LED灯具可靠性试验中振动试验技术分析

关卫斌，陈海锋

【摘要】 LED灯具成为生活中必不可少的一部分，无论是在室内还是在室外都随处可见，因此，市场上对LED灯具各方面性能要求也越来越高。当前，部分LED灯具产品的可靠性及安全性出现了一些隐患。本文结合对标准的理解和工作中经验的积累，对户外用LED灯具可靠性要求中振动试验的振动应力如何施加、何时施加等问题进行分析，为确保产品准确实施可靠性试验提供指导和帮助。

【关键词】 可靠性;LED灯具;扫频振动;共振频率

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.06.016

Analysis of Vibration Test Technology in the Reliability

Test of LED Luminaire

GUAN Wei-bin，CHEN Hai-feng

（Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision，Guangzhou 510000，China）

Abstract： LED luminaire has become an indispensable part of life，whether it is indoors or outdoors. Therefore，the performance of LED luminaire is getting higher and higher in the market. At present，some hidden dangers have appeared in the reliability and safety of some LED lamps. Combined with the understanding of the standard and the accumulation of work experience，this paper analyzes how and when to apply the vibration stress in the vibration test in the reliability requirements of external LED lamps，so as to provide guidance and help for the smooth implementation of the reliability test.

Key words： reliability;LED luminaire;sweep frequency vibration;resonance frequency

1 燈具振动试验的必要性

随着城市化进程的加快，作为城市景观亮化工程的LED灯具产品也得广泛应用，市场上对LED灯具产品在节能、可靠性、环保等方面提出了更高质量的要求，本文就主要从LED灯具可靠性要求中，对振动试验要求与技术分析进行介绍。

灯具在使用中经常会遇到一些外界环境影响而让产品出现一些故障，为了进一步提高灯具产品可靠性，根据GB/T 33721—2017《LED灯具可靠性试验方法》与ANSI C136.31—2018《北美道路和区域照明产品的振动试验》标准，对户外的LED灯具产品进行振动试验。振动试验是模拟产品在运输（Transportation）、安装（Installation）及使用（Use）环境中所遭遇到的各种振动环境影响，用来确定灯具是否能承受各种环境振动的能力。振动试验是评定元器件、零部件及整机在预期的运输及使用环境中的抵抗环境应力，同时也可以通过振动试验结果及早发现灯具存在的不足，并在上市之前进行改进，降低产品故障率，提高灯具产品的可靠性。

2 LED灯具可靠性试验中的振动试验要求

根据GB/T 33721—2017《LED灯具可靠性试验方法》标准条款13要求，LED灯具在做振动试验时先按要求进行扫频，确定共振频率，之后在该频率下进行耐振试验，耐振的加速度应按照相应的材料规定。进行试验时，应将灯具以正常使用的方向刚性安装在振动台上，在3个相互垂直的轴线上（X、Y、Z）用5 Hz至30 Hz扫频，扫频速率≤1 oct/min，寻找并确认共振频率（注：进行LED灯具试验时应使用模拟灯杆装置，装置应包括灯杆和底座，以及悬臂组成或优先选用镁铝合金组成的L型或T型夹具按制造商要求进行连接及固定LED灯具产品）。确定共振频率后，将灯具按正常安装方向固定在振动台上，在每个平面上按加速度和所测的共振频率经受100000次耐久振动，相关的LED灯具试验要求见表1。另外，标准也提出考虑到部件老化的问题，标准对每个方向上的振动试验可以选用不同备用灯具进行试验，用来消除连接部件老化的影响。

根据表1确定了试验要求后，再进一步细化测试过程的参数，具体如下。

1）测试时间。测试时间的计算方法为：[测试时间=N60×f]，其中，N为振动的总次数;f为共振频率，单位为Hz。

2）测试加速度计算公式。应力与加速度成正比。因此，测试加速度值可在N次循环中模拟所需的疲劳极限加速度来确定：[At=Ae×（SnSe）]，其中，At为试验过程中灯具中心点出的加速度;Ae为需要的加速度耐力，通常普通道路上的加速度取1 g，桥梁及天桥上的加速度取2 g;Sn为N次循环后引起的疲劳应力（本次举例的是10万次）;Se为所涉及材料的耐久性应力。

3 进行振动试验时要考虑的主要问题

3.1 振动试验夹具

灯具振动试验的夹具有多种样式，有些是为某种型号的灯具设计的，也有些是通用夹具。总而言之，无论是哪种夹具，都需要考虑刚性强度、夹具的重量以及夹具的重心等问题。以下结合实际工作经验对上述指标进行分析。

1）刚性强度。一般来说，刚性强度越大体积越大，固有频率就越小。因此，试验时不仅要尽量确保夹具与灯具进行刚性连接，而且夹具的刚性强度越大越好。目前一般用铝、钢、镁作为材料来制造夹具，它们主要的物理特性见表2。比刚度是评价夹具材料重要指标之一，比刚度越大，该夹具的质量就越轻，刚性强度就越大，同时频率范围就越大。因此，夹具可以根据实际要求和成本设计选择合适的材料。

2）夹具的重量。前面的内容也提到，夹具质量越轻越好。因为夹具的重量会影响轴向的共振频率，所以在适当条件下，应选择质量相对轻的夹具。

3）夹具的重心。安装时，试验台的中心、样品的重心以及夹具的重心应尽量在同一条直线上，这样能尽量避免振动台均匀度的降低和波形的失真度升高，提高试验的准确度。

3.2 振动传感器的选择

振动传感器在振动试验中是关键部件之一，它的作用主要是将振动台发出的机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。振动传感器主要分为电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式的传感器。实验室一般常用压电式传感器，也是加速度传感器。因为加速度传感器主要测量中高的频段，且其具有生产工艺成熟、频率范围大、动态范围宽、安装方便等特点，因此实验室中用的比较多。但是对于选择传感器的选择，我们应考虑以下参数：灵敏度、安装谐振频率、传感器的质量以及动态范围。

