振動試驗?zāi)芰︱炞C結(jié)果及影響因素分析

沈援海，郎春華，劉松

（中移（杭州）信息技術(shù)有限公司，杭州 311121）

引言

環(huán)境試驗是電工電子產(chǎn)品檢測中覆蓋范圍最廣的一項基礎(chǔ)性測試，是驗證和提供產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，主要考核研究產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)能力[1]。振動是力學(xué)環(huán)境試驗中最為常見的一項試驗，其依據(jù)振動方式可分為正弦振動和隨機振動兩類，在GJB 150、GB 2423等標(biāo)準(zhǔn)中均涉及了振動試驗方法和試驗要求，同時對振動試驗的準(zhǔn)確度做出了明確的要求，試驗的目的是確認(rèn)樣品的機械薄弱環(huán)境和/或特性降低情況[2]。按照CANS程序文件《能力驗證規(guī)則》中對性能測試領(lǐng)域要求，實驗室至少每兩年進(jìn)行一次振動相關(guān)的能力驗證試驗，便于確認(rèn)實驗室的振動試驗?zāi)芰Γ錅y試方法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確[3]。

本文就近期筆者參與并進(jìn)行了此次實驗室的前后兩次振動試驗?zāi)芰︱炞C計劃，分析并總結(jié)了振動試驗?zāi)芰︱炞C的基本檢測要求和主要影響因素，為業(yè)界同類檢測實驗室提供一定的參考。

1 振動試驗?zāi)芰︱炞C的檢測要求

1.1 試驗依據(jù)

振動試驗?zāi)芰︱炞C的試驗依據(jù)主要有GB/T 2423.10、GB/T 28046.3、IEC 60068-2-6、IEC 60945等標(biāo)準(zhǔn)，本實驗中心按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10-2019的要求進(jìn)行試驗[4]。

1.2 試驗試件

試驗試件為一個特定的、不可拆解的金屬結(jié)構(gòu)件，其底座四邊角上配有4個螺絲安裝孔，便于水平狀態(tài)下安裝固定在試驗臺面上，也可以配合相關(guān)夾具將試件緊固在試驗臺面上同時振動試驗?zāi)芰︱炞C前，需把監(jiān)測加速度的傳感器設(shè)置安裝在試件上，具體位置為試件的支撐桿和圓形砝碼之間的平面中心處，如圖1 所示。

圖1 加速度監(jiān)測傳感器示意圖

1.3 試驗設(shè)備

目前實驗室使用較普遍的是電動振動臺，其由試驗臺臺面、加速度監(jiān)測傳感器、功率放大器、水平滑臺、勵磁電源、振動控制儀、內(nèi)置油泵系統(tǒng)以及冷卻風(fēng)機等模塊組成，其連接示意圖如圖2所示。振動臺的工作原理是先啟動勵磁電源，后打開功率放大器，再通過振動控制儀設(shè)置對應(yīng)的振動試驗參數(shù)，控制振動臺進(jìn)行振動試驗。

圖2 電動振動臺系統(tǒng)示意圖

本實驗中心使用S201-335電動振動臺參與振動試驗?zāi)芰︱炞C活動，并按期每年對其正弦振動各方向進(jìn)行頻率校準(zhǔn)，確保振動設(shè)備的系統(tǒng)誤差滿足振動試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，近期振動試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果詳見表1。

表1 S201-335電動振動試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果

1.4 試驗程序

根據(jù)能力驗證提供者提供的作業(yè)指導(dǎo)書，本次試驗在25 ℃&50 %RH的溫濕度環(huán)境條件下的室內(nèi)進(jìn)行。在振動試驗開始前，為了避免環(huán)境溫差影響，樣品需在試驗環(huán)境條件下至少放置1 h。然后，按照作業(yè)指導(dǎo)書要求對電動振動臺掃頻參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在垂直方向進(jìn)行振動響應(yīng)檢查，并找出試件指定的共振頻率，具體掃頻參數(shù)詳見表2。

表2 正弦振動掃頻參數(shù)

2 結(jié)果評價

2.1 結(jié)果評價原則

在能力驗證中，經(jīng)常采用CNAS-GL002：2018《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》的要求評價，其依據(jù)實驗室的 Z 比分?jǐn)?shù)進(jìn)行結(jié)果評價，計算公式是：

式中：

x — 實驗室測試結(jié)果；

X — 指定值；

δ— 能力評定標(biāo)準(zhǔn)差。

實驗室能力驗證評價原則：

若實驗室Z比分?jǐn)?shù)|Z|≤ 2為滿意結(jié)果；

若實驗室Z比分?jǐn)?shù)2 ＜ |Z|＜ 3 為有問題結(jié)果；

若實驗室Z比分?jǐn)?shù)|Z|≥ 3 為不滿意結(jié)果。

Z 比分?jǐn)?shù)越小則說明測量結(jié)果越精確[5]。

2.2 振動試驗?zāi)芰︱炞C基本情況

本實驗中心先后參與了由威凱檢測技術(shù)有限公司組織實施的“振動（正弦）試驗”能力驗證計劃和“振動試驗”能力驗證計劃（一對一），兩次振動試驗?zāi)芰︱炞C計劃的共振頻率測試結(jié)果和能力評價結(jié)果見表3。

