8.压电加速度传感器、磁电速度传感器、涡流位移传感器的结构、特点及应用

　　振动加速度信号通常采用压电加速度传感器（压电加速度计）提取。压电加速度计是基于压电晶体的压电效应工作的，有多种结构形式，如正置压缩型、倒置压缩型、环剪切型、三角形剪切型等。不管是哪一种结构的加速度计，均包括压紧弹簧、质量块、压电晶片和基座等部分。振动加速度计属于能量转换型传感器。可测频率范围宽（0.1hz～20khz），灵敏度高而且稳定，有比较理想的线性。这种传感器体积小，重量轻，可以安装在任何方位，而且无移动元件，不易造成磨损。值得注意的是，压电式加速度计使用的上限频率随其固定方式而变。

　　振动速度信号通常采用磁电速度传感器提取。磁电速度传感器是基于电磁感应原理工作的。这种传感器也是能量转换型传感器，工作时不需要电源，输出信号可以不经过变换放大即可远距离传送，使用方便。但这种传感器中存在着机械运动部件，它与被测系统同频率振动，由于其疲劳极限使传感器寿命比较短：因此，在长期连续测量中应该考虑传感器的寿命。

　　惯性磁电速度传感器当其随被测系统振动时，传感器线圈与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。

　　振动位移信号通常采用电涡流位移传感器提取。它基于金属体在交变磁场中的电涡流效应工作。是一种非接触式的相对测振传感器，能方便地测量运动部件与静止部件问的间隙变化，它将传感器顶端与被测对象表面之问间隙的变化转换成与之成正比的电信号。电涡流位移传感器属于能量控制型传感器，它必须借助于电源才能将振动位移转换为电信号。这种传感器具有线性范围宽、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。不仅能无接触地测量各种振动、轴向位移，还能测量转数。

　　9.数字式频谱分析仪的组成，频谱分析的作用

　　数字式频谱分析仪一般由前置放大器、抗混淆滤波器、a／d转换器、高速数据处理器及外围没备等组成。

　　需要进一步查明异常振动的原因和位置，就要对振动信号进行频谱分析。通过频谱分析常能将时域信号变换为频域信号，将工程信号分解为各个频率分量，获得信号的频率结构和组成信号各个谐波的振幅、相位信息。

　　10.描述噪声的物理量及主观量度

　　引起听觉的可听声频率在20～20000hz之间，但在此范同内的某一声波可以有不同的声压或声强。在声学中采用成倍比的对数标度，即用"级"来度量声压和声强，并称为声压级、声强级。此外，还有声功率级。

　　声波的声压级是声波的声压与基准声压之比以l0为底的对数的20倍。

　　声波的声强级是声波的声强与基准声强之比以l0为底的对数的l0倍。

　　声波的声功率级是声波的功率与基准功率之比以l0为底的对数的10倍。声功率根据测量的声压级换算得到。

　　进行噪声测量时，也可以用人的主观感觉进行度量，如响度级。响度是人耳对声音强弱产生的主观感觉。要确定某声音的响度，选用频率为1000hz的纯音作为标准，调节l000hz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，则该噪声的响度级值就等于这个纯音的声压级（db）值，单位为方（phon）。例如，噪声听起来与频率为l000hz的声压级为80db的基准纯音一样响，则该噪声的响度级即为80方。

　　11.常用噪声测量传感器（电容传声器、压电传声器）的构成及特点

　　传声器的作用如同人的耳膜，由它将声能（声信号）转换成电能（电信号）。其转换过程是：首先由接受器将声能转换成机械能，然后由机电转换器把机械能转换成电能。通常用膜片作为接受器来感受声压，将声压的变化变成膜片的振动。根据膜片感受声压情况的不同，传声器可分为三类：压强式传声器，其膜片的一面感受声压；压差式传声器，其膜片的两面均感受声压，引起膜片振动的力取决于膜片两面压差的大小；压强和压差组合式传声器。在噪声测量中常用压强式传声器。电容式传声器利用电场耦合方式将膜片的振动转换成电量。

