基于共振頻率搜索實驗室間振動試驗比對設計

洪翔

摘 要：針對實驗室間振動試驗比對提出了方案，并利用共振搜索結果，分析評價每家參與實驗室的能力水平，找出其中的差異，達到提升實驗室水平的目的。本文首先介紹了實驗室間振動試驗比對的必要性，分析了國內開展振動試驗比對的現狀，然后提出了比對方案（主要包括樣品設計、比對方法），最后按照比對方案完成一次實驗室間振動試驗比對，并對比對結果進行了分析，給出了結論。

關鍵詞：實驗室間比對；振動試驗；共振頻率；比對樣品

中圖分類號：TN306 文獻標識碼：A

實驗室間比對是指按照預定的條件，由兩個或多個實驗室對相同或類似的比對樣品進行監(jiān)測組織、實施和評價，對于識別實驗室可能存在的系統(tǒng)偏差并制定相應的糾正措施、實現質量改進、進一步取得外部的信任，具有明顯的作用。

目前，國內實驗室間比對開展較多的是溫度試驗比對，較典型的是中國合格評定認可委員會組織的試驗溫度試驗比對，其比對樣品為主導實驗室預先設置溫度值的溫控器連接氖燈，參比實驗室接到比對樣品后，將比對樣品放入溫度試驗箱，在溫度試驗箱溫變過程中，溫度到達預設溫度時，利用溫控器對溫度變化的感應，通過溫控器的通斷，控制電路的通斷，透過氖燈的發(fā)亮和熄滅，讀出瞬間溫度試驗箱的溫度值，該溫度值作為比對分析數據。該比對方法從人、機、料、法、環(huán)、測6個方面考慮了測量的不確定性，采集的測量結果能夠真實反映實驗室水平，具有代表性。

振動試驗是在實驗室模擬樣品實際安裝、使用環(huán)境，施加對應振動應力，考核樣品在該環(huán)境下的適用性。實驗室提供的模擬環(huán)境應盡可能地再現樣品實際安裝、使用環(huán)境，并確保施加振動應力與試驗條件一致，要做到這點就和實驗室水平有直接關系，如何評價實驗室水平，利用評價結果對試驗過程進行改進，提升行業(yè)水平，值得研究。振動試驗比對在國內尚處于摸索階段，實際開展較少，其難點在比對樣品設計、比對方法選擇、數據采集與處理等方面，本次實驗室間振動試驗比對設計是以其他試驗比對的成熟做法為切入點，充分考慮振動試驗的特殊性而設計，具有原理清晰、可操作性強、數據可靠、覆蓋面廣的特點，以下正文進行詳細闡述。

1.振動試驗比對基本原理

物體的固有頻率與系統(tǒng)的固有特性有關（如質量、形狀、材質等），每個物體都會有固有頻率甚至多階固有頻率，當外界施加振動傳遞到該物體時，外界傳遞過來的振動頻率與物體固有頻率相同或非常相近時，該物體會出現振動加劇，此時，該頻率為共振頻率。理論上講，如果每家實驗室比對樣品和試驗方法一致，在做正弦掃頻時，當施加正弦掃頻頻率與比對樣品固有頻率重合時，會激發(fā)相同頻率的共振峰值，若該頻率出現較大偏差，則為實驗室各方面因素造成，需分析改進，因此，利用共振法監(jiān)測的共振頻率作為比對分析數據，來評價每家實驗室的能力是可行的。

2.比對組織

比對組織由主導實驗室和參比實驗室組成。

主導實驗室由行業(yè)內頂級實驗室擔任，全面負責組織實施實驗室比對工作，主要職責如下：（1）負責與參比實驗室共同完成試驗方法制定；（2）比對樣品制作與發(fā)放；（3）邀請參比實驗室；（4）數據匯總分析給出結論；（5）與參比實驗室協(xié)調、溝通等。

