在航空航天、汽车电子、工业控制等领域，产品实际工况常同时承受机械振动（如发动机振动、气流扰动）与电应力（如电压波动、电流冲击）的复合作用。单一应力试验难以模拟真实失效场景，因此综合应力试验中的复合应力测试方法成为保障产品可靠性的核心技术。本文聚焦机械振动与电应力的复合测试，从耦合机制、系统设计、同步控制到数据处理，系统阐述其技术要点与实践方法。

复合应力测试的需求背景与技术挑战

航空机载电子模块、汽车发动机控制器（ECU）、工业机器人伺服驱动器等产品，使用中面临的环境应力并非孤立。例如，飞机机翼传感器既要承受高频气流振动（数千赫兹），又要应对机载电源电压瞬变；汽车ECU同时受发动机振动（加速度10g以上）与蓄电池电压波动（9-16V）影响。

单一试验无法复现耦合失效：某型连接器在单独振动试验中未失效，但复合电应力（额定电流）时，振动导致引脚微变形增加接触电阻，引发局部过热最终烧蚀。这种“1+1＞2”的耦合效应，凸显复合应力测试的必要性。

复合测试面临三大挑战：

一、耦合效应的精准模拟，需还原两种应力的相互作用。

二、多源信号同步控制，确保时间维度一致。

三、数据关联分析，从海量参数中挖掘失效因果关系。

机械振动与电应力的耦合作用机制

机械振动与电应力的耦合是双向的：振动会改变电气结构，影响电应力分布。例如，振动导致电路板电容引脚 solder joint 开裂，等效串联电阻（ESR）增大，额定电压下焦耳热加速开裂，形成恶性循环。

电应力也会通过热效应改变材料力学性能。比如，功率器件高电流产生的焦耳热使PCB板热膨胀，改变固有频率，原本非共振频率的振动变为共振，加剧结构变形。

以汽车传感器为例，振动（200Hz，3g）与电应力（12V，2A）复合时，外壳热膨胀系数从1.5×10⁻⁵/℃增至2.0×10⁻⁵/℃，装配间隙增大，振动响应幅值提升20%，最终引发信号异常。

复合应力测试系统的架构设计

复合测试系统需整合四大模块：1）振动发生装置（电磁式/液压式，满足频率、加速度需求）；2）电应力发生装置（可编程电源、电子负载，模拟电压/电流波动）；3）同步控制器（PLC/工业计算机，实现时序同步）；4）数据采集系统（加速度、电压/电流、温度传感器，采集多维度参数）；5）高刚性夹具（避免共振）。

航空电子模块测试系统示例：振动台选电磁式（0-2000Hz，20g），电应力用双路可编程电源（0-30V，0-5A，瞬态上升沿≤10μs），同步控制器通过以太网通信，确保振动启动10ms内电应力施加；数据采集用8通道加速度传感器（10kHz）与16通道电压/电流卡（100kHz）。

夹具设计需高刚性：汽车ECU夹具用铝合金（密度低、强度高），有限元分析验证固有频率＞2000Hz（测试上限），避免共振；与振动台用刚性螺栓连接，确保振动能量传递。

机械振动应力的精准施加与测量

振动应力需基于实际工况或标准（如GB/T 2423.10、MIL-STD-810H）。汽车ECU测试通常要求频率10-2000Hz，加速度5g，扫频速率1oct/min，循环3次。

振动台校准是关键：用标准压电加速度传感器（如PCB 352C67，精度±1%）固定台面中心，采集不同频率下加速度幅值与相位，偏差超5%需调整台面。

振动参数测量用压电传感器（响应0.1Hz-10kHz，灵敏度10-100mV/g），安装需磁吸或螺纹连接确保刚度——松动会降低共振频率，导致测量失真。工业机器人伺服驱动器测试中，3轴传感器采集X/Y/Z方向加速度，FFT分析确认固有频率1200Hz（避开10-1000Hz测试范围），避免共振。

电应力的动态模拟与实时监测

电应力分稳态（额定电压/电流）与瞬态（浪涌、尖峰、断电）。稳态需满足电气规格（如航空传感器28V、0.5A，波动≤±1%）；瞬态需重现实际工况（如汽车启动电压跌落9V/100ms、工业电源浪涌380V/2ms）。

电应力发生装置需支持波形编辑：如Chroma 62000H电源可编辑方波、三角波；监测用差分/电流探头（如Tektronix P5200A、Pearson 4100）与数据采集卡（NI cDAQ-9178，100kHz），温度用K型热电偶或红外热像仪。

LED驱动电源测试示例：稳态（220V AC、1A）与瞬态（300V AC浪涌/10ms）复合，监测输入电压、输出电流、散热器温度。结果显示浪涌时电流骤增50%，温度5s内超上限（60℃），验证瞬态电应力影响。

复合应力下的多源信号同步控制策略

同步控制确保振动与电应力时间一致，误差超10ms会失真——如振动先于电应力，产品初期未受电应力影响，无法复现耦合失效。

同步方法分硬件（共享时钟源，如脉冲发生器触发）与软件（上位机编程，如LabVIEW命令发送差≤1ms）。验证通过时间戳对比：加速度与电压信号启动时间差≤10ms。

无人机飞控模块测试示例：振动（500Hz、3g）与电应力（24V、1A）用硬件同步（脉冲发生器），误差2ms。测试发现同步施加后10s飞控姿态信号异常，单一试验无此问题，验证同步有效性。

复合应力测试的参数采集与数据处理方法

采集需覆盖力学（加速度）、电学（电压/电流）、环境（温度）参数，频率满足Nyquist定理（如振动2000Hz需≥4000Hz，瞬态10μs需≥100kHz）。

数据处理用时域（识别峰值）、频域（FFT找共振）、相关性分析（判断关联度≥0.8为强相关）。工具包括MATLAB（FFT/相关性）、Python（可视化）、LabVIEW（实时监控）。

手机充电器测试示例：振动（100-500Hz、2g）与电应力（5V、2A）复合，采集加速度、电压、电流、温度。时域显示300Hz时电流波动增2倍，频域确认300Hz是变压器固有频率，相关性分析系数0.85——振动导致绕组变形增加漏感，引发电流波动。

典型应用案例——汽车ECU的复合测试验证

以汽车ECU为被测件，模拟发动机振动（10-2000Hz、5g）与蓄电池电压波动（9-16V）、电流脉冲（0-10A）复合工况。

测试系统：电磁振动台（0-2000Hz、20g）、可编程电源（0-30V、20A）、LabVIEW同步程序（误差≤1ms）、3轴加速度传感器（10kHz）、电压/电流探头（100kHz）、热电偶（1Hz）。

测试过程：ECU固定夹具，设置振动扫频与电应力线性/脉冲变化，同步施加后采集参数。结果显示500Hz振动时，电流骤增40%，温度超上限（65℃）。检查发现电源连接器引脚因振动微变形，接触电阻增大导致过热——单一试验未出现此失效，验证复合测试有效性。