包括噪声的主观量度和客观量度参数，常用的噪声测量仪器，包括传声器和声级计，传声器主要有电容式的和压电式的，声级计主要是它的计权网络。
【例题8•多选题】压电传声器（ ）。（2005）
A.由压电晶片完成声电转换
B.通过声压使压电晶片两侧产生电量相等的异性电荷
C.属于能量转换型传声器
D.灵敏度高且受温度、湿度影响小
E.多与标准与精密声级计联用进行噪声测量
答案：ABC
【例题9•单选题】声级计有普通声级计、精密声级计、脉冲声级计等几种，下列有关普通声级计的说法中，正确的是（ ）。（2006）
A.对传声器的要求不高，一般采用电容传声器，也可以采用压电传声器
B.全机动态范围较窄
C.常与带通滤波器连用以进行频谱分析
D.在使用过程中可以不进行校准
答案：B
【例题10•单选题】使用声级计测量噪声时，输入传声器的是（ ）。（2007）
A.声压信号 B.声强信号
C.声功率信号 D.声响度信号
答案：A
三、温度测量法
通过温度测量可以找出机件的缺陷并能诊断出各种由热应力引起的故障。不仅如此，温度测量法还可以弥补射线、超声、涡流等无损探测法的不足，用来探测机件内部的各种故障隐患。研究和应用实例表明，温度测量法是目前故障诊断中的一项十分实用而有效的诊断方法。
图9-13 温度计的分类图
（一）测温仪表
分为接触式和非接触式两类。
1.热电偶。
（1）特点：热电偶与后续仪表配套可以直接测量出0 0C～18000 C范围内液体、气体内部以及固体表面的温度。测量范围非常宽，对象可以是气体、液体温度，也可以是固体表面的温度。
（2）原理：热电偶是基于热电效应进行工作的。
热电偶由两根不同材料的导体A，B焊接而成。焊合的一端T为工作端（热端）、用以插入被测介质中测温，连接导线的另一端T 0为自由端（冷端）若两端所处温度不同，则所产生的热电动势由仪表指示。热电偶的热电动势与热电偶的材料、两端温度T、T0 有关，与热电极长度、直径无关。在冷端温度T0 不变，热电偶材料已定的情况下，其热电动势只是被测温度的函数。
（3）分类：常用热电偶分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。
①标准化热电偶制造工艺比较成熟、性能优良且稳定，具有互换性。
②非标准化热电偶多用在一些特殊场合，它们的一些特别良好的性能是标准化热电偶所不及的。
比如，钨铼系热电偶长期使用的最高温度达2800°C，短时间使用可达3000°C；
镍铬—金铁热电偶在4K温度下也能保持大于10μV/°C的热电势率，是一种理想的低温热电偶。热电势率与灵敏度有关，热电势率大，灵敏度就高。
③实际使用的热电偶通常分为普通热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。普通热电偶的结构外形有多种形式，但其基本结构均由保护套管、热电极、绝缘套管和接线盒等主要部分组成。
图9-15就是一个热电偶的结构图，其中1就是一个保护套管。
铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管等组合成一体，外表好像覆盖了一层铠装的特殊结构热电电偶，可以做得很细，很长，能够弯曲。
薄膜热电偶是由两种金属薄膜，真空蒸镀、化学涂层或电泳等方法连接在一起的一种特殊结构的热电偶。
2.热电阻温度计：
（1）原理：
热电阻温度计利用材料的电阻率随温度变化而变化的特性，与电桥相配合，将温度按一定函数关系转换为电量。
（2）分类：
按敏感材料的不同，有金属热电阻温度计和半导体热电阻温度计两种。常用的金属热电阻有铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻等。其结构有普通型热电阻和铠装热电阻。
工业用普通型热电阻的外型结构与普通型热电偶的外形结构基本相同。热电阻体由引出线、热电阻丝、骨架、保护云母片和绑带组成。铠装热电阻的主要特点是体积小（直径仅为1～8mm），响应速度快，耐振抗冲击，感温元件、连接导线及保护套管全封闭并连成一体，使用寿命长。
