振动试验概论

 

为何要进行振动测试

一、设计、开发阶段

1、分析试品在不同振动状态下的震动模态

2、测试产品的极限强度及订定相关的特性规格

3、失效分析与改善

 

二、生产阶段

全面进行ESS测试，大量筛选出潜在的瑕疵。

（依据产品的特性及振动规模，投入ESS测试有效的筛选出潜在的不良件，并对于电子或机构类与加工时残留之热应力及内应力可有效消除其内残留应力之效果，并可有效的消除多层电路板间的离散电容效应，将对产品品质提供相当大的帮助。）

 

1、品质管理（QC）

有效确保与管理产品的品质水准。

 

2、品质保证(QA)

认证生产之产品其使用功能、规格与可靠度与标示相同。

 

3、其它

 

振动测试能得到什么结果

1、提供工程开发的依据及参考

2、制程控制

3、品质的改善及提升

4、提供与振动有关之相互关系条件

5、对产品品质的保证与承诺

6、减少维修支出与提升获利率

7、提高整体形象

 

振动测试可筛选出的瑕疵

1、固定件松脱

2、电子接点接续不良

3、筛选出潜在的不良零件

4、筛选出有瑕疵的焊点

5、调整件之受振位置、准度失真

6、零组件之破裂、损毁

7、电路断短路异常

8、电源线或讯号线之不正常磨损或导线断裂或接点松脱

9、试件产生振动噪音

10、功能异常失效

 

如何运用振动测试提高产品可靠度

1、设计阶段的验证试验（定性、定量试验/疲劳、破坏）

2、生产阶段全面进行ESS应力筛选

3、品管、品保阶段的可靠度抽检认证

4、接受阶段的验证测试（品质、规格特性功能验证）

 

可靠度与失效

1. 可靠度的定义：

1）产品在特定的年限内与环境条件下，达成预定功能的机率（GENERALPRODUCRT）

2）产品在特定的条件下，在需要作动的时间内达成任务的机率（ONESHOT PRODUCT）

 

2. 失效分析-------针对可靠度试验而言

1）开发设计不良

2）零件选择不当

3）零件品质不良

4）生产能力不良

 

产品发生不可靠的原因

1）使用环境无法正确预估与测量

2）未能充分满足使用者需求

3）可靠度需求设计水准不匹配

4）品质水准变异

5）设计误差

6）制造误差

7）调校、检修误差

8）认为误差与疏失

 

失效的种类形式

1、独立失效（INDEPENDENT FAILURE）

产品内部发生互不影响的失效试件

2、相依失效（INDEPENDENT FAILURE）

回因其它系统的异常或失效而引发的连锁性失效

3、间歇性失效（INTERMITTENT FAILURE）

使用过程中偶发的功能异常或失效

4、并联失效（MULTIPLE FAILURE）

同时发生两件以上的独立失效事件

5、成型失效

同一零件发生两次获两次以上的异常失效

 

如何完成振动测试报告

仪器设备，夹具种类及特征，测试规格，执行状态及进行步骤，夹具与试件固定之方式，加速规的安装位置，试件在测试的前、中、后功能测试纪录，失效分析与判断，测试结果的检讨评估、改善与建议

 

如何执行可靠度计划

1、定订产品生命周期：泛指正常功能运作下的使用寿命

2、定订环境需求：泛指于生产、存储、运输与使用操作下之环境

3、定订可靠度的配置：界定产品可靠度之需求条件

4、可靠度的配置：零组件、半成品及成品等于不同阶段下的需求水准

5、效益评估：品质成本分析、并界定死勇者的需求分布水准

     包括（a）可靠度（b）可用性（c）功能需求

6、设计分析（a）功能分析（b）环境分析（c）公差分析（d）故障分析及不良品效应响应分析

7、定订试验程序：（a）不同阶段下的振动试验计划

                 （b）可靠度的鉴定标准

                 （c）环境需求水准：单一或复合环境测试

8、综合分析：收集经过测试后的资料，并分析执行计划的

     （a）合理性     （b）经济性   （c）其他效益影响评估

9、追踪与管制：建立产品的资料回馈系统，发现新问题与潜在问题

 