由表3可知“振動（正弦）試驗”能力驗證計劃的實驗室Z比分?jǐn)?shù)絕對值大于3,評價結(jié)果為不滿意；“振動試驗”能力驗證計劃（一對一）的實驗室Z比分?jǐn)?shù)絕對值小于2，評價結(jié)果為滿意，振動臺能滿足測試標(biāo)準(zhǔn)和精度要求。

表3 能力驗證結(jié)果及評價

3 影響能力驗證結(jié)果的因素

振動試驗的測試結(jié)果受多種因素影響，主要包括試驗試件固定是否緊固、與加速度監(jiān)測傳感器的安裝固定位置距離、試驗臺參數(shù)設(shè)置及試驗環(huán)境與檢測人員能力等因素[6]。為了提高實驗室振動試驗?zāi)芰︱炞C活動所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和能力驗證評價結(jié)果的滿意度，參考實驗室先后參加的兩次振動試驗?zāi)芰︱炞C計劃，對試驗中各影響因素進(jìn)行分析總結(jié)。

3.1 試驗樣品和控制傳感器的安裝固定

振動試驗?zāi)芰︱炞C的樣品為特殊定制的金屬結(jié)構(gòu)件，見圖1。試驗前，為保證實驗室安裝的一致性，避免振動力不均勻，需要把金屬結(jié)構(gòu)件剛性連接在振動臺動圈中間線上。可以使用螺桿和夾具通過安裝孔剛性緊固連接在安裝臺面上，同時通過扭矩扳手使試樣和振動臺臺面進(jìn)行緊固，確保良好的傳遞特性。

控制傳感器的安裝固定應(yīng)該和振動臺的振動方向保持一致，同時為減小測量獲得的共振頻率與指定值之間的誤差，控制點需要盡量越接近試驗樣品。根據(jù)本次能力驗證的金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，振動試驗中采用502粘接劑進(jìn)行安裝加速度監(jiān)測傳感器，其頻率特性較寬，剛度較強。試驗中，為確保良好的連接性，需要避免使用熱熔膠、蜂蠟等傳遞特性差的軟性粘接劑。

為保證試驗數(shù)據(jù)的一致性，試驗前需要做好相關(guān)試驗設(shè)備的清潔工作，保證連接振動臺表面平整光滑，避免夾具和試件之間產(chǎn)生夾角、控制傳感器懸空等現(xiàn)象，影響能力驗證測量數(shù)據(jù)的有效性。

3.2 試驗臺參數(shù)設(shè)置

在振動掃頻試驗前，需要先稱重試件夾具，并正確地設(shè)置振動臺的參數(shù)，正確的參數(shù)設(shè)置可以有效減少測量系統(tǒng)帶來的誤差。通常情況下，需要把試件質(zhì)量、夾具質(zhì)量、臺面質(zhì)量、掃頻范圍、位移峰峰值、加速度監(jiān)測傳感器靈敏度等試驗參數(shù)輸入到測量軟件中，其中加速度監(jiān)測傳感器的靈敏度值是影響能力驗證測試結(jié)果準(zhǔn)確性的一個關(guān)鍵參數(shù)。因傳感器長期使用受溫度、振動、電磁場等環(huán)境影響，其靈敏度值容易出現(xiàn)偏差，所以，實驗室需要周期對加速度監(jiān)測傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)計量，修正其靈敏度值，以便于試驗時使用。

3.3 實驗室環(huán)境與檢測人員能力

實驗室環(huán)境與檢測人員能力高低也是影響振動試驗?zāi)芰︱炞C評價結(jié)果一致性的重要因素之一。能力驗證試驗前，需要特別注意：①控制實驗室溫濕度環(huán)境滿足能力驗證作業(yè)指導(dǎo)書的要求，同時保證室內(nèi)無強電磁場和其它振動進(jìn)行；②試驗樣機應(yīng)在試驗環(huán)境下至少靜置1小時；③檢測人員應(yīng)熟悉振動試驗依據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照能力驗證作業(yè)指導(dǎo)書要求操作。④試驗人員熟悉振動臺控制儀，能正確輸入振動試驗參數(shù)，并根據(jù)最大幅值比找出對應(yīng)的共振頻率，如圖3所示，取最高點1的數(shù)值。

圖3 振動（正弦）試驗掃頻信號示意圖

4 結(jié)束語

綜上所述，影響振動試驗?zāi)芰︱炞C測量結(jié)果的因素有多種，本文結(jié)合實驗室先后參加的兩次振動試驗?zāi)芰︱炞C計劃，依據(jù)能力驗證測量結(jié)果，從試驗樣品和控制傳感器的安裝固定、振動臺參數(shù)設(shè)置及試驗環(huán)境與人員等影響因素進(jìn)行分析和改進(jìn)自身存在的問題，對后續(xù)其他實驗室進(jìn)行類似能力驗證提供一些借鑒和參考。