振动试验能力验证结果及影响因素分析

沈援海，郎春华，刘松

（中移（杭州）信息技术有限公司，杭州 311121）

引言

环境试验是电工电子产品检测中覆盖范围最广的一项基础性测试，是验证和提供产品质量的重要环节之一，主要考核研究产品对环境的适应能力[1]。振动是力学环境试验中最为常见的一项试验，其依据振动方式可分为正弦振动和随机振动两类，在GJB 150、GB 2423等标准中均涉及了振动试验方法和试验要求，同时对振动试验的准确度做出了明确的要求，试验的目的是确认样品的机械薄弱环境和/或特性降低情况[2]。按照CANS程序文件《能力验证规则》中对性能测试领域要求，实验室至少每两年进行一次振动相关的能力验证试验，便于确认实验室的振动试验能力，其测试方法满足相关标准要求，其检测结果的准确[3]。

本文就近期笔者参与并进行了此次实验室的前后两次振动试验能力验证计划，分析并总结了振动试验能力验证的基本检测要求和主要影响因素，为业界同类检测实验室提供一定的参考。

1 振动试验能力验证的检测要求

1.1 试验依据

振动试验能力验证的试验依据主要有GB/T 2423.10、GB/T 28046.3、IEC 60068-2-6、IEC 60945等标准，本实验中心按照国家标准GB/T 2423.10-2019的要求进行试验[4]。

1.2 试验试件

试验试件为一个特定的、不可拆解的金属结构件，其底座四边角上配有4个螺丝安装孔，便于水平状态下安装固定在试验台面上，也可以配合相关夹具将试件紧固在试验台面上同时振动试验能力验证前，需把监测加速度的传感器设置安装在试件上，具体位置为试件的支撑杆和圆形砝码之间的平面中心处，如图1 所示。

图1 加速度监测传感器示意图

1.3 试验设备

目前实验室使用较普遍的是电动振动台，其由试验台台面、加速度监测传感器、功率放大器、水平滑台、励磁电源、振动控制仪、内置油泵系统以及冷却风机等模块组成，其连接示意图如图2所示。振动台的工作原理是先启动励磁电源，后打开功率放大器，再通过振动控制仪设置对应的振动试验参数，控制振动台进行振动试验。

图2 电动振动台系统示意图

本实验中心使用S201-335电动振动台参与振动试验能力验证活动，并按期每年对其正弦振动各方向进行频率校准，确保振动设备的系统误差满足振动试验标准要求，近期振动试验系统的校准结果详见表1。

表1 S201-335电动振动试验系统校准结果

1.4 试验程序

根据能力验证提供者提供的作业指导书，本次试验在25 ℃&50 %RH的温湿度环境条件下的室内进行。在振动试验开始前，为了避免环境温差影响，样品需在试验环境条件下至少放置1 h。然后，按照作业指导书要求对电动振动台扫频参数进行设置，在垂直方向进行振动响应检查，并找出试件指定的共振频率，具体扫频参数详见表2。

表2 正弦振动扫频参数

2 结果评价

2.1 结果评价原则

在能力验证中，经常采用CNAS-GL002：2018《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》的要求评价，其依据实验室的 Z 比分数进行结果评价，计算公式是：

式中：

x — 实验室测试结果；

X — 指定值；

δ— 能力评定标准差。

实验室能力验证评价原则：

若实验室Z比分数|Z|≤ 2为满意结果；

若实验室Z比分数2 ＜ |Z|＜ 3 为有问题结果；

若实验室Z比分数|Z|≥ 3 为不满意结果。

Z 比分数越小则说明测量结果越精确[5]。

2.2 振动试验能力验证基本情况

本实验中心先后参与了由威凯检测技术有限公司组织实施的“振动（正弦）试验”能力验证计划和“振动试验”能力验证计划（一对一），两次振动试验能力验证计划的共振频率测试结果和能力评价结果见表3。

由表3可知“振动（正弦）试验”能力验证计划的实验室Z比分数绝对值大于3,评价结果为不满意；“振动试验”能力验证计划（一对一）的实验室Z比分数绝对值小于2，评价结果为满意，振动台能满足测试标准和精度要求。

表3 能力验证结果及评价

3 影响能力验证结果的因素

振动试验的测试结果受多种因素影响，主要包括试验试件固定是否紧固、与加速度监测传感器的安装固定位置距离、试验台参数设置及试验环境与检测人员能力等因素[6]。为了提高实验室振动试验能力验证活动所测数据的准确性和能力验证评价结果的满意度，参考实验室先后参加的两次振动试验能力验证计划，对试验中各影响因素进行分析总结。

3.1 试验样品和控制传感器的安装固定

振动试验能力验证的样品为特殊定制的金属结构件，见图1。试验前，为保证实验室安装的一致性，避免振动力不均匀，需要把金属结构件刚性连接在振动台动圈中间线上。可以使用螺杆和夹具通过安装孔刚性紧固连接在安装台面上，同时通过扭矩扳手使试样和振动台台面进行紧固，确保良好的传递特性。

控制传感器的安装固定应该和振动台的振动方向保持一致，同时为减小测量获得的共振频率与指定值之间的误差，控制点需要尽量越接近试验样品。根据本次能力验证的金属结构件的设计，振动试验中采用502粘接剂进行安装加速度监测传感器，其频率特性较宽，刚度较强。试验中，为确保良好的连接性，需要避免使用热熔胶、蜂蜡等传递特性差的软性粘接剂。

为保证试验数据的一致性，试验前需要做好相关试验设备的清洁工作，保证连接振动台表面平整光滑，避免夹具和试件之间产生夹角、控制传感器悬空等现象，影响能力验证测量数据的有效性。

3.2 试验台参数设置

在振动扫频试验前，需要先称重试件夹具，并正确地设置振动台的参数，正确的参数设置可以有效减少测量系统带来的误差。通常情况下，需要把试件质量、夹具质量、台面质量、扫频范围、位移峰峰值、加速度监测传感器灵敏度等试验参数输入到测量软件中，其中加速度监测传感器的灵敏度值是影响能力验证测试结果准确性的一个关键参数。因传感器长期使用受温度、振动、电磁场等环境影响，其灵敏度值容易出现偏差，所以，实验室需要周期对加速度监测传感器进行校准计量，修正其灵敏度值，以便于试验时使用。

3.3 实验室环境与检测人员能力

实验室环境与检测人员能力高低也是影响振动试验能力验证评价结果一致性的重要因素之一。能力验证试验前，需要特别注意：①控制实验室温湿度环境满足能力验证作业指导书的要求，同时保证室内无强电磁场和其它振动进行；②试验样机应在试验环境下至少静置1小时；③检测人员应熟悉振动试验依据的国家标准，严格按照能力验证作业指导书要求操作。④试验人员熟悉振动台控制仪，能正确输入振动试验参数，并根据最大幅值比找出对应的共振频率，如图3所示，取最高点1的数值。

图3 振动（正弦）试验扫频信号示意图

4 结束语

综上所述，影响振动试验能力验证测量结果的因素有多种，本文结合实验室先后参加的两次振动试验能力验证计划，依据能力验证测量结果，从试验样品和控制传感器的安装固定、振动台参数设置及试验环境与人员等影响因素进行分析和改进自身存在的问题，对后续其他实验室进行类似能力验证提供一些借鉴和参考。