基于共振频率搜索实验室间振动试验比对设计

洪翔

摘 要：针对实验室间振动试验比对提出了方案，并利用共振搜索结果，分析评价每家参与实验室的能力水平，找出其中的差异，达到提升实验室水平的目的。本文首先介绍了实验室间振动试验比对的必要性，分析了国内开展振动试验比对的现状，然后提出了比对方案（主要包括样品设计、比对方法），最后按照比对方案完成一次实验室间振动试验比对，并对比对结果进行了分析，给出了结论。

关键词：实验室间比对；振动试验；共振频率；比对样品

中图分类号：TN306 文献标识码：A

实验室间比对是指按照预定的条件，由两个或多个实验室对相同或类似的比对样品进行监测组织、实施和评价，对于识别实验室可能存在的系统偏差并制定相应的纠正措施、实现质量改进、进一步取得外部的信任，具有明显的作用。

目前，国内实验室间比对开展较多的是温度试验比对，较典型的是中国合格评定认可委员会组织的试验温度试验比对，其比对样品为主导实验室预先设置温度值的温控器连接氖灯，参比实验室接到比对样品后，将比对样品放入温度试验箱，在温度试验箱温变过程中，温度到达预设温度时，利用温控器对温度变化的感应，通过温控器的通断，控制电路的通断，透过氖灯的发亮和熄灭，读出瞬间温度试验箱的温度值，该温度值作为比对分析数据。该比对方法从人、机、料、法、环、测6个方面考虑了测量的不确定性，采集的测量结果能够真实反映实验室水平，具有代表性。

振动试验是在实验室模擬样品实际安装、使用环境，施加对应振动应力，考核样品在该环境下的适用性。实验室提供的模拟环境应尽可能地再现样品实际安装、使用环境，并确保施加振动应力与试验条件一致，要做到这点就和实验室水平有直接关系，如何评价实验室水平，利用评价结果对试验过程进行改进，提升行业水平，值得研究。振动试验比对在国内尚处于摸索阶段，实际开展较少，其难点在比对样品设计、比对方法选择、数据采集与处理等方面，本次实验室间振动试验比对设计是以其他试验比对的成熟做法为切入点，充分考虑振动试验的特殊性而设计，具有原理清晰、可操作性强、数据可靠、覆盖面广的特点，以下正文进行详细阐述。

1.振动试验比对基本原理

物体的固有频率与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），每个物体都会有固有频率甚至多阶固有频率，当外界施加振动传递到该物体时，外界传递过来的振动频率与物体固有频率相同或非常相近时，该物体会出现振动加剧，此时，该频率为共振频率。理论上讲，如果每家实验室比对样品和试验方法一致，在做正弦扫频时，当施加正弦扫频频率与比对样品固有频率重合时，会激发相同频率的共振峰值，若该频率出现较大偏差，则为实验室各方面因素造成，需分析改进，因此，利用共振法监测的共振频率作为比对分析数据，来评价每家实验室的能力是可行的。

2.比对组织

比对组织由主导实验室和参比实验室组成。

主导实验室由行业内顶级实验室担任，全面负责组织实施实验室比对工作，主要职责如下：（1）负责与参比实验室共同完成试验方法制定；（2）比对样品制作与发放；（3）邀请参比实验室；（4）数据汇总分析给出结论；（5）与参比实验室协调、沟通等。

参比实验室为行业内具有代表性的军用或民用实验室，主要职责如下：（1）负责接收比对样品，按主导实验室给出的比对试验条件开展试验；（2）出具比对试验报告，给出比对数据；（3）比对结果出现的不满意进行改进。

对于比对中出现的分歧应由主导实验室组织相关方与权威学术机构、同行专家共同协商，裁定。

本次实验室振动比对由中航工业成都凯天质检技术服务有限责任公司、中航工业综合技术研究所等7家实验室参与，中航工业成都凯天质检技术服务有限责任公司担任主导实验室，其余6家实验室为参比实验室（正文中以A、B、C、D、E、F、G代替实验室名称）。

3.比对路径

根据样品稳定性的好坏，比对的线路可选择圆环式、星形式、花瓣式（图1～图3）。在参加实验室不多，传递标准结构比较简单、便于搬运、稳定性非常好的情况下，适用圆环式比对；星形式适用于多套传递标准同时进行，比对周期短，即便一套传递标准损坏也只影响一个实验室的比对数据；花瓣式可将无效比对控制在比对过程的某一中间环节。

其中A代表主导实验室，B、C、D、E、F、G代表参比实验室

为确保振动量值传递在不同实验室的稳定性，监测传感器采集数据准确，振动比对样品设计必须很稳定，因此振动试验比对路径可采用圆环式，如图1所示。确定比对路径后，由主导实验室预先进行一次全过程试验，然后按比对路径将比对样品、试验条件传递给下家实验室，直到每家参比实验室完成比对试验，再传回主导实验室。

4.比对样品设计

比对样品设计是实验室间振动比对的关键环节之一，比对样品起到被激发固有频率和共振点量值传递的作用，其设计的好坏将对比对结果产生直接影响，此外，还应确保发放到各家实验室比对样品特性保持一致，因此，比对样品的设计要考虑以下几点：