　　电容传声器的基本结构是一个电容器，它主要由感受声压的膜片和与其平行的金属后极板（背板）组成。膜片和后极板在电气上绝缘。构成一个以空气为介质的电容器的两个极。测量时，在两电极间加直流电压，即极化电压。在极化电压、负载不变的情况下，输出交变电压的大小和波形由作用在膜片上的声压决定。电容传声器属于能量控制型传感器。电容传声器灵敏度高，动态范围宽；输出特性稳定，对周围环境的适应性强，在-50℃～150℃的温度范围内和0～100%的相对湿度下，性能变化小；电容传声器的外形尺寸也比较小。电容式传声器常与精密、标准声级计联用。

　　压电传声器由具有压电效应的压电晶体来完成声电转换，它通过声压使晶体切片两侧产生电量相等的异性电荷，形成电位差。属于能量转换型传感器。压电传声器具有结构简单，成、本低，输出阻抗低，电容餐大（可达l000pf），灵敏度较高等优点。但性能受温度、湿度影响较大。压电传声器一般与普通声级计联用。

　　12.声级计的种类、组成、作用及校准

　　声级计是噪声测量中使用最为广泛、最简便的仪器。它不仅能测量声级，还能与多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。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汁（噪声计量计）等。按其精度分为0型声级计（实验室用标准声级计）、1型声级计（一般用途的精密声级计）、2型声级计（一般用途的声级计）、3型声级计（普级型声级计）。按其体积分为台式声级计、便携式声级计和袖珍式声级计。

　　声级计由传声器、衰减（放大）器、计权网络、均方根值检波器、指示表头等组成。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、外接滤波器，或者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分贝标定的指示表头。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。通过计权网络测得的声压级称为计权声压级。对应四种计权网络测得的声压级分别称为a声级（la）、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计权网络分别近似模拟了40方、70方、l00方三条等响曲线，三种计权网络对低频噪声有不同程度的衰减，a衰减最强，b次之，c最弱。其中，a计权网络除对低频噪声衰减最强外，对高频噪声反应最为敏感，这正与人耳对噪声的感觉相接近。故在对人耳有害的噪声测量中，都采用a计权网络。d计权网络是专门为飞机噪声测量设计的。

　　使用声级计时，每次测量开始和结束都应该校准，两次差值不应大于ldb.常用的校准方法除活塞发生器校准法外还有扬声器校准法、互易校准法、静电激励校准法、置换法等。

　　13.振动及噪声的测量方法

　　一般情况下，采用振动分析法进行故障诊断总是先以振动总值法来判别异常振动。这是一种最直接的方法，把传感器放在设备应测量的部位，测量其振动速度。将测得振动速度的均方根值以表格或图样表示其趋向，对照"异常振动判断基准"，判别实际测量值是否超过界限或极限规定值，以评价没备工作状态的正常与否。

　　采用测振仪进行振动总值的检测，当发现振动总值有较快增大，并有接近或超出最大允许界限值的趋向时，需要进一步采用频谱分析法进行诊断。采用频谱分析仪对实测振动信号进行频谱分析，做出频谱图，与其正常谱图（或称原始谱）进行比较，寻找振源，诊断出故障部位和严重程度。还可由频谱图上出现新的谱线，查出设备是否发生了新的故障。

　　对滚动轴承的磨损和损伤进行诊断可采用专门的振动脉冲测量法。

　　设备中运动着的零部件都可能产生振动，发出声波。这些不同声强、不同频率的声波无规律的混合便形成噪声。噪声是没备的固有信息，当描述其特性的特征参数发生变化，并越过一定的范围，便可判断可能发生了故障。因此，可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，来判断是否发生了故障。但要识别故障的性质，确定故障的部位及故障程度，就需对提取的噪声信号做频谱分析。

　　利用噪声（或振动）信号特征参数的变异及其程度进行故障判断有三种标准，即绝对标准、相对标准和类比标准。在绝对标准中，利用测取的噪声信号的特征量值与标准特征量值进行比较；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。

　　14.常用测温仪器、仪表的组成、特点及应用

　　热电偶是基于热电效应进行温度测量的，由两根不同材料的导体焊接而成。它的热电动势与热电偶材料、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。热电偶与后续仪表配套可以直接测量出0℃～l800℃范围内液体、气体内部以及固体表面的温度。具有精度高，测量范围宽，便于远距离和多点测量等优点。