半导体热电阻材料是将各种氧化物（如锰、镍、铜和铁的氧化物）按一定比例混合压制而成。半导体热电阻的温度测量范围在-100°C～300°C之间。其主要特点是电阻温度系数大（比金属热电阻高10～100倍），电阻率高，感温元件可做得很小，可根据需要做成片状、棒状和珠状（珠状外型尺寸可小到3mm），可测空隙、腔体、内孔等处的温度。但其性能不够稳定，互换性差，使其应用受到一定限制。
3.红外测温仪器
（1）原理：
核心是红外探测器，它能把红外辐射能转变为电能。红外测温仪器是利用红外辐射原理，采用非接触方式，对被测物体表面进行观测，并能记录其温度变化的设备。
（2）分类：
按对辐射响应方式的不同，将红外探测器分为光电探测器和热敏探测器两大类。
表9-5 光电、热敏探测器性能比较
灵敏度 响应速度 制冷 使用方便 其他
光电探测器 高 快 需要 不太方便 灵敏度随波长变化
热敏探测器 低 慢 不需要 方便 耐用、价低、对波长响应变化微弱
（3）常用的红外测温仪器：红外测温仪、红外热像仪。
①红外测温仪：是红外测温仪器中最简单的一种。品种多、用途广泛、价格低廉，用于测量物体 “点”的温度。
②红外热像仪。它能把被测物体发出的红外辐射转换成可见图像，这种图像称为热像图或温度图。这种测温方法简便、直观、精确、有效，且不受测温对象的限制，因此，在温度测量中得到比较广泛的应用，并有着宽广的应用前景。
现有的热成像系统主要分两类：一类是光机扫描成像系统，称为红外热像仪；另一类是热释电红外摄像管成像系统，称为红外热电视。
表9-6是常用测温仪，比色测温仪，单色测温仪可以达到3000到3500度这样一个温度。因为是非接触式测量，所以可以达到很高的温度。
表9-6 常用外测温仪
名称 应用范围 特点
简易辐射测温仪 测2000C-测6000C以上及辐射率高的物体 结构简单、价廉、抗震、精度较差
辐身测温仪 适宜室温下测温，一般测测2000C以下温度 结构简单、价格较低、较抗振、精度受环境影响，探测器热敏度电阻互换性差，与二次仪表匹配难，灵敏较低，误差较大
有温度补偿的辐射测温仪 应用广泛 测量精度高，结构较复杂
亮度测温仪 宜测辐射率高的物体温度、测温结果低于真实温度 不需温度补偿，结构比较简单，灵敏度稍差
比色测温仪 测辐射率的物体，宜测中高温测2000C－测35000C 结构较复杂，测量误差小，灵敏度较高，受烟雾、灰尘影响小
单色测温仪 宜测高温测6000C－测30000C 结构简单、使用方便、灵敏度高，能抑制某些干扰，波长越短辐射率引起的误差越少，测量精度较高。
（二）通过测温测量所能发现的常见故障
1.轴承损坏。
2.流体系统故障。
3.发热量异常。
4.污染物质积聚。
5.保温材料的损坏。
6.电气元件故障。
7.非金属部件的故障。
8.机件内部缺陷。
9.裂纹探测。
【例题11•单选题】 热电偶（）的说法错误的。（2005）
A.基于热电效应进行温度测量
B.不仅能测量液体、气体内部的温度，还能测量固体表面的温度
C.所产生的热电动势不仅与热电偶材料、两端温度有关，还与热电极长度有关
D.便于远距离和多点测量
答案：C
【例题12•单选题】光电探测器和热敏探测器（ ）。（2006）
A.都能把入射的红外辐射能转变为电能
B.使用起来都同样很方便
C.具有同样高的灵敏度
D.具有同样高的响应速度
答案：A
【例题13•单选题】与金属热电阻温度计相比，半导体热电阻温度计（ ）的说法是错误的。（2007）
A.电阻温度系数大 B.电阻率高
C.性能稳定 D.互换性差
答案：C
【例题14•单选题】下列温度计中，（ ）属于非接触温度计。（2008）
A.膨胀式温度计 B.压力式温度计
C.比色高温计 D.半导体热敏电阻温度计
答案：C
四、裂纹的无损探伤法
裂纹是机器零部件最严重的缺陷。裂纹可能在原材料生产、零部件加工以及设备使用等各个阶段产生。
对设备零部件裂纹的检查，主要采用无损探测法。利用无损探测技术不仅能发现机件的裂纹，以及腐蚀、机械性能超差等变化，而且还可以根据机件损伤的种类、形状、大小、产生部位、应力水平、应力方向等信息预测损伤或缺陷发展的趋势，以便及时采取措施，排除隐患。