參比實驗室為行業(yè)內具有代表性的軍用或民用實驗室，主要職責如下：（1）負責接收比對樣品，按主導實驗室給出的比對試驗條件開展試驗；（2）出具比對試驗報告，給出比對數據；（3）比對結果出現的不滿意進行改進。

對于比對中出現的分歧應由主導實驗室組織相關方與權威學術機構、同行專家共同協(xié)商，裁定。

本次實驗室振動比對由中航工業(yè)成都凱天質檢技術服務有限責任公司、中航工業(yè)綜合技術研究所等7家實驗室參與，中航工業(yè)成都凱天質檢技術服務有限責任公司擔任主導實驗室，其余6家實驗室為參比實驗室（正文中以A、B、C、D、E、F、G代替實驗室名稱）。

3.比對路徑

根據樣品穩(wěn)定性的好壞，比對的線路可選擇圓環(huán)式、星形式、花瓣式（圖1～圖3）。在參加實驗室不多，傳遞標準結構比較簡單、便于搬運、穩(wěn)定性非常好的情況下，適用圓環(huán)式比對；星形式適用于多套傳遞標準同時進行，比對周期短，即便一套傳遞標準損壞也只影響一個實驗室的比對數據；花瓣式可將無效比對控制在比對過程的某一中間環(huán)節(jié)。

其中A代表主導實驗室，B、C、D、E、F、G代表參比實驗室

為確保振動量值傳遞在不同實驗室的穩(wěn)定性，監(jiān)測傳感器采集數據準確，振動比對樣品設計必須很穩(wěn)定，因此振動試驗比對路徑可采用圓環(huán)式，如圖1所示。確定比對路徑后，由主導實驗室預先進行一次全過程試驗，然后按比對路徑將比對樣品、試驗條件傳遞給下家實驗室，直到每家參比實驗室完成比對試驗，再傳回主導實驗室。

4.比對樣品設計

比對樣品設計是實驗室間振動比對的關鍵環(huán)節(jié)之一，比對樣品起到被激發(fā)固有頻率和共振點量值傳遞的作用，其設計的好壞將對比對結果產生直接影響，此外，還應確保發(fā)放到各家實驗室比對樣品特性保持一致，因此，比對樣品的設計要考慮以下幾點：

（1）復雜樣品中各個自由度分量固有頻率互相影響，可能會對比對結果造成影響，因此振動比對樣品結構應穩(wěn)定、可靠；

（2）比對樣品設計應考慮結構振動三要素（質量m、剛度k、阻尼c），三要素決定結構的振動特性，由固有頻率，可知固有頻率的大小與比對樣品的剛度k和質量m有關，從結構設計考慮，為覆蓋大部分實驗室振動臺的頻率范圍，比對樣品應在2000Hz以內能夠測出共振頻率，可通過改變比對樣品剛度來改變共振頻率。

（3）為確保試驗臺量值準確傳遞到比對樣品，采集數據更合理，應盡可能減少比對樣品與試驗臺之間轉接，比對樣品考慮與試驗臺通過足夠數量螺栓直接連接緊固。

（4）比對樣品表面有能緊固安裝傳感器的位置，確保控制傳感器、監(jiān)測傳感器連接可靠。

基于上述考慮，設計如圖4所示的比對樣品，比對樣品為一個“T”型結構件與底座整體連接。

5.比對方法

5.1 比對樣品的安裝

為減小振動臺與比對樣品之間的過渡工裝對試驗結果的影響，考慮實驗室之間安裝的一致性，比對樣品為一個穩(wěn)定、可靠的“T”型結構件連接底座的整體，可直接將比對樣品通過螺栓剛性連接在振動臺動圈上，螺栓緊固時使用力矩扳手，預緊力45N·m。比對樣品按圖4安裝軸向和安裝方式直接安裝于振動臺動圈中心，重心與振動臺的軸線相重合。