　　常用热电偶分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。标准化热电偶制造工艺比较成熟、性能优良且稳定，同一型号热电偶具有互换性。非标准化热电偶多用在一些特殊场合。实际使用的热电偶有普通热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。铠装热电偶是特殊结构热电偶，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采用真空蒸镀、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。

　　在设备的温度测量中，还经常使用热电阻温度计。热电阻温度计利用材料电阻率随温度而变化的特性进行温度测量的，与电桥相配合，将温度按一定函数关系转换为电量。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型结构基本相同。铠装热电阻的主要特点是体积小，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一些氧化物（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-1000℃～300℃之间。其主要特点是电阻温度系数大（比金属热电阻高l0～l00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。

　　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。红外测温仪器的核心是红外探测器，它能把入射的红外辐射能转变为便于检测的电能。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。两种探测器在灵敏度、响应速度、是否需要制冷、使用是否方便等方面各不相同。红外测温仪器还必须包括红外光学系统，用于汇聚被测对象的辐射通量，并将其传输到红外探测器上。红外光学系统与探测器一起决定该仪器的现场和空间分辨率。实际应用中有反射式、折射式和折一反射式等不同类型的光学系统供选用。

　　除了红外探测器和光学系统外，红外测温仪器还应包括信号处理系统（用以将电信号放大、处理成可记录的信号）和显示记录系统（是最终将被测信号以表针指示、数字显示或图像等不同方式记录、存储下来的装置）。

　　用于红外测温的仪器有很多种，比较常用的有红外测温仪和红外热像仪。红外测温仪是红外测温仪器中最简单的一种，用途广泛，价格低廉，用于测量物体"点"的温度。有多种红外测温仪供选用，它们各有其自己的应用范围和特点。

　　红外热像仪和红外热电视是目前使用的两类热成像系统。其中红外热像仪（光机扫描热像仪）由光学与扫描系统、红外探测器、视频信号处理系统、显示器等部分组成。被测对象的红外辐射经光学系统汇聚、滤波，聚焦到红外探测器上，其间由光学一机械扫描系统将被测对象观测面上各点的红外辐射通量按时间顺序排列，经红外探测器变成电脉冲，通过视频信号处理送到显示器显示出物体表面或近表面的热像图。热像图中包含了被测物体的热状态信息，因而通过热像图的观察和分析，可以获得物体表面或近表面层的温度分布及其所处的热状态。这种测温方法简便、直观、精确、有效，且不受测温对象的限制。

　　只有光电探测元件制冷到很低的温度才能降低热噪声，屏蔽背景噪声，提高光电探测器的信噪比和探测率，得到较短的响应时间，因此要对探测器进行超低温制冷。

　　15.温度测量所能发现的故障

　　通过温度测量不仅可以检查工艺过程中的温度变化，还可以掌握机件的受热状况。通过温度测量所能发现的常见故障可归纳如下：

　　通过温度测量可以发现轴承损坏，液压系统、润滑系统、冷却系统和燃油系统等流体系统故障，内燃机、加热炉等燃烧不正常引起的发热量异常，污染物质积聚（如管道内有水垢，锅炉或烟道内结灰渣、积聚腐蚀性污染物等），保温材料损坏，电器元件损坏（如电气元件接触不良，整流管、晶闸管等器件存在损伤，高压输电线的电缆、接头、绝缘子、电容器、变压器以及输变电网的电气元件和设备的损坏），非金属部件缺陷，机件内部缺陷。还可进行裂纹探测（检查裂纹及其发展过程，确定机件在使用中表面或近表面的裂纹及其位置等）。

　　16.常用的裂纹无损探测方法

　　常用的裂纹无损探铡方法，如目视一光学探测法、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、涡流探测法等的优、缺点及适用范围。

　　（1）目视一光学检测法。在目视法的基础上，采用各种光学仪器来扩大和延伸其检测能力，便形成了目视一光学检测法。这种方法能发现破损、变形、松动、渗漏、磨损、腐蚀、变色、污秽、异物以及动作异常等多种故障，简单易行，常常是精密诊断前预检的主要方法。还可以对渗透、磁粉或其他无损探测法发现的缺陷进行定性分析。