执行可靠度计划成功的秘诀

1、以提高产品可靠度为开发、生产的最高指标

2、选择高可靠度的零配件及成熟的相关技术

3、对每一个新开发产品进行必要的破坏性测试及分析

4、进行阶段性的设计评估及改善计划

5、对产品进行环境影响分析与评估

6、实施阶段性的可靠度试验

7、追踪与管制

 

测试变数

振动测试设备

1. 控制器

2. 放大器

3. 振动及推力大小及最大形成量

4. 振动音圈频率影响范围及响应频谱

1）选择振动测试的轴向

2）振动频谱与功率强度

3）执行时间的长久

4）进行扫描的方式与速率

5）夹具种类与特性

6）试件本身

7）安装技能

8）加速规（感知器）的种类、质量及数量

9）加速规的安装位置及固定方式

10）试件状态（关机/关机测试、复合测试）

11）其它

 

振动量及表示法

1、振动强度常用速度、加速度、振幅大小表示，也使用力量大小的变化来描述

2、加速度（a）、速度（v）、振幅（d）、力（N）通常用线性单位来表示

3、振动强度量通常有下列不同的描述：

A. 峰对峰值（peak to peak）

B. 峰值（peak level）

C. 平均值（Average level）

D. 均方根值（Root mean square, RMS）

E. 功率频谱密度值（Power spectrum density,PSD）

F. 加速度频谱密度值（Acceleration spectrumdensity, ASD）

4、各种不同的单位描述有其特定的使用时机，与振动强度表示法

 

影响振动测量的基本因素

1、振动测量通常使用加速规作为感知起，对于速度或振幅大小则将加速度讯号积分运算而得。当然也可选择速度规或位移规进行测量，无论选用何种感知器作为测量感知器都必须注意其特性规格，否则将严重影响振动测试的精确度。

2、任何接触时感知器的本身既是一个机械系统，有其自身的共振频率及共振倍频等相关物理特性，通常进行振动量测量前必须选择高过测试频宽条件以上的感知器。

3、必须选择较高测量值之感知器

4、感知器安装的方式

5、周围环境变化也是影响振动测量的重要因素

 

换能器（感知器）的种类

1、 在测量振动信号时，最长被选择使用将机械能转换成电能的测量元件，简称为换能源器或称为能量转换器（transducer）。

2、换能器将试件的机械运动能转换成电能，再分析输出信号之强弱与变化，如频率、加速度、速度、位移及力等量。

 

在实际测量环境中依据实际需求又可分为：

一、接触式    二、非接触式

其中非接触式的感知器，常用的有

一、涡电流式（）

二、电容式（）

三、光电式

A.  光弹法

B.  雷射光电反射法

C.  镭射多普勒效应测量法

 

2 非接触式感知器的使用特征

A. 远距离测量

B.  高温/低温环境下测量

C.  无法固定感知器的环境

D.  无质量效应的缺点

 

如何选择加速规

频率影响范围，灵敏度，线性度，动态范围/安全极限值，质量效应，轴向及侧向灵敏度，温度效应，信号线长度，其它环境因素影响效应

 

振动波形的种类

正弦波（SINE WAVE）

一、  循环扫描（SWEEP SINE）

A.  线性扫描——1.Linar  2.Hz/sec

B.  对数扫描——1.Log   2.Octave

二、  共振搜寻（RESONANCERESEARCH）

三、  共振驻留（RESONANCE DWELL）

四、  步进式扫描（STEP SINE）

五、  复频式共振驻留（MULTIRESONANCE DWELL）

        随机波（RANDOM），冲击波（SHOCK WAVE）

六、  半弦波（HALF SINE1/2  SINE）

七、  锯齿波（SAWTOOTH WAVE）

八、  方波（SQUARE WAVE）

九、  自行定义（SELF DEFINITION）

         SINE ON （SOR），RANDOM ON RANDOM （ROR），其它——复合波形测试

 

循环扫描的种类与使用时机（sweep sine）

试件以特定的振动能量，在预定的频率范围及时间内加以振动，并连续变化其频率。

目的：使试件在设定频率范围内，由低频至高频或高频至低频连续的进行多次循环扫描测试，用以鉴定产品是否足以忍受环境应力，并及早预防与改善。

技巧：正弦扫描的振动强度、扫描速率及扫描方式，对共振的发生有重要的影响。正确的扫描速率必须满到能使试件发生最大共振的最短时间作为扫描速率定订的依据。并希望能在共振频率范围内发生足够的共振次数，用以鉴定试件容忍振动环境应力的能力。

