振动实验室比对探讨

牛宝良，王东升，李思忠

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

测量工作越来越成为人民生活、工程建设、科学研究等各领域非常重要的组成部分，人们关注的空气质量、水体污染、工程建设中的材料成分与强度、科学研究中的各种参数，无不通过实验室测试给出。为了确保实验室给出的测试结果准确，要求实验室必须通过国家实验室认可机构的认可，可是即使是经过认可的实验室，对同样的样品给出的测试结果也是有差异的，有些差异还很大。通过实验室比对，可以发现同一行业测试水平的整体情况以及哪些实验室存在问题。北京市质量技术监督局和北京市建设委员会在2004年2005年连续2年组织空气质量检测机构进行比对[1—2]，甲醛和苯两项检测结果均获满意的为实验室总数的45.3%，两项结果均不满意的为实验室总数的7.5%。氨和苯均为满意结果的实验室为实验室总数的47.5%，均不满意的实验室为实验室总数的5%。发现了经验不足、概念错误、公式错误、未溯源等问题，通过组织复测，纠正了错误，为提高测试水平找到真正问题所在。国内6家检测机构和2个汽车生产企业的轻型汽车排放实验室于2005年10月18日—2006年1月18日进行了实验室比对[3]。8家参比实验室的均能达到GB 18352.3—2005的标准要求，测试数据正确，有很好的再现性，完全可以承担产品型式核准的试验。总结并形成规范性的比对实施细则，建立起能真实反映各实验室检测能力的评价方法，为今后行业或各轻型汽车排放实验室间开展比对，以及参与国际间相关的实验室比对奠定坚实的基础。

振动实验室承担对各类军民品产品耐受振动环境能力评价的职责。振动实验室越来越多，各实验室是否能正确进行试验，行业的整体水平如何，需要通过实验室比对来了解。一般的测试实验室，被测量是样品的客观属性，只要保证样品分发或传递到各实验室后样品属性不变就可以。振动实验室有其特殊性，是要给产品施加一个振动环境，施加的这个振动环境是以频率、幅值、谱形、振动时间、振动方向、控制点位置等一系列参数来描述的，加载质量涉及到振动台的波形失真、控制器的算法优劣、安装过程的拧紧力矩、传感器和测试系统的频响、幅值误差等，还有人员操作问题，这些都可能导致同样试验的结果有较大差异。从评判的公平性上来说，同样的产品，任何一家合格的实验室，都应该给出相同的结果。能否达到这个愿望，就需要通过实验室比对来证实或者提升。文中对振动实验室的比对提出初步的思考，抛砖引玉，希望引起同行专家对振动试验比对的关注，推动振动实验室比对这项有重要意义的工作逐步开展。

1 比对试验的组织

首先，应邀请国家认证认可监督管理委员会、中国实验室国家认可委员会给予指导。其次要邀请振动环境试验方面的顶级实验室、学术机构、顶级专家参与比对试验方案和细则的制定，组成主导实验室，具体承担样品制作、样品传递、数据处理等。最后，是邀请军工行业的振动实验室、民用行业有代表性的实验室参与实验室比对。

JJF 1117—2010计量比对（之前的版本是JJF 1117—2004测量仪器比对规范）对比对的组织有明确规定，振动实验室比对的组织可以参考该规范。

2 样品及试验项目

2.1 样品设计

样品是实验室比对的关键环节之一。一般的物质特性检测，只要确保发放到各参比实验室的样品特性一致。振动实验室比对所用的样品是比较特殊的，监测量并不是样品自身特性，而是实验室施加的振动信号，是考察各实验室所施加的振动信号是否与试验大纲要求一致，为此要在样品上预先装贴监测用的加速度传感器。样品的选择要考虑以下几点：

1）特性稳定；

2）频率特性最好有峰有谷；

3）质量不大，所需推力为20～50 kN，便于覆盖较多的实验室；

4）内含监测用高精度三向振动加速度传感器、信号记录仪，或基于网络的无线数据传输系统，测试所得数据进行分析处理后，作为加载结果的客观评判依据；

5）监测传感器布置在圆柱筒内壁或上下法兰内侧，振动试验的控制点加速度传感器装在圆柱筒外壁或上下法兰外侧，使得监测点加速度传感器所测信号与控制点一致；

6）作为监测用加速度传感器，装贴的方向要正，与试件的连接刚度要高；

7）作为监测用的数据记录仪，采用电池供电，充满电后应能连续工作不少于100 min，通道数不少于4，采样频率不低于20 kHz，频谱分析的参数设置由比对专家组共同决定。

基于上述考虑，提出如图1所示的样品。数据记录仪安装在筒内部，作为样品的结构组成部分。

2.2 试验项目设计

试验项目的设计应有代表性，因此作了如下的设计。

图1 样品示意Fig.1 Sketch map of the specimen

1）振动方向有2个方向：轴向和横向。

2）振动类型为：正弦和随机。

3）振动量级：高量级正弦为5～11.14 Hz，10 mm，11.14～22.28 Hz，0.7 m/s，22.28～2000 Hz，10g；低量级正弦为5～11.14 Hz，1 mm，11.14～22.28 Hz，0.07 m/s，22.28～2000Hz，1g；高量级随机为 5 Hz，0.01g2/Hz，50 Hz，0.1g2/Hz，1000 Hz，0.1g2/Hz，2000 Hz，0.025g2/Hz，加速度总均方根为12.145g。低量级随机频谱形状不变，PSD减小到1/100，加速度总均方根为1.2145g。

