LED燈具可靠性試驗(yàn)中振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)分析

關(guān)衛(wèi)斌，陳海鋒

【摘要】 LED燈具成為生活中必不可少的一部分，無(wú)論是在室內(nèi)還是在室外都隨處可見(jiàn)，因此，市場(chǎng)上對(duì)LED燈具各方面性能要求也越來(lái)越高。當(dāng)前，部分LED燈具產(chǎn)品的可靠性及安全性出現(xiàn)了一些隱患。本文結(jié)合對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解和工作中經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)戶外用LED燈具可靠性要求中振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)應(yīng)力如何施加、何時(shí)施加等問(wèn)題進(jìn)行分析，為確保產(chǎn)品準(zhǔn)確實(shí)施可靠性試驗(yàn)提供指導(dǎo)和幫助。

【關(guān)鍵詞】 可靠性;LED燈具;掃頻振動(dòng);共振頻率

【DOI編碼】 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 燈具振動(dòng)試驗(yàn)的必要性

隨著城市化進(jìn)程的加快，作為城市景觀亮化工程的LED燈具產(chǎn)品也得廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)上對(duì)LED燈具產(chǎn)品在節(jié)能、可靠性、環(huán)保等方面提出了更高質(zhì)量的要求，本文就主要從LED燈具可靠性要求中，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)要求與技術(shù)分析進(jìn)行介紹。

燈具在使用中經(jīng)常會(huì)遇到一些外界環(huán)境影響而讓產(chǎn)品出現(xiàn)一些故障，為了進(jìn)一步提高燈具產(chǎn)品可靠性，根據(jù)GB/T 33721—2017《LED燈具可靠性試驗(yàn)方法》與ANSI C136.31—2018《北美道路和區(qū)域照明產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)戶外的LED燈具產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)是模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸（Transportation）、安裝（Installation）及使用（Use）環(huán)境中所遭遇到的各種振動(dòng)環(huán)境影響，用來(lái)確定燈具是否能承受各種環(huán)境振動(dòng)的能力。振動(dòng)試驗(yàn)是評(píng)定元器件、零部件及整機(jī)在預(yù)期的運(yùn)輸及使用環(huán)境中的抵抗環(huán)境應(yīng)力，同時(shí)也可以通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及早發(fā)現(xiàn)燈具存在的不足，并在上市之前進(jìn)行改進(jìn)，降低產(chǎn)品故障率，提高燈具產(chǎn)品的可靠性。

2 LED燈具可靠性試驗(yàn)中的振動(dòng)試驗(yàn)要求

根據(jù)GB/T 33721—2017《LED燈具可靠性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)條款13要求，LED燈具在做振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)先按要求進(jìn)行掃頻，確定共振頻率，之后在該頻率下進(jìn)行耐振試驗(yàn)，耐振的加速度應(yīng)按照相應(yīng)的材料規(guī)定。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將燈具以正常使用的方向剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)上，在3個(gè)相互垂直的軸線上（X、Y、Z）用5 Hz至30 Hz掃頻，掃頻速率≤1 oct/min，尋找并確認(rèn)共振頻率（注：進(jìn)行LED燈具試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使用模擬燈桿裝置，裝置應(yīng)包括燈桿和底座，以及懸臂組成或優(yōu)先選用鎂鋁合金組成的L型或T型夾具按制造商要求進(jìn)行連接及固定LED燈具產(chǎn)品）。確定共振頻率后，將燈具按正常安裝方向固定在振動(dòng)臺(tái)上，在每個(gè)平面上按加速度和所測(cè)的共振頻率經(jīng)受100000次耐久振動(dòng)，相關(guān)的LED燈具試驗(yàn)要求見(jiàn)表1。另外，標(biāo)準(zhǔn)也提出考慮到部件老化的問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)方向上的振動(dòng)試驗(yàn)可以選用不同備用燈具進(jìn)行試驗(yàn)，用來(lái)消除連接部件老化的影響。

根據(jù)表1確定了試驗(yàn)要求后，再進(jìn)一步細(xì)化測(cè)試過(guò)程的參數(shù)，具體如下。

1）測(cè)試時(shí)間。測(cè)試時(shí)間的計(jì)算方法為：[測(cè)試時(shí)間=N60×f]，其中，N為振動(dòng)的總次數(shù);f為共振頻率，單位為Hz。

2）測(cè)試加速度計(jì)算公式。應(yīng)力與加速度成正比。因此，測(cè)試加速度值可在N次循環(huán)中模擬所需的疲勞極限加速度來(lái)確定：[At=Ae×（SnSe）]，其中，At為試驗(yàn)過(guò)程中燈具中心點(diǎn)出的加速度;Ae為需要的加速度耐力，通常普通道路上的加速度取1 g，橋梁及天橋上的加速度取2 g;Sn為N次循環(huán)后引起的疲勞應(yīng)力（本次舉例的是10萬(wàn)次）;Se為所涉及材料的耐久性應(yīng)力。

