振動實驗室比對探討

牛寶良，王東升，李思忠

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

測量工作越來越成為人民生活、工程建設、科學研究等各領域非常重要的組成部分，人們關注的空氣質量、水體污染、工程建設中的材料成分與強度、科學研究中的各種參數，無不通過實驗室測試給出。為了確保實驗室給出的測試結果準確，要求實驗室必須通過國家實驗室認可機構的認可，可是即使是經過認可的實驗室，對同樣的樣品給出的測試結果也是有差異的，有些差異還很大。通過實驗室比對，可以發現同一行業測試水平的整體情況以及哪些實驗室存在問題。北京市質量技術監督局和北京市建設委員會在2004年2005年連續2年組織空氣質量檢測機構進行比對[1—2]，甲醛和苯兩項檢測結果均獲滿意的為實驗室總數的45.3%，兩項結果均不滿意的為實驗室總數的7.5%。氨和苯均為滿意結果的實驗室為實驗室總數的47.5%，均不滿意的實驗室為實驗室總數的5%。發現了經驗不足、概念錯誤、公式錯誤、未溯源等問題，通過組織復測，糾正了錯誤，為提高測試水平找到真正問題所在。國內6家檢測機構和2個汽車生產企業的輕型汽車排放實驗室于2005年10月18日—2006年1月18日進行了實驗室比對[3]。8家參比實驗室的均能達到GB 18352.3—2005的標準要求，測試數據正確，有很好的再現性，完全可以承擔產品型式核準的試驗?？偨Y并形成規范性的比對實施細則，建立起能真實反映各實驗室檢測能力的評價方法，為今后行業或各輕型汽車排放實驗室間開展比對，以及參與國際間相關的實驗室比對奠定堅實的基礎。

振動實驗室承擔對各類軍民品產品耐受振動環境能力評價的職責。振動實驗室越來越多，各實驗室是否能正確進行試驗，行業的整體水平如何，需要通過實驗室比對來了解。一般的測試實驗室，被測量是樣品的客觀屬性，只要保證樣品分發或傳遞到各實驗室后樣品屬性不變就可以。振動實驗室有其特殊性，是要給產品施加一個振動環境，施加的這個振動環境是以頻率、幅值、譜形、振動時間、振動方向、控制點位置等一系列參數來描述的，加載質量涉及到振動臺的波形失真、控制器的算法優劣、安裝過程的擰緊力矩、傳感器和測試系統的頻響、幅值誤差等，還有人員操作問題，這些都可能導致同樣試驗的結果有較大差異。從評判的公平性上來說，同樣的產品，任何一家合格的實驗室，都應該給出相同的結果。能否達到這個愿望，就需要通過實驗室比對來證實或者提升。文中對振動實驗室的比對提出初步的思考，拋磚引玉，希望引起同行專家對振動試驗比對的關注，推動振動實驗室比對這項有重要意義的工作逐步開展。

1 比對試驗的組織

首先，應邀請國家認證認可監督管理委員會、中國實驗室國家認可委員會給予指導。其次要邀請振動環境試驗方面的頂級實驗室、學術機構、頂級專家參與比對試驗方案和細則的制定，組成主導實驗室，具體承擔樣品制作、樣品傳遞、數據處理等。最后，是邀請軍工行業的振動實驗室、民用行業有代表性的實驗室參與實驗室比對。

JJF 1117—2010計量比對（之前的版本是JJF 1117—2004測量儀器比對規范）對比對的組織有明確規定，振動實驗室比對的組織可以參考該規范。

2 樣品及試驗項目

2.1 樣品設計

樣品是實驗室比對的關鍵環節之一。一般的物質特性檢測，只要確保發放到各參比實驗室的樣品特性一致。振動實驗室比對所用的樣品是比較特殊的，監測量并不是樣品自身特性，而是實驗室施加的振動信號，是考察各實驗室所施加的振動信號是否與試驗大綱要求一致，為此要在樣品上預先裝貼監測用的加速度傳感器。樣品的選擇要考慮以下幾點：

1）特性穩定；

2）頻率特性最好有峰有谷；

3）質量不大，所需推力為20～50 kN，便于覆蓋較多的實驗室；

4）內含監測用高精度三向振動加速度傳感器、信號記錄儀，或基于網絡的無線數據傳輸系統，測試所得數據進行分析處理后，作為加載結果的客觀評判依據；

5）監測傳感器布置在圓柱筒內壁或上下法蘭內側，振動試驗的控制點加速度傳感器裝在圓柱筒外壁或上下法蘭外側，使得監測點加速度傳感器所測信號與控制點一致；

6）作為監測用加速度傳感器，裝貼的方向要正，與試件的連接剛度要高；

7）作為監測用的數據記錄儀，采用電池供電，充滿電后應能連續工作不少于100 min，通道數不少于4，采樣頻率不低于20 kHz，頻譜分析的參數設置由比對專家組共同決定。