5.2 傳感器的安裝

監(jiān)測傳感器選用質量較輕的小型傳感器，質量越小的傳感器對對比對樣品共振搜索的影響就越小，搜索出的共振點越接近真實共振點，振動控制采用加權平均控制策略，兩個控制傳感器安裝在比對樣品底座上，靠近緊固螺栓，并以支柱為中心對稱安裝，安裝在“T”型比對樣品懸臂遠端。傳感器安裝位置如圖4所示。

5.3 試驗應力施加

參與實驗室按圖5設置正弦掃頻試驗譜，采用對數掃頻，分析譜線數設置2048，掃頻范圍5Hz～2000Hz，起始頻率5Hz，掃頻速率0.50ct/min，壓縮因子設置40，掃頻次數為上下各掃頻1次。

5.4 數據記錄

參與實驗室記錄監(jiān)測傳感器測得峰值加速度及其對應的共振頻率，并將測量結果反饋給主導實驗室。主導實驗室實測圖譜如圖6所示，從測量結果可以看出，比對樣品在2000Hz范圍內，監(jiān)測出現兩個峰值，分別是頻率為472.44Hz加速度達到24.4g，頻率為1550.38Hz加速度達到509.27g，這2個頻率點反映了比對樣品的1階、2階固有頻率，我們選取共振更為明顯的2階固有頻率作為比對分析數據。

6.比對數據處理

對于實驗室間振動試驗比對，由于比對樣品固有頻率未知，且影響測量結果的因素較多，比對樣品的參考值有可能出現離群值，因此不宜采用平均值作為參考值，而中位值不受較大、較小離群值的影響，因此采用中位值作為參考值，采用中位值確定參考值時，用Z比分數進行結果評價與分析。

6.1 Z比分數法

穩(wěn)健統(tǒng)計技術是基于測量結果服從正態(tài)或近似正態(tài)分布的假設，正態(tài)分布是一個連續(xù)的、對稱的“鐘形”曲線，如圖7所示。

Z即相當于圖中的σ。Z=1，有68.3%的值處于平均值（中位值）1倍標準差的范圍內；Z=2，有95.5%的值處于兩倍標準差的范圍內；Z=3有99.7%的值處于3倍標準差的范圍內。本次比對以Z比分數評價每個參加實驗室的能力，即：|Z|≤2為滿意結果；2<|Z|<3為存疑結果，實驗室應查找原因采取相應的預防措施；|Z|≥3為不滿意結果，實驗室應查找原因采取相應的糾正措施。

Z比分數定義為：

式中：x—參加實驗室比對樣品的測量結果。

中位值—測量結果按大小排序后，分成相等4等分，Q2所在位置對應測量結果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示項數。

NIQR—標準四分位數間距：

NIQR=0.7413×IQR=0.7413×（Q3-Q1）

式中：

IQR—高四分位數和低四分位數的差。

Q3—高四分位數，測量結果按大小排序后，分成相等4等分，Q3所在位置對應測量結果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示項數。

Q1—低四分位數，測量結果按大小排序后，分成相等4等分，Q1所在位置對應測量結果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示項數。

6.2 數據處理

本次實驗室間振動試驗比對，由A實驗室發(fā)起，B、C、D、E、F、G6家實驗室參加，分別按比對方法完成試驗后，得到7家實驗室測量結果，見表1。

從表3可以看出，E實驗室|Z|>2，結果為不滿意，其余實驗室|Z|≤2，結果為滿意，E實驗室應從實驗室內的隨機因素和與其他實驗室之間存在的系統(tǒng)差異尋找原因，進行改進。

結語

文中對實驗室間振動試驗比對做了詳細分析與闡述，從方法選擇、人員操作、試驗設備、結果分析等方面充分考慮了實驗室之間的差異，提出了創(chuàng)新的比對方案，并用案例進行了驗證，說明利用正弦共振頻率搜索的方法進行實驗室間比對，是一種可行、有效的手段。筆者希望此文能為廣大同行開展振動試驗比對提供參考依據，促進振動試驗比對的開展，達到提升實驗室水平的目的。

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