方式：一、线性扫描    二、对数扫描

 

随机振动测试（RANDOM VIBRATION）

目的：对大多数的振动环境而言，无论是自然或人为环境所产生的振动环境大多以随机波存在之振动模式为多。例如自然环境中的海浪、潮流、风、落雨、地震、、、以至日常生活中的环境如运输环境等等所产生的振动，皆为随机振动之范畴。固试件、产品所存在的环境本是涵盖在随机振动之范围内，若能对试件进行振动相关之研究分析，投以经过研究规划过的随机振动测试，则将更接近实际所面临之效果。其测试的效率远超过正弦扫描，且不易发生正弦扫描式所产生的过应力及应力残留等不良影响。

 

共振搜寻

试件以较低的振动能，子低频到高频以固定的能量强度及连续的频率、适度的扫描速率进行扫描，用以激发试件的振动模式，作为共振驻留测试之重要依据。

通常共振搜寻必须将搜寻之频率范围适度的加宽，用以更确实掌握实际发生的环境变异及试件因疲劳或老化情形下，产生安全裕度萎缩的情况而损坏。

 

共振驻留（RESONANCE DWELL）

目的：测试的目的在测试试件是否忍受长期在共振环境下的能力

步骤：首先针对共振搜寻时所找出的共振频率及共振模式加以分析，选择试件在特定的环境中可能长期出现或较易出现的频率分布或振动环境中振动强度较高的频率分布,作为共振驻留的测试依据，测试试件是否能忍受长期在共振环境下的能力。

注：良好的共振驻留系统，可随时追踪飘移的共振频率，以达到最佳的共振效果。通常共振驻留常用107次或使用期间可能分布在该一有效共振频率区间的累计时间，作为测试的试件参考。

 

倍频测试（OCATIVE）

试件的扫描速率以每一单位时间增加一倍频率的扫描方式

适用时机：通常使用在测试环境较佳或强度较低的测试规范。（如音响，视听器材，通讯产品）

 

步进式共振驻留

（STEP RESONANCE DWELL）

目的：针对执行循环扫描测试过程中，对不发生共振的无效测试频域，所好用大量的测试时间及设备，所设计规划的一种快速有效的测试方式。

使用时机：省产线测试，品管抽测。

执行技巧：首先针对试件进行频谱分析，记录共振发生之状态及相关物理量，计有共振发生时的共振主频、有效振动频宽范围、共振倍频及共振模态等，并考虑试件之物理强度条件与该试件之可靠度设计强度，并实际考虑试件在进行测试分析时，所容许的测试时间周期等，综合所有条件进行分析判断，定订测试时实际有效的测试频谱，并建立追踪频估、修正等步骤方告完成。

执行效益：平均节省50%~9%之循环测试中无效测试频宽所占用的时间，并增加设备之使用效益。

 

复频式共振驻留

（MULTI RESONANCE DWELL）

将已经规划完成的多组不同强度之特定频谱，在同一时域中同时输出，其目的在使试件上发生不良率较高之元件或须特别指定筛选的元件，给于特定的功率频谱，用以提升测试效率的筛选方式。

主要的功能在改善不禁使共振测试中，步进式扫描测试时所消耗较长的时间所设计的，其目的在节省大量的测试时间，并使其测试结果等效于循环扫描与随机振动的功效，能在最短的时间内将不良件筛出。

使用方式：SOR. ROR. MULTI SINE.

执行时机：生产线测试。

 

ESS测试与环境振动测试有何不同

ESS时利用环境应力为手段进行筛选，常会与环境试验混为一谈，严格来说ESS时一种提高生产品质的筛选程序而环境试验，基本上的不同点为：

1、 ESS的测试精神乃要求对于产品作100%的全面性筛选，而环境测试只需将少数的样品进行测试或定量或定期或不定期的抽样执行而已。

2、环境测试的主要目的在测试试件忍受环境应力的能力，一把而言测试的结果是不希望有失效件发生。

3、ESS筛选时希望试件中潜在的不良大量暴露出来，所以对失效的发生反而是被期待的。

4、ESS筛选时为加速发现产品中潜伏的瑕疵设计，所以测试的规格与该使用环境，并非绝对关系存在，进行测试的规格在不超过试件的设计强度或零组件的物理极限强度范围即可，或因产品中零组件的特性，而特别设计避免开对于振动极为敏感的频域，使系统得以组合运作下进行功能测试或其他测试。

