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光學平臺

光學平臺隔振原理與選型

Julie 來源:Newport理波2016-03-23 我要評論(0 )   

本次慕尼黑上海光電展期間,我們推出了最新的主動隔振平臺GuardianTM系列。結合簡約的設計,先進的隔振技術,為超高分辨率顯微鏡和計量學提供了低頻區域(0.5-50 Hz)無...

 振動的來源

大多數光學實驗或工業生產都對系統穩定性有較高的要求。各種因素造成的振動會導致儀器測量結果的不穩定性和不準確性,嚴重干擾生產和實驗的進行。

 

振動來源主要分為來自系統之外的振動和系統內部的振動。地面固有振動,工作人員踩踏地板以及開、關門或墻壁碰撞等通過地面傳來的振動均屬系統之外的振動,這一類振動需通過光學平臺的隔振腿衰減;而來自系統內部的振動包括儀器振動、氣流、冷卻水流等,則需依靠光學平臺的桌面阻尼來隔絕。

振動基本原理

固有頻率

固有頻率,顧名思義,為系統本身發生的振動的頻率。數值上來看,固有頻率等于共振頻率??紤]物塊與彈性懸臂梁組成的系統,固有頻率取決于兩個因素——物塊質量,以及充當彈簧的彈性懸臂梁的彈性系數。質量減小或彈性系數減小可增大固有頻率;質量增大或懸臂梁彈性系數增大可降低固有頻率。

 

(左)質量減小可增大固有頻率

(右)質量增大可降低固有頻率

  

(左)彈簧彈性系數減小可增大固有頻率。

(右)彈簧彈性系數增大(“更柔軟”)可降低固有頻率。

實驗室或廠房內可能存在的振動源,包括地表的振動(固有頻率 10-5-20 Hz),大型建筑的振動(1 Hz左右),聲音(20 Hz以上),儀器設備(10 Hz以上)。用戶應當根據自身情況,選擇合適的光學平臺以對振動有效隔絕。

阻尼

如果沒有阻尼,系統將在靜止前振動很長一段時間——至少幾秒鐘。阻尼可消耗系統的機械能,使衰減更迅速。例如,當音叉頂端浸入水中時,振動幾乎立即減弱。同樣,當手指輕觸共振物塊——懸臂梁系統時,該阻尼裝置也會迅速的消耗振動能量。 

理想簡諧振動

一個與理想線性彈簧連接的固定物塊M可產生簡諧振動,如下圖所示。

彈簧長度變化Δx與應力F的關系可表示為Δx = CF,其中C是彈簧順應性系數(Compliance),與彈簧彈性系數k成反比:k=1/C。 

在彈簧——物塊系統中,當彈簧末端發生頻率為,最大振幅為|u|的正弦運動時,物塊M將產生最大振幅為|x|,頻率同樣為ω的正弦運動。物塊運動|x|的振幅與彈簧末端運動|u|的振幅的穩態比即振動傳遞率T(Transmissibility),而系統的共振頻率或固有頻率ω0可表示為

 
固有頻率隨物塊質量M或彈簧順應性C的增加(更柔軟)而降低。振動傳遞率曲線表征于下圖

 

該系統三個突出的特征為:

1)振動頻率遠低于系統固有頻率時,傳遞率T=1,因此物塊的運動幅度與彈簧另一端相同。

2)接近固有頻率時,彈簧末端的運動幅度增強,物塊|x|的運動振幅大于彈簧末端的運動|u|振幅。對于一個無阻尼系統(ζ=0),物塊的運動振幅此時在理論上會變得無限大。

3)遠高于系統固有頻率時,物塊位移|x|與1/ω2成比例地減少。在這種情況下,系統產生的位移不能傳遞至物體,也就是說彈簧充當了隔離器。

光學平臺系統

光學平臺系統包括光學臺面和隔振腿。光學平臺可放置儀器并對振動進行控制。光學平臺臺面是隔振系統中重要的一部分,其主要作用是提供一個無相對形變的剛性平臺,當有振動源傳遞到桌面時,桌面蜂窩結構和阻尼可有效減弱光學平臺振動變形。

 

隔振腿除了支撐,主要作用是隔離來自地面的振動,隔振性能是其最重要指標之一。其他性能還包括:各腿高度獨立調節,自動水平,載重能力,高度可選,有無磁性等等。

Newport在振動控制和振動隔離的生產設計方面,擁有超過40年的經驗,已經成為振動控制產品和方案的行業標準。我們提供廣泛的寬帶及窄帶調諧阻尼,不同的尺寸和厚度的光學平臺,可滿足任何性能、預算的需求。其中SmartTable系列桌面的專利——IQ主動阻尼技術獨一無二,能最大限度隔離系統內部的振動。

主動隔振平臺

本次慕尼黑上海光電展期間,我們推出了最新的主動隔振平臺GuardianTM系列。結合簡約的設計,先進的隔振技術,為超高分辨率顯微鏡和計量學提供了低頻區域(0.5-50 Hz)無與倫比的隔振性能,吸引了眾多參觀者的關注。

 

GuardianTM工作站包括2個主動隔振模塊,每一個包含3個傳感器和3個衰減器,在六個自由度進行實時補償。它不僅解決了被動隔振系統在固有頻率處的共振響應問題(上圖藍色曲線),還提供高達34 dB(98%)額外的隔離(上圖粉紅色曲線)。隔離效率從1 Hz處的10.5 dB(70%),2 Hz處的20 dB(90%),到5 Hz處已達到30.5 dB(97%),不但大大優于以彈簧為基礎的系統,而且優于最好的氣浮隔振平臺。

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主動隔振平臺隔振性能儀器測量
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