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(shè)、科學(xué)研究等各領(lǐng)域非常重要的組成部分，人們關(guān)注的空氣質(zhì)量、水體污染、工程建設(shè)中的材料成分與強(qiáng)度、科學(xué)研究中的各種參數(shù)，無不通過實(shí)驗(yàn)室測試給出。為了確保實(shí)驗(yàn)室給出的測試結(jié)果準(zhǔn)確，要求實(shí)驗(yàn)室必須通過國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，可是即使是經(jīng)過認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室，對同樣的樣品給出的測試結(jié)果也是有差異的，有些差異還很大。通過實(shí)驗(yàn)室比對，可以發(fā)現(xiàn)同一行業(yè)測試水平的整體情況以及哪些實(shí)驗(yàn)室存在問題。北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局和北京市建設(shè)委員會在2004年2005年連續(xù)2年組織空氣質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行比對[1—2]，甲醛和苯兩項(xiàng)檢測結(jié)果均獲滿意的為實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的45.3%，兩項(xiàng)結(jié)果均不滿意的為實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的7.5%。氨和苯均為滿意結(jié)果的實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的47.5%，均不滿意的實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的5%。發(fā)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)不足、概念錯誤、公式錯誤、未溯源等問題，通過組織復(fù)測，糾正了錯誤，為提高測試水平找到真正問題所在。國內(nèi)6家檢測機(jī)構(gòu)和2個(gè)汽車生產(chǎn)企業(yè)的輕型汽車排放實(shí)驗(yàn)室于2005年10月18日—2006年1月18日進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室比對[3]。8家參比實(shí)驗(yàn)室的均能達(dá)到GB 18352.3—2005的標(biāo)準(zhǔn)要求，測試數(shù)據(jù)正確，有很好的再現(xiàn)性，完全可以承擔(dān)產(chǎn)品型式核準(zhǔn)的試驗(yàn)?？偨Y(jié)并形成規(guī)范性的比對實(shí)施細(xì)則，建立起能真實(shí)反映各實(shí)驗(yàn)室檢測能力的評價(jià)方法，為今后行業(yè)或各輕型汽車排放實(shí)驗(yàn)室間開展比對，以及參與國際間相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室比對奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

振動實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)對各類軍民品產(chǎn)品耐受振動環(huán)境能力評價(jià)的職責(zé)。振動實(shí)驗(yàn)室越來越多，各實(shí)驗(yàn)室是否能正確進(jìn)行試驗(yàn)，行業(yè)的整體水平如何，需要通過實(shí)驗(yàn)室比對來了解。一般的測試實(shí)驗(yàn)室，被測量是樣品的客觀屬性，只要保證樣品分發(fā)或傳遞到各實(shí)驗(yàn)室后樣品屬性不變就可以。振動實(shí)驗(yàn)室有其特殊性，是要給產(chǎn)品施加一個(gè)振動環(huán)境，施加的這個(gè)振動環(huán)境是以頻率、幅值、譜形、振動時(shí)間、振動方向、控制點(diǎn)位置等一系列參數(shù)來描述的，加載質(zhì)量涉及到振動臺的波形失真、控制器的算法優(yōu)劣、安裝過程的擰緊力矩、傳感器和測試系統(tǒng)的頻響、幅值誤差等，還有人員操作問題，這些都可能導(dǎo)致同樣試驗(yàn)的結(jié)果有較大差異。從評判的公平性上來說，同樣的產(chǎn)品，任何一家合格的實(shí)驗(yàn)室，都應(yīng)該給出相同的結(jié)果。能否達(dá)到這個(gè)愿望，就需要通過實(shí)驗(yàn)室比對來證實(shí)或者提升。文中對振動實(shí)驗(yàn)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(yàn)比對的關(guān)注，推動振動實(shí)驗(yàn)室比對這項(xiàng)有重要意義的工作逐步開展。