3 進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)要考慮的主要問(wèn)題

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)夾具

燈具振動(dòng)試驗(yàn)的夾具有多種樣式，有些是為某種型號(hào)的燈具設(shè)計(jì)的，也有些是通用夾具?？偠灾瑹o(wú)論是哪種夾具，都需要考慮剛性強(qiáng)度、夾具的重量以及夾具的重心等問(wèn)題。以下結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分析。

1）剛性強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，剛性強(qiáng)度越大體積越大，固有頻率就越小。因此，試驗(yàn)時(shí)不僅要盡量確保夾具與燈具進(jìn)行剛性連接，而且?jiàn)A具的剛性強(qiáng)度越大越好。目前一般用鋁、鋼、鎂作為材料來(lái)制造夾具，它們主要的物理特性見(jiàn)表2。比剛度是評(píng)價(jià)夾具材料重要指標(biāo)之一，比剛度越大，該夾具的質(zhì)量就越輕，剛性強(qiáng)度就越大，同時(shí)頻率范圍就越大。因此，夾具可以根據(jù)實(shí)際要求和成本設(shè)計(jì)選擇合適的材料。

2）夾具的重量。前面的內(nèi)容也提到，夾具質(zhì)量越輕越好。因?yàn)閵A具的重量會(huì)影響軸向的共振頻率，所以在適當(dāng)條件下，應(yīng)選擇質(zhì)量相對(duì)輕的夾具。

3）夾具的重心。安裝時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)的中心、樣品的重心以及夾具的重心應(yīng)盡量在同一條直線上，這樣能盡量避免振動(dòng)臺(tái)均勻度的降低和波形的失真度升高，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

3.2 振動(dòng)傳感器的選擇

振動(dòng)傳感器在振動(dòng)試驗(yàn)中是關(guān)鍵部件之一，它的作用主要是將振動(dòng)臺(tái)發(fā)出的機(jī)械量接收下來(lái)，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。振動(dòng)傳感器主要分為電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式的傳感器。實(shí)驗(yàn)室一般常用壓電式傳感器，也是加速度傳感器。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅髦饕獪y(cè)量中高的頻段，且其具有生產(chǎn)工藝成熟、頻率范圍大、動(dòng)態(tài)范圍寬、安裝方便等特點(diǎn)，因此實(shí)驗(yàn)室中用的比較多。但是對(duì)于選擇傳感器的選擇，我們應(yīng)考慮以下參數(shù)：靈敏度、安裝諧振頻率、傳感器的質(zhì)量以及動(dòng)態(tài)范圍。

1）靈敏度。靈敏度是加速度傳感器最重要的特性之一。理論上來(lái)講，靈敏度越高越好。但是加速度傳感器靈敏度越高，其壓電疊層就越厚，則導(dǎo)致傳感器自身諧振頻率下降，進(jìn)而影響測(cè)量頻率范圍。安裝諧振頻率，就是傳感器安裝在剛性基礎(chǔ)上而質(zhì)量相對(duì)較大的固有頻率。傳感器的測(cè)量頻率范圍可以由下面的公式計(jì)算：

[f=km]

其中，k為傳感器的剛度，m為傳感器的質(zhì)量。計(jì)算傳感器的測(cè)量頻率范圍時(shí)通常取測(cè)量頻率為安裝頻率的[13]，這時(shí)振動(dòng)誤差一般不大于1 dB。為了進(jìn)一步的提高傳感器測(cè)量的精度，可以選擇測(cè)量上限頻率為諧振頻率的[15]～[110]。

2）傳感器的質(zhì)量。當(dāng)需要測(cè)量小部件或者在樣品上粘貼多個(gè)傳感器時(shí)，則需要好好考慮傳感器質(zhì)量大小的問(wèn)題。因?yàn)檫@時(shí)必須考慮傳感器的質(zhì)量對(duì)被測(cè)樣品結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，其影響可以由下面的公式估算：

[fs=fm1+m1m2]

其中，[fm]為傳感器的固有頻率，[m1]和[m2]分別為傳感器的質(zhì)量和在該階固有頻率下的等效質(zhì)量，一般來(lái)說(shuō)傳感器的質(zhì)量應(yīng)小于有效質(zhì)量的[110]。

3）動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。正常來(lái)講，加速度傳感器的輸出線性范圍的最小值可以是零，但實(shí)際上連接電線和測(cè)量電路的電噪音是決定動(dòng)態(tài)范圍下限的主要因素，因此，測(cè)量相對(duì)較小的加速度不太適合用動(dòng)態(tài)范圍大的傳感器。傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的最大值取決于傳感器的結(jié)構(gòu)，測(cè)量加速度值很大時(shí)，必須選擇有足夠動(dòng)態(tài)范圍的加速度傳感器。