1）灵敏度。灵敏度是加速度传感器最重要的特性之一。理论上来讲，灵敏度越高越好。但是加速度传感器灵敏度越高，其压电叠层就越厚，则导致传感器自身谐振频率下降，进而影响测量频率范围。安装谐振频率，就是传感器安装在刚性基础上而质量相对较大的固有频率。传感器的测量频率范围可以由下面的公式计算：

[f=km]

其中，k为传感器的刚度，m为传感器的质量。计算传感器的测量频率范围时通常取测量频率为安装频率的[13]，这时振动误差一般不大于1 dB。为了进一步的提高传感器测量的精度，可以选择测量上限频率为谐振频率的[15]～[110]。

2）传感器的质量。当需要测量小部件或者在样品上粘贴多个传感器时，则需要好好考虑传感器质量大小的问题。因为这时必须考虑传感器的质量对被测样品结构动态特性的影响，其影响可以由下面的公式估算：

[fs=fm1+m1m2]

其中，[fm]为传感器的固有频率，[m1]和[m2]分别为传感器的质量和在该阶固有频率下的等效质量，一般来说传感器的质量应小于有效质量的[110]。

3）动态范围。当进行试验时应考虑传感器的动态范围。正常来讲，加速度传感器的输出线性范围的最小值可以是零，但实际上连接电线和测量电路的电噪音是决定动态范围下限的主要因素，因此，测量相对较小的加速度不太适合用动态范围大的传感器。传感器的动态范围的最大值取决于传感器的结构，测量加速度值很大时，必须选择有足够动态范围的加速度传感器。

3.3 振动传感器的安装

在振动试验中传感的粘贴以及安装的位置和方向都是很重要的一部分。目前，主要是用瞬间固化黏合剂将传感器粘贴在振动台上，主要是因为它粘接能力强、稳定性高、固化时间短。另外，监测传感器尽量粘在灯具的中心位置，若只测灯具某个部件，则应粘贴在该部件的中心点位置。除了粘贴位置，方向也是尤其重要，遵守一个原则，那就是传感器的粘贴方向应与振动方向平行。

3.4 扫频速率及振动参数的选择

在寻找灯具共振频率时，扫频速率的选择极为重要，也是决定能否精确找到共振频率的关键因素之一。扫频速率设置太大，那么扫频的时间就越短，得出的共振频率误差则很大。若扫频速率设置太小，则扫频的时间过于长，影响实验时间，严重的可能会降低灯具的疲劳强度，常用的扫频速率一般是≤1 oct/min。

4 振动试验时的共振点判断

共振是指带有能量的系统受到外力作用，当外力的频率接近固有频率的时发生固有振动的一种现象。对于确定线性系统的共振点，经验上一般采用的方法是当监测点的响应值（加速度、速度、位移）是控制点控制值（加速度、速度、位移）的6 dB（2倍）以上时（Q≥2非线性系统是幅值判断共振点时），监测点响应值对应的频率f即为共振点。而对于非线性系统振动试验，还需要加入相位差来进行判断，即控制点和监测点对应的相位差是否为90°。大多数的LED灯具试验标准都是通过线性扫描方式进行确认共振频率，因此，对于共振点的判断基本可以通过试验过程的Q值进行确定。

下面通过一个实际测试例子进行分析，对某户外LED投光灯产品根据GB/T 33721—2017《LED灯具可靠性试验方法》标准进行振动试验。根据企业说明书确定，该LED投光灯产品属于压铸铝外壳材料，并将使用在桥梁以及天桥上的灯具。明确了试验等级，就先按生产厂商要求对户外LED投光灯进行安装并固定，分别安装好振动台的控制传感器与样品表面的振动监测传感器，设定运行参数后进行扫频查找共振点。

通过图1扫描响应曲线发现幅值放大倍数最大的频率点在19.9 Hz附近，并确定该频率为共振频率，随后按此频率进行耐久试验要求，在19.9 Hz做共振耐久扫频试验，加速度3 g，振动100000次。共振耐久试验曲线图2，通过以上的方法，分别对灯具在3个相互垂直的轴线上（X、Y、Z）进行振动试验，试验结束后对振动的试验结果进行分析判断。

5 振动试验后的结果判断

试验结束后，须对灯具进行结果判定，一般从下面几方面入手：首先，灯具的外壳不应被破坏，电气间隙不应减小，灯具所有部件都不能松动，任何可能造成安全问题的损坏都等同于失败;其次，样品还需通电检查，灯具应能启动和工作正常。以上条件根据GB/T 33721—2017标准进行确定，若有一项或者一项以上不合格，灯具都属于不合格。

6 结语

LED灯具的振动试验是评价灯具的机械性能关键试验之一，对提高灯具的可靠性起着很重要的评价作用，但是在做振动试验时，需考虑的因素很多，其中包括LED灯具的安装，传感器选择与安装，试验过程，以及寻找共振频率等，这些都需要检测人员熟悉掌握，若有一步做得不对都会直接影响共振频率的参数，导致试验结果产生差异。

【参考文献】

[1] 涂骥.振动传感器的选择与安装[J].计量与测试技术，2010（1）：45-46.

[2] 闫凯，李艳琴，王美霞.《LED灯具可靠性试验方法》标准解读[J].中国照明电器，2016（6）：38-41.

【作者简介】

关卫斌，男，1976年出生，工程師，学士，研究方向为可靠性与环境试验。