1 比對試驗(yàn)的組織

首先，應(yīng)邀請國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會、中國實(shí)驗(yàn)室國家認(rèn)可委員會給予指導(dǎo)。其次要邀請振動環(huán)境試驗(yàn)方面的頂級實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、頂級專家參與比對試驗(yàn)方案和細(xì)則的制定，組成主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，具體承擔(dān)樣品制作、樣品傳遞、數(shù)據(jù)處理等。最后，是邀請軍工行業(yè)的振動實(shí)驗(yàn)室、民用行業(yè)有代表性的實(shí)驗(yàn)室參與實(shí)驗(yàn)室比對。

JJF 1117—2010計(jì)量比對（之前的版本是JJF 1117—2004測量儀器比對規(guī)范）對比對的組織有明確規(guī)定，振動實(shí)驗(yàn)室比對的組織可以參考該規(guī)范。

2 樣品及試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 樣品設(shè)計(jì)

樣品是實(shí)驗(yàn)室比對的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。一般的物質(zhì)特性檢測，只要確保發(fā)放到各參比實(shí)驗(yàn)室的樣品特性一致。振動實(shí)驗(yàn)室比對所用的樣品是比較特殊的，監(jiān)測量并不是樣品自身特性，而是實(shí)驗(yàn)室施加的振動信號，是考察各實(shí)驗(yàn)室所施加的振動信號是否與試驗(yàn)大綱要求一致，為此要在樣品上預(yù)先裝貼監(jiān)測用的加速度傳感器。樣品的選擇要考慮以下幾點(diǎn)：

1）特性穩(wěn)定；

2）頻率特性最好有峰有谷；

3）質(zhì)量不大，所需推力為20～50 kN，便于覆蓋較多的實(shí)驗(yàn)室；

4）內(nèi)含監(jiān)測用高精度三向振動加速度傳感器、信號記錄儀，或基于網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，測試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，作為加載結(jié)果的客觀評判依據(jù)；

5）監(jiān)測傳感器布置在圓柱筒內(nèi)壁或上下法蘭內(nèi)側(cè)，振動試驗(yàn)的控制點(diǎn)加速度傳感器裝在圓柱筒外壁或上下法蘭外側(cè)，使得監(jiān)測點(diǎn)加速度傳感器所測信號與控制點(diǎn)一致；

6）作為監(jiān)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(jiān)測用的數(shù)據(jù)記錄儀，采用電池供電，充滿電后應(yīng)能連續(xù)工作不少于100 min，通道數(shù)不少于4，采樣頻率不低于20 kHz，頻譜分析的參數(shù)設(shè)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(shù)據(jù)記錄儀安裝在筒內(nèi)部，作為樣品的結(jié)構(gòu)組成部分。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)有代表性，因此作了如下的設(shè)計(jì)。

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

1）振動方向有2個(gè)方向：軸向和橫向。

2）振動類型為：正弦和隨機(jī)。

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(jī)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(jī)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(yàn)時(shí)間：正弦，掃頻速率1 Oct/min，5 Hz→2000 Hz→5 Hz，17.288 min；隨機(jī)，滿量級持續(xù)5 min。

圖2 試驗(yàn)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(wěn)定的采用圓環(huán)式，容易變化的采用星形式，比較穩(wěn)定的采用花瓣式，也叫分段式。振動試件相對比較穩(wěn)定，擬采用花瓣式，如圖3所示。A是主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，B，C，D，E，F(xiàn)，G為參比實(shí)驗(yàn)室。

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

主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室預(yù)先進(jìn)行一次全過程試驗(yàn)，確認(rèn)以下幾個(gè)事項(xiàng)。

1）內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)所測數(shù)據(jù)與外部控制點(diǎn)所測時(shí)域數(shù)據(jù)一致；

2）確認(rèn)樣品有合適的振動峰谷，有峰谷才能考察出控制器參數(shù)的設(shè)置是否合理；

3）對監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇合理的譜分析參數(shù)進(jìn)行譜分析，譜分析數(shù)據(jù)與控制器給出譜一致；