4）试验时间：正弦，扫频速率1 Oct/min，5 Hz→2000 Hz→5 Hz，17.288 min；随机，满量级持续5 min。

图2 试验参考谱Fig.2 Reference spectra of the test

3 比对路线图

比对路线图因样品特性的不同而不同[5]。特别稳定的采用圆环式，容易变化的采用星形式，比较稳定的采用花瓣式，也叫分段式。振动试件相对比较稳定，拟采用花瓣式，如图3所示。A是主导实验室，B，C，D，E，F，G为参比实验室。

图3 比对路线Fig.3 Path map of the comparison test

主导实验室预先进行一次全过程试验，确认以下几个事项。

1）内部监测点所测数据与外部控制点所测时域数据一致；

2）确认样品有合适的振动峰谷，有峰谷才能考察出控制器参数的设置是否合理；

3）对监测数据选择合理的谱分析参数进行谱分析，谱分析数据与控制器给出谱一致；

4）确认数据记录仪充满电，能够持续到所有测试项目完成，能够正确读出数据；

5）确认比对试验大纲信息完整正确；

6）把试件拆下，重新安装，再做，观察结果的差异，为下一步判断分散性积累参考数据；

最后，把样品依次发送到各参比实验室。各参比实验室做完试验后，及时把监测传感器的数据传递到主导实验室。

4 比对数据处理

每一家参比实验室完成振动试验后，把监测的时域数据导出，传递给主导实验室。主导实验室进行谱分析。

对于正弦扫频试验，建议做2次分析，幅值分析选用不同的参数。一种是用跟踪滤波器，带宽选择100%，得到的是正弦基波的扫频谱；另一种是用峰值，得到的是正弦峰值扫频谱。对于理想的正弦曲线，这两个谱是一样的，但是如果不是理想的正弦波，在某频率波形有畸变，往往是正弦基波谱的幅值小于正弦峰值谱。通过这两个谱的差异大小、所在的频带宽度可以间接判断试验的波形失真情况。

在正弦基波的扫频谱上找到最大正偏差点的值、最大负偏差点的值。取绝对值大的作为正弦控制偏差。

参比实验室控制器上也会显示正弦基波的扫频谱。同样取绝对值大的偏差作为正弦控制偏差。

对于随机振动试验，做时域和频域分析。绘制随机振动整个时间长度上的加速度均方根时域曲线，每次统计均方根的时间长度为0.4 s（下限频率5 Hz的周期是0.2 s，包含2个周期已经足够长），观察上升过程超调量，平稳段的平均值，平稳段的波动量，平稳段的持续时间。

频域分析是基于FFT分析PSD谱、随机总均方根值。频域分析的参数（频率范围、频率间隔、自由度数或平均次数）要统一。

在整个频带内选择2个频率点，如果PSD谱上有超差，应包括超差最大的频率点。

以上述的几个量（正弦控制偏差、随机试验平稳段的时域加速度均方根值、平稳段的时间、随机试验频域均方根、两个点的PSD值）为处理对象，计算Z比分数，对各参比实验室做出判断。Z分数的计算可参考文献[4]。

专家组和主导实验室对参比实验室总体情况进行分析，提出改进建议，必要时个别实验室可以重做。专家组和主导实验室对比对结果进行讨论，与参比实验室沟通，最后发布比对结果。

5 结语

文中对振动实验室比对的必要性进行了分析，对比对试验提出了初步方案，包括样品结构和要求、试验条件、比对数据处理等。希望引起同行专家对振动试验比对的关注，推动振动实验室比对这项有重要意义的工作逐步开展。

[1] 张晓鸣，涂晓明，于慧芳，等.2004年度北京地区室内空气质量检测机构实验室比对实验与结果分析[J].中国卫生检验杂志，2005，15（12）：1496—1498.ZHANG Xiao-ming，TU Xiao-ming，YU Hui-fang，et al.Experimentation Result Analyses of Indoor Air Quality Test Agencies in Beijing in 2004[J].Chinese Journal of Health，2005，15（12）：1496—1498.

[2]张丽英，张晓鸣.2005年北京地区室内空气质量检测机构的实验室比对[J].环境与健康杂志，2006，23（5）：451—453.ZHANG Li-ying，ZHANG Xiao-ming.Capacity Evaluation of Laboratories of Indoor Air Quality Test Agencies in Beijing[J].J Environ Health，2006，23（5）：451—453.

[3] 李征.主导实验室在实验室比对活动中的作用[J].上海计量测试，2010（6）：61—63.LI Zhen.Pilot Laboratory′s Function in Laboratory Comparison Activity[J].Shanghai Measurement and Testing，2010（6）：61—63.

[4]符颖操，罗茜.实验室间比对结果分析统计方法的探讨[J].理化检验-物理分册，2006（42）：295—299.FU Ying-cao，LUO Qian.Discussion on the Statistical Methods in the Analysis of the Results of the Inter-laboratory Comparisons[J].PTCA（Part：A Phys Test）.2006（42）：295—299.

[5]JJF 1117—2004，测量仪器比对规范[S].JJF 1117—2004，Specification for Comparison of Measuring Instrument[S].

[6]JJF 1117—2010，计量比对[S].JJF 1117—2010，Measurement Comparison[S].