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【衡工仪器】光学平台的隔振原理

日期:2018-03-14 人气:495

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  光学平台,又称光学面包板、光学桌面、科学桌面、实验平台,供水平、稳定的台面,一般平台都需要进行隔振等措施,保证其不受外界因素干扰,使科学实验正常进行。

  光学平台广泛应用于光学、电子、精密机械制造、冶金、航天、航空、航海、精密化工和无损检测等领域,以及其他机械行业的精密试验仪器、设备振动隔离的关键装置中。要理清光学平台的隔振原理,首先应了解“振动”的来源。

  振动的来源

  大多数光学实验或工业生产都对系统稳定性有较高的要求。各种因素造成的振动会导致仪器测量结果的不稳定性和不准确性,严重干扰生产和实验的进行。

  振动来源主要分为来自系统之外的振动和系统内部的振动。地面固有振动,工作人员踩踏地板以及开、关门或墙壁碰撞等通过地面传来的振动均属系统之外的振动,这一类振动需通过光学平台的隔振腿衰减;而来自系统内部的振动包括仪器振动、气流、冷却水流等,则需依靠光学平台的桌面阻尼来隔绝。

  振动基本原理

  固有频率

  固有频率,顾名思义,为系统本身发生的振动的频率。数值上来看,固有频率等于共振频率。考虑物块与弹性悬臂梁组成的系统,固有频率取决于两个因素——物块质量,以及充当弹簧的弹性悬臂梁的弹性系数。质量减小或弹性系数减小可增大固有频率;质量增大或悬臂梁弹性系数增大可降低固有频率。

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  实验室或厂房内可能存在的振动源,包括地表的振动(固有频率 10-5-20 Hz),大型建筑的振动(1 Hz左右),声音(20 Hz以上),仪器设备(10 Hz以上)。用户应当根据自身情况,选择合适的光学平台以对振动有效隔绝。

  阻尼

  如果没有阻尼,系统将在静止前振动很长一段时间——至少几秒钟。阻尼可消耗系统的机械能,使衰减更迅速。例如,当音叉顶端浸入水中时,振动几乎立即减弱。同样,当手指轻触共振物块——悬臂梁系统时,该阻尼装置也会迅速的消耗振动能量。

  理想简谐振动

  一个与理想线性弹簧连接的固定物块M可产生简谐振动,如下图所示。

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  弹簧长度变化Δx与应力F的关系可表示为Δx = CF,其中C是弹簧顺应性系数(Compliance),与弹簧弹性系数k成反比:k=1/C。

  在弹簧——物块系统中,当弹簧末端发生频率为,最大振幅为|u|的正弦运动时,物块M将产生最大振幅为|x|,频率同样为ω的正弦运动。物块运动|x|的振幅与弹簧末端运动|u|的振幅的稳态比即振动传递率T(Transmissibility),而系统的共振频率或固有频率ω0可表示为:

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  固有频率随物块质量M或弹簧顺应性C的增加(更柔软)而降低。振动传递率曲线表征于下图:

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  该系统三个突出的特征为:

  1)振动频率远低于系统固有频率时,传递率T=1,因此物块的运动幅度与弹簧另一端相同。

  2)接近固有频率时,弹簧末端的运动幅度增强,物块|x|的运动振幅大于弹簧末端的运动|u|振幅。对于一个无阻尼系统(ζ=0),物块的运动振幅此时在理论上会变得无限大。

  3)远高于系统固有频率时,物块位移|x|与1/ω2成比例地减少。在这种情况下,系统产生的位移不能传递至物体,也就是说弹簧充当了隔离器。

  衡工光学平台系统

  衡工光学平台系统包括光学台面和隔振腿。光学平台可放置仪器并对振动进行控制。光学平台台面是隔振系统中重要的一部分,其主要作用是提供一个无相对形变的刚性平台,当有振动源传递到桌面时,桌面蜂窝结构和阻尼可有效减弱光学平台振动变形。

  隔振腿除了支撑,主要作用是隔离来自地面的振动,隔振性能是其最重要指标之一。其他性能还包括:各腿高度独立调节,自动水平,载重能力,高度可选,有无磁性等等。


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