5、环境测试的项目规格，常依据试件使用寿命周期之实际环境所定订。

 

执行ESS计划有何特性

依据ESS定义，有效的执行ESS程序应包含有以下的几相特质：

1、能快速的将潜在于产品中的瑕疵给暴露出来

2、执行ESS下的环境应力其强度不得大于产品自身的极限强度或设计强度

3、执行ESS应不会影响产品的正常使用寿命

4、符合成本效益

执行ESS计划有何效益

1、有效提高产品可靠度

2、提高产品使用时的MTBF

3、可提高制程生产率

4、在研发阶段可协助早期发现设计问题，提高工程可靠度，节省开发时间及开发成本，创造总体利益。

 

执行ESS计划应注意的事项

1、掌握不同环境因素的应力分析

2、不同应力水准下对产品所产生的影响及工程效益

3、分析产品在筛选后的产品与筛选后所显现出的使用情形

 

建立筛选的前后成本效益分析模式

振动机有哪些种类（依动力区分）

机械式    气动式    液动式    电磁式

 

振动测试设备

1、振动控制器（CONTROLLER）

类比式    数位式    磁带式    插卡式   

开路      闭路

2、功率放大器（POWER AMPLIFIER）

LINEAR POWERAMPLIFIER(40~60%)，SWITCHING POWER AMPLIFIER(96%)

3、振动器（SHAKER）

机械式    气动式    液动式    电磁式

4、换能器（TRANSDUCER），振动夹具（FIXTURE）

 

振动机有哪些重要的性能

振动推力值（peak/rms），频率影响范围（frequency range），频率精确度及解析度，音圈质量（armaturemass），音圈谐振频率及共振频率（resonance），最大位移量（displacement），最大速度值（velocity），最大加速度（acceleration），最大荷重能力（loading），漏磁性（magnetic leakage），耐久性（durable），保护系统（H/S protection system），防震结构设计（antiresonance）

 

振动控制方式

特性种类

类比式（anloge），数位式（digital），磁带式（tape），插卡式（ROM/RAM card）

控制方式

1. 开环（open loop control），闭环（close loop control）

选择振动控制器应注意的事项

   频率控制范围，频率解析度及精确度，控制点数量机控制方式，动态压缩率，扫描速率及扫描方式种类，安全裕度设定值，软、硬件保护设计的完整性，控制数值的准确性，软、硬件的扩充性（SINE/RANDOM/SHOCK/FFT），多阶段的程式设定能力，防错、防呆设计，操作的人性化设计

功率选择放大器应注意的事项

    响应频宽，功率因素效率，瞬间功率值与连续功率值，杂讯保护系统，过温度、过电流、过电压保护，串、并联输出的扩充性

 

如何针对自己的需求选择合适的振动测试系统

     对自己产品的了解，对未来需求的判定（扩充性），对任务的认知

1. 振动设备方面

2. 控制系统方面

3. 讯号分析、存储及处理

    性能及价格，售后服务

 

机械式振动机的优缺点比较

优点：

 价格便宜，操作方便，维修方便，静荷重大

缺点：

  频率响应范围小，作动频率低，基本上只生产单频，振动波形为正弦波模式为主，执行时一般噪音值较高，通常以定位移输出（变加速度），频率变化速率较低，控制精确性较低

 

电磁振动机的优缺点比较

优点：

 频率响应宽：DC~20kHz， 控制精度高，可模拟各种波形：SINE,RANDOM,ROR,SOR SHOCK，控制容易，适合不同的测试需求：开发、工程、品管、应力筛选，扩充性大，保养容易

缺点：

 大型机组设备费用成本较高，需要较大电源供应

 

液压式振动机的优缺点比较

优点：

  推力大，可产生较大位移量，方便进行多轴向连接测试

缺点：

   造价及维修保养成本高，高频响应无法达成，大型机组不易安装组立

气动式振动机的优缺点比较

优点：

  操作容易，专用机型适用固定式的筛选工作，可产生多轴向的振动频谱，安装及维修容易

缺点：

 无法任意变更已设定之振动频谱，需要清洁的压缩空气，空气消耗量大，不易压缩控制振动波形，对待侧物的重量较为敏感，无法产生较大位移量