基于上述考慮，提出如圖1所示的樣品。數據記錄儀安裝在筒內部，作為樣品的結構組成部分。

2.2 試驗項目設計

試驗項目的設計應有代表性，因此作了如下的設計。

圖1 樣品示意Fig.1 Sketch map of the specimen

1）振動方向有2個方向：軸向和橫向。

2）振動類型為：正弦和隨機。

3）振動量級：高量級正弦為5～11.14 Hz，10 mm，11.14～22.28 Hz，0.7 m/s，22.28～2000 Hz，10g；低量級正弦為5～11.14 Hz，1 mm，11.14～22.28 Hz，0.07 m/s，22.28～2000Hz，1g；高量級隨機為 5 Hz，0.01g2/Hz，50 Hz，0.1g2/Hz，1000 Hz，0.1g2/Hz，2000 Hz，0.025g2/Hz，加速度總均方根為12.145g。低量級隨機頻譜形狀不變，PSD減小到1/100，加速度總均方根為1.2145g。

4）試驗時間：正弦，掃頻速率1 Oct/min，5 Hz→2000 Hz→5 Hz，17.288 min；隨機，滿量級持續5 min。

圖2 試驗參考譜Fig.2 Reference spectra of the test

3 比對路線圖

比對路線圖因樣品特性的不同而不同[5]。特別穩定的采用圓環式，容易變化的采用星形式，比較穩定的采用花瓣式，也叫分段式。振動試件相對比較穩定，擬采用花瓣式，如圖3所示。A是主導實驗室，B，C，D，E，F，G為參比實驗室。

圖3 比對路線Fig.3 Path map of the comparison test

主導實驗室預先進行一次全過程試驗，確認以下幾個事項。

1）內部監測點所測數據與外部控制點所測時域數據一致；

2）確認樣品有合適的振動峰谷，有峰谷才能考察出控制器參數的設置是否合理；

3）對監測數據選擇合理的譜分析參數進行譜分析，譜分析數據與控制器給出譜一致；

4）確認數據記錄儀充滿電，能夠持續到所有測試項目完成，能夠正確讀出數據；

5）確認比對試驗大綱信息完整正確；

6）把試件拆下，重新安裝，再做，觀察結果的差異，為下一步判斷分散性積累參考數據；

最后，把樣品依次發送到各參比實驗室。各參比實驗室做完試驗后，及時把監測傳感器的數據傳遞到主導實驗室。

4 比對數據處理

每一家參比實驗室完成振動試驗后，把監測的時域數據導出，傳遞給主導實驗室。主導實驗室進行譜分析。

對于正弦掃頻試驗，建議做2次分析，幅值分析選用不同的參數。一種是用跟蹤濾波器，帶寬選擇100%，得到的是正弦基波的掃頻譜；另一種是用峰值，得到的是正弦峰值掃頻譜。對于理想的正弦曲線，這兩個譜是一樣的，但是如果不是理想的正弦波，在某頻率波形有畸變，往往是正弦基波譜的幅值小于正弦峰值譜。通過這兩個譜的差異大小、所在的頻帶寬度可以間接判斷試驗的波形失真情況。

在正弦基波的掃頻譜上找到最大正偏差點的值、最大負偏差點的值。取絕對值大的作為正弦控制偏差。

參比實驗室控制器上也會顯示正弦基波的掃頻譜。同樣取絕對值大的偏差作為正弦控制偏差。

對于隨機振動試驗，做時域和頻域分析。繪制隨機振動整個時間長度上的加速度均方根時域曲線，每次統計均方根的時間長度為0.4 s（下限頻率5 Hz的周期是0.2 s，包含2個周期已經足夠長），觀察上升過程超調量，平穩段的平均值，平穩段的波動量，平穩段的持續時間。

頻域分析是基于FFT分析PSD譜、隨機總均方根值。頻域分析的參數（頻率范圍、頻率間隔、自由度數或平均次數）要統一。

在整個頻帶內選擇2個頻率點，如果PSD譜上有超差，應包括超差最大的頻率點。

以上述的幾個量（正弦控制偏差、隨機試驗平穩段的時域加速度均方根值、平穩段的時間、隨機試驗頻域均方根、兩個點的PSD值）為處理對象，計算Z比分數，對各參比實驗室做出判斷。Z分數的計算可參考文獻[4]。

專家組和主導實驗室對參比實驗室總體情況進行分析，提出改進建議，必要時個別實驗室可以重做。專家組和主導實驗室對比對結果進行討論，與參比實驗室溝通，最后發布比對結果。

5 結語

文中對振動實驗室比對的必要性進行了分析，對比對試驗提出了初步方案，包括樣品結構和要求、試驗條件、比對數據處理等。希望引起同行專家對振動試驗比對的關注，推動振動實驗室比對這項有重要意義的工作逐步開展。

[1] 張曉鳴，涂曉明，于慧芳，等.2004年度北京地區室內空氣質量檢測機構實驗室比對實驗與結果分析[J].中國衛生檢驗雜志，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]張麗英，張曉鳴.2005年北京地區室內空氣質量檢測機構的實驗室比對[J].環境與健康雜志，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.主導實驗室在實驗室比對活動中的作用[J].上海計量測試，2010（6）：61—63.LI Zhen.Pilot Laboratory′s Function in Laboratory Comparison Activity[J].Shanghai Measurement and Testing，2010（6）：61—63.

[4]符穎操，羅茜.實驗室間比對結果分析統計方法的探討[J].理化檢驗-物理分冊，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，測量儀器比對規范[S].JJF 1117—2004，Specification for Comparison of Measuring Instrument[S].

[6]JJF 1117—2010，計量比對[S].JJF 1117—2010，Measurement Comparison[S].