（1）复杂样品中各个自由度分量固有频率互相影响，可能会对比对结果造成影响，因此振动比对样品结构应稳定、可靠；

（2）比对样品设计应考虑结构振动三要素（质量m、刚度k、阻尼c），三要素决定结构的振动特性，由固有频率，可知固有频率的大小与比对样品的刚度k和质量m有关，从结构设计考虑，为覆盖大部分实验室振动台的频率范围，比对样品应在2000Hz以内能够测出共振频率，可通过改变比对样品刚度来改变共振频率。

（3）为确保试验台量值准确传递到比对样品，采集数据更合理，应尽可能减少比对样品与试验台之间转接，比对样品考虑与试验台通过足够数量螺栓直接连接紧固。

（4）比对样品表面有能紧固安装传感器的位置，确保控制传感器、监测传感器连接可靠。

基于上述考虑，设计如图4所示的比对样品，比对样品为一个“T”型结构件与底座整体连接。

5.比对方法

5.1 比对样品的安装

为减小振动台与比对样品之间的过渡工装对试验结果的影响，考虑实验室之间安装的一致性，比对样品为一个稳定、可靠的“T”型结构件连接底座的整体，可直接将比对样品通过螺栓刚性连接在振动台动圈上，螺栓紧固时使用力矩扳手，预紧力45N·m。比对样品按图4安装轴向和安装方式直接安装于振动台动圈中心，重心与振动台的轴线相重合。

5.2 传感器的安装

监测传感器选用质量较轻的小型传感器，质量越小的传感器对对比对样品共振搜索的影响就越小，搜索出的共振点越接近真实共振点，振动控制采用加权平均控制策略，两个控制传感器安装在比对样品底座上，靠近紧固螺栓，并以支柱为中心对称安装，安装在“T”型比对样品悬臂远端。传感器安装位置如图4所示。

5.3 试验应力施加

参与实验室按图5设置正弦扫频试验谱，采用对数扫频，分析谱线数设置2048，扫频范围5Hz～2000Hz，起始频率5Hz，扫频速率0.50ct/min，压缩因子设置40，扫频次数为上下各扫频1次。

5.4 数据记录

参与实验室记录监测传感器测得峰值加速度及其对应的共振频率，并将测量结果反馈给主导实验室。主导实验室实测图谱如图6所示，从测量结果可以看出，比对样品在2000Hz范围内，监测出现两个峰值，分别是频率为472.44Hz加速度达到24.4g，频率为1550.38Hz加速度达到509.27g，这2个频率点反映了比对样品的1阶、2阶固有频率，我们选取共振更为明显的2阶固有频率作为比对分析数据。

6.比对数据处理

对于实验室间振动试验比对，由于比对样品固有频率未知，且影响测量结果的因素较多，比对样品的参考值有可能出现离群值，因此不宜采用平均值作为参考值，而中位值不受较大、较小离群值的影响，因此采用中位值作为参考值，采用中位值确定参考值时，用Z比分数进行结果评价与分析。

6.1 Z比分数法

稳健统计技术是基于测量结果服从正态或近似正态分布的假设，正态分布是一个连续的、对称的“钟形”曲线，如图7所示。

Z即相当于图中的σ。Z=1，有68.3%的值处于平均值（中位值）1倍标准差的范围内；Z=2，有95.5%的值处于两倍标准差的范围内；Z=3有99.7%的值处于3倍标准差的范围内。本次比对以Z比分数评价每个参加实验室的能力，即：|Z|≤2为满意结果；2<|Z|<3为存疑结果，实验室应查找原因采取相应的预防措施；|Z|≥3为不满意结果，实验室应查找原因采取相应的纠正措施。

Z比分数定义为：

式中：x—参加实验室比对样品的测量结果。

中位值—测量结果按大小排序后，分成相等4等分，Q2所在位置对应测量结果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示项数。

NIQR—标准四分位数间距：

NIQR=0.7413×IQR=0.7413×（Q3-Q1）

式中：

IQR—高四分位数和低四分位数的差。

Q3—高四分位数，测量结果按大小排序后，分成相等4等分，Q3所在位置对应测量结果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示项数。

Q1—低四分位数，测量结果按大小排序后，分成相等4等分，Q1所在位置对应测量结果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示项数。

6.2 数据处理

本次实验室间振动试验比对，由A实验室发起，B、C、D、E、F、G6家实验室参加，分别按比对方法完成试验后，得到7家实验室测量结果，见表1。

从表3可以看出，E实验室|Z|>2，结果为不满意，其余实验室|Z|≤2，结果为满意，E实验室应从实验室内的随机因素和与其他实验室之间存在的系统差异寻找原因，进行改进。

结语

文中对实验室间振动试验比对做了详细分析与阐述，从方法选择、人员操作、试验设备、结果分析等方面充分考虑了实验室之间的差异，提出了创新的比对方案，并用案例进行了验证，说明利用正弦共振频率搜索的方法进行实验室间比对，是一种可行、有效的手段。笔者希望此文能为广大同行开展振动试验比对提供参考依据，促进振动试验比对的开展，达到提升实验室水平的目的。

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