　　（2）渗透探测法。是利用液体渗透的物理性能，首先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。这种方法可以检验钢铁、有色金属、塑料等制件表面上的裂纹，以及疏松、针孔等缺陷。该检验方法不需要大型仪器，操作方便，灵敏度高，适用于无电源、水源现场的检验。其缺点是不能检验机件的内部缺陷，对机件的表面粗糙度有一定要求，试剂对环境有一定污染。采用荧光渗透液时得需要紫外灯，而且必须在暗室操作。

　　（3）磁粉探测法。这是一种利用铁磁材料的磁性变化所建立的探测方法。这种探测法所用设备简单，操作方便，检测灵敏度较高，所显示的磁粉痕迹与缺陷的实际形式十分类似，而且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。进行磁粉探测后的被检件具有剩磁，需要进行退磁处理，以使将被检件的剩磁减少到最低限度。

　　（4）射线探测法。用强度均匀的x或y射线照射所检测的物体，使透过的射线在照像底片上感光，通过对底片的观察来确定缺陷种类、大小和分布状况，按照相应的标准来评价缺陷的危害程度。该方法多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。

　　射线探测法的优点是探测的图像比较直观，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。

　　（5）超声波探测法。此法是利用发射的高频超声波（1mhz一10mhz）射人被检测物体的内部，如遇到内部缺陷则一部分射入的超声波在缺陷处被反射或衰减，然后经探头接收后再放大，由显示的波形来确定缺陷的部位及其大小，再根据相应的标准来评定缺陷的危害程度。该方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。可探测的厚度人、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肓区、探测结果不能记录、探测中采用的耦合剂易污染产品等。另外，超声波探测还需用成套的标准试块和对比试块调整仪器本身的性能和灵敏度。

　　（6）声发射探测法。材料中裂纹的形成和扩展过程、不同相界面问发生断裂以及复合材料内部缺陷的形成都能成为声发射源。物体发射出来的每一个声信号都包含着反映物体内部缺陷性质和状态变化的信息，接收这些信号，加以处理、分析和研究，从而推断材料内部的状态变化，这就是声发射探测法。缺陷主动参与探测是声发射探测法与其他无损探测法的最大区别。

　　与常规的无损探测相比较，声发射探测具有如下特点：

　　①声发射探测时需对设备外加应力。它是一种动态检测，提供的是加载状态下缺陷活动的信息，因此声发射法可更客观地评价运行中设备的安全性和可靠性。

　　②声发射灵敏度高，检查覆盖面积大，不会漏检，可以远距离监测。

　　③声发射探测可在设备运行状态中进行。

　　④声发射探测不能反映静态缺陷情况。

　　（7）涡流探测法。此探测法是利用电磁线圈产生交变磁场作用于被检机件，使被检机件表层产生电涡流，利用机件中缺陷的存在会改变电涡流的强弱，从而使形成的涡流磁场也变化来探测机件的缺陷，该方法能探测钢铁、有色金属机件表面的裂纹、凹坑等缺陷。与其他无损探测法相比，涡流探测法的优点是：

　　①涡流探测广泛用于导电材料表面（或近表面）探伤。灵敏度高，可自动显示、报警、标记、记录；

　　②涡流探测使用电磁场信号，探头可以不接触零件，因此可以实现高速度、高效率、非接触自动探伤；

　　③由于电磁场传播不受材料温度变化的影响，因此涡流探测可用于高温探伤。而且探头可以设计成多种多样形状，以适应特殊场合要求；

　　④涡流探测还可以根据显示器或记录器的指小，估算出缺陷的位置和大小。有的还可以记录成像。检测结果可以保存备查。

　　涡流探测也存在一些缺点：

　　①由于涡流的趋肤效应，距表面较深的缺陷难以查出；

　　②影响涡流的因素较多，如材质的变化、传送装置的振动等，因此必须采取措施将干扰信号抑制掉，才能正确地显示缺陷；

　　③要准确判断缺陷的种类、形状和大小比较困难，需作模拟试验或作标准试块予以对比；

　　④涡流对形状复杂零件存在边界效应，探测比较困难。