4）確認(rèn)數(shù)據(jù)記錄儀充滿電，能夠持續(xù)到所有測試項(xiàng)目完成，能夠正確讀出數(shù)據(jù)；

5）確認(rèn)比對試驗(yàn)大綱信息完整正確；

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

最后，把樣品依次發(fā)送到各參比實(shí)驗(yàn)室。各參比實(shí)驗(yàn)室做完試驗(yàn)后，及時(shí)把監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)傳遞到主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。

4 比對數(shù)據(jù)處理

每一家參比實(shí)驗(yàn)室完成振動試驗(yàn)后，把監(jiān)測的時(shí)域數(shù)據(jù)導(dǎo)出，傳遞給主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行譜分析。

對于正弦掃頻試驗(yàn)，建議做2次分析，幅值分析選用不同的參數(shù)。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(gè)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(gè)譜的差異大小、所在的頻帶寬度可以間接判斷試驗(yàn)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(diǎn)的值、最大負(fù)偏差點(diǎn)的值。取絕對值大的作為正弦控制偏差。

參比實(shí)驗(yàn)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(jī)振動試驗(yàn)，做時(shí)域和頻域分析。繪制隨機(jī)振動整個(gè)時(shí)間長度上的加速度均方根時(shí)域曲線，每次統(tǒng)計(jì)均方根的時(shí)間長度為0.4 s（下限頻率5 Hz的周期是0.2 s，包含2個(gè)周期已經(jīng)足夠長），觀察上升過程超調(diào)量，平穩(wěn)段的平均值，平穩(wěn)段的波動量，平穩(wěn)段的持續(xù)時(shí)間。

頻域分析是基于FFT分析PSD譜、隨機(jī)總均方根值。頻域分析的參數(shù)（頻率范圍、頻率間隔、自由度數(shù)或平均次數(shù)）要統(tǒng)一。

在整個(gè)頻帶內(nèi)選擇2個(gè)頻率點(diǎn)，如果PSD譜上有超差，應(yīng)包括超差最大的頻率點(diǎn)。

以上述的幾個(gè)量（正弦控制偏差、隨機(jī)試驗(yàn)平穩(wěn)段的時(shí)域加速度均方根值、平穩(wěn)段的時(shí)間、隨機(jī)試驗(yàn)頻域均方根、兩個(gè)點(diǎn)的PSD值）為處理對象，計(jì)算Z比分?jǐn)?shù)，對各參比實(shí)驗(yàn)室做出判斷。Z分?jǐn)?shù)的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[4]。

專家組和主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室對參比實(shí)驗(yàn)室總體情況進(jìn)行分析，提出改進(jìn)建議，必要時(shí)個(gè)別實(shí)驗(yàn)室可以重做。專家組和主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室對比對結(jié)果進(jìn)行討論，與參比實(shí)驗(yàn)室溝通，最后發(fā)布比對結(jié)果。

5 結(jié)語

文中對振動實(shí)驗(yàn)室比對的必要性進(jìn)行了分析，對比對試驗(yàn)提出了初步方案，包括樣品結(jié)構(gòu)和要求、試驗(yàn)條件、比對數(shù)據(jù)處理等。希望引起同行專家對振動試驗(yàn)比對的關(guān)注，推動振動實(shí)驗(yàn)室比對這項(xiàng)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(qū)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室比對實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析[J].中國衛(wèi)生檢驗(yàn)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(qū)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室比對[J].環(huán)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(dǎo)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)室比對活動中的作用[J].上海計(jì)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(shí)驗(yàn)室間比對結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)方法的探討[J].理化檢驗(yàn)-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(guī)范[S].JJF 1117—2004，Specification for Comparison of Measuring Instrument[S].

[6]JJF 1117—2010，計(jì)量比對[S].JJF 1117—2010，Measurement Comparison[S].