3.3 振動(dòng)傳感器的安裝

在振動(dòng)試驗(yàn)中傳感的粘貼以及安裝的位置和方向都是很重要的一部分。目前，主要是用瞬間固化黏合劑將傳感器粘貼在振動(dòng)臺(tái)上，主要是因?yàn)樗辰幽芰?qiáng)、穩(wěn)定性高、固化時(shí)間短。另外，監(jiān)測(cè)傳感器盡量粘在燈具的中心位置，若只測(cè)燈具某個(gè)部件，則應(yīng)粘貼在該部件的中心點(diǎn)位置。除了粘貼位置，方向也是尤其重要，遵守一個(gè)原則，那就是傳感器的粘貼方向應(yīng)與振動(dòng)方向平行。

3.4 掃頻速率及振動(dòng)參數(shù)的選擇

在尋找燈具共振頻率時(shí)，掃頻速率的選擇極為重要，也是決定能否精確找到共振頻率的關(guān)鍵因素之一。掃頻速率設(shè)置太大，那么掃頻的時(shí)間就越短，得出的共振頻率誤差則很大。若掃頻速率設(shè)置太小，則掃頻的時(shí)間過(guò)于長(zhǎng)，影響實(shí)驗(yàn)時(shí)間，嚴(yán)重的可能會(huì)降低燈具的疲勞強(qiáng)度，常用的掃頻速率一般是≤1 oct/min。

4 振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的共振點(diǎn)判斷

共振是指帶有能量的系統(tǒng)受到外力作用，當(dāng)外力的頻率接近固有頻率的時(shí)發(fā)生固有振動(dòng)的一種現(xiàn)象。對(duì)于確定線性系統(tǒng)的共振點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)上一般采用的方法是當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)值（加速度、速度、位移）是控制點(diǎn)控制值（加速度、速度、位移）的6 dB（2倍）以上時(shí)（Q≥2非線性系統(tǒng)是幅值判斷共振點(diǎn)時(shí)），監(jiān)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)值對(duì)應(yīng)的頻率f即為共振點(diǎn)。而對(duì)于非線性系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)，還需要加入相位差來(lái)進(jìn)行判斷，即控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位差是否為90°。大多數(shù)的LED燈具試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都是通過(guò)線性掃描方式進(jìn)行確認(rèn)共振頻率，因此，對(duì)于共振點(diǎn)的判斷基本可以通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程的Q值進(jìn)行確定。

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)際測(cè)試?yán)舆M(jìn)行分析，對(duì)某戶外LED投光燈產(chǎn)品根據(jù)GB/T 33721—2017《LED燈具可靠性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)企業(yè)說(shuō)明書(shū)確定，該LED投光燈產(chǎn)品屬于壓鑄鋁外殼材料，并將使用在橋梁以及天橋上的燈具。明確了試驗(yàn)等級(jí)，就先按生產(chǎn)廠商要求對(duì)戶外LED投光燈進(jìn)行安裝并固定，分別安裝好振動(dòng)臺(tái)的控制傳感器與樣品表面的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)后進(jìn)行掃頻查找共振點(diǎn)。

通過(guò)圖1掃描響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)幅值放大倍數(shù)最大的頻率點(diǎn)在19.9 Hz附近，并確定該頻率為共振頻率，隨后按此頻率進(jìn)行耐久試驗(yàn)要求，在19.9 Hz做共振耐久掃頻試驗(yàn)，加速度3 g，振動(dòng)100000次。共振耐久試驗(yàn)曲線圖2，通過(guò)以上的方法，分別對(duì)燈具在3個(gè)相互垂直的軸線上（X、Y、Z）進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)振動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析判斷。

5 振動(dòng)試驗(yàn)后的結(jié)果判斷

試驗(yàn)結(jié)束后，須對(duì)燈具進(jìn)行結(jié)果判定，一般從下面幾方面入手：首先，燈具的外殼不應(yīng)被破壞，電氣間隙不應(yīng)減小，燈具所有部件都不能松動(dòng)，任何可能造成安全問(wèn)題的損壞都等同于失敗;其次，樣品還需通電檢查，燈具應(yīng)能啟動(dòng)和工作正常。以上條件根據(jù)GB/T 33721—2017標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，若有一項(xiàng)或者一項(xiàng)以上不合格，燈具都屬于不合格。

6 結(jié)語(yǔ)

LED燈具的振動(dòng)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)燈具的機(jī)械性能關(guān)鍵試驗(yàn)之一，對(duì)提高燈具的可靠性起著很重要的評(píng)價(jià)作用，但是在做振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，需考慮的因素很多，其中包括LED燈具的安裝，傳感器選擇與安裝，試驗(yàn)過(guò)程，以及尋找共振頻率等，這些都需要檢測(cè)人員熟悉掌握，若有一步做得不對(duì)都會(huì)直接影響共振頻率的參數(shù)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

關(guān)衛(wèi)斌，男，1976年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榭煽啃耘c環(huán)境試驗(yàn)。