有多种无损探测法供选用，如目视——光学检测法、渗透探测法、磁粉探测法、射线探测法、超声波探测法、声发射探测法、涡流探测法等。
（一）目视—光学检测法
对于封闭结构内部不能直接观察的零件，主要使用工业内窥镜进行目视——光学检测。
（二）渗透探测法
使着色渗透液或荧光渗透液渗入机件表面开口的裂纹内，然后清除表面的残液，用吸附剂吸出裂纹内的渗透液，从而显示出缺陷图像的一种检验方法。
（三）磁粉探测法
根据探测漏磁场方式的不同，可将磁性探测法分为磁粉探测法、探测线圈法、磁场测定法和磁带记录法。
磁粉探测法所用设备简单，操作方便，检测灵敏度较高，适用于各种形状的钢铁机件，这种探测法可以发现铁磁材料表面和近表面的裂纹，以及气孔、夹杂等缺陷。其缺点是这种探测法不能探测缺陷的深度。
（四）射线探测法
x射线和y射线，主要用来探测机件内部的气孔、夹渣、铸造孔洞等立体缺陷，当裂纹方向与射线平行时也能被探测出来。穿透力强，能够探测很厚的机件。
优点是探测的图像较直观，对缺陷尺寸和性质的判断比较容易，而且探测结果可以记录下来作为诊断档案资料长期保存。
其缺点是，当裂纹面与射线近于垂直时就难以探测出来，对微小裂纹的探测灵敏度低，探测费用较高，射线对人体有害，必须有防护措施。
（五）超声波探测法
可以探测垂直于超声波的金属和非金属材料的平面状缺陷。可探测的厚度大、检测灵敏度高、仪器轻便便于携带、成本低，可实现自动检测，并且超声波对人体无害。
其缺点是探测时有一定的近场盲区、探测结果不能记录、探测中采用的耦合剂易污染产品等。
（六）声发射探测法
1、基本原理
物体在外部条件（如力、热、电、磁等）作用下会发声，根据物体的发声推断物体的状态或内部结构的变化。
2、特点
（1）探测时需要对设备外加应力；
（2）动态检测，在加载或运行状态下进行；
（3）裂纹主动参与，提供裂纹活动的信息；灵敏度高、覆盖面大、不会漏检；
（4）不能反应静态缺陷情况。
（七）涡流探测法
1、原理：
机件中存在损伤时，被监测机件表面的涡流将发生改变，相应的涡流磁场也将改变。
2、特点：
（1）适用范围广，适用于导电材料表面或近表面探伤；灵敏度高，可自动显示报警；
（2）非接触式；
（3）可用于高温探伤；
（4）可用于显示、记录和成像；
（5）深层缺陷难以探测；
（6）影响因素多；
（7）判断缺陷的种类、形状、大小比较困难；
（8）存在边界效应。
【例题15•多选题】静态检测铸铜件表面的裂纹，可采用（ ）。（2006）
A.渗透探测法 B.磁粉探测法 C.涡流探测法
D.声发射探测法 E.目视—光学探测法
答案：ACE
五、磨损的油液污染检测法
根据监测和分析油液中污染物的元素成分、数量、尺寸、形态等物理化学性质的变化，便可以判断是否发生了磨损及磨损程度。常用的方法包括油液光谱分析法、油液铁谱分析法、磁塞检查法。
（一）油液光谱分析法：
1、原理：
利用原子发射光谱或原子吸收光谱分析油液中金属磨损产物的化学成分和含量，从而判断机件磨损的部位和磨损严重程度的一种污染诊断法。
2、特点：
光谱分析法对分析油液中有色金属磨损产物比较适用。 用于早期、精密的磨损诊断。磨屑粒度一般小于10微米。
（二）油液铁谱分析法：
从油样中将微粒分离出来，并按照微粒的大小排列在基片上，通过光学或电子显微镜读出大小微粒的相对浓度，并对微粒的物理性能做出进一步分析。油液铁谱分析能提供磨损产物的数量、粒度、形态和成分四种参数，通过研究即可掌握有关的磨损情况。
（三）磁塞检查法：
用一个带有磁性的金属棒，直接伸到机器内部润滑油的底部，然后把油泥吸上来，用肉眼来观察，用于检查磨损后期磨粒尺寸大于70μm的情况的情况。
【例题16•单选题】下列机件磨损油污检测法所用的装置中，（ ）更适于早期的、精密的磨损诊断。（2007）
A.铁谱分析仪 B.光谱分析仪
C.直读式铁谱仪 D.磁性塞头
答案：B
重点把握振动、噪声和温度传感器的结构、特点及其应用范围。
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发表于 2016-8-18 07:09:50
