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光学平台的隔振原理及结构

发布时间:2021.10.26 阅读量:2588

光学平台最主要的一个目标是消除平台上任意两个以上部件之间的相对位移。大多数光学实验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,所以光学平台显得十分重要。


光学平台隔振原理


振动的来源


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。


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10-20Hz),大型建筑的振动(1Hz左右),声音(20Hz以上),仪器设备(10Hz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。


光学平台隔振原理


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。


光学平台隔振腿除了支撑,主要作用是隔离来自地面的振动,隔振性能是其Z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。


光学平台的结构


光学平台是由光学平板及其支架构成。


光学平板:


光学平板按其结构可分为:实体光学平板和夹心光学平板两种。


实体光学平板主要是将实体材料进行机械加工而成的平板(使用材料主要有铝材、钢材、大理石等)。其特点是加工简便,价格低廉,重量轻,体积相对轻便,便于在使用过程中灵活移动和摆放,适用在中小型光学实验组合或作为小型精密仪器的使用平台。同时可以灵活的配置专门设计的支架,为仪器的移动和适应不同场合的实验室提供方便。


夹心光学平板主要是由带磁不锈钢(不锈铁)及填充材料组成(目前使用Z多的填充材料是蜂窝巢结构材料及型钢框架结构)。特点是:固有频率低,吸振性能强。


光学平台的结构.jpg


光学平台支架:


光学平台支架按其隔振形式主要分为:机械式隔振支架与气垫式隔振支架。


机械式隔振支架主要是利用各种隔振材料(:减震弹簧、隔振橡胶等)将主动或被动震源尽量阻隔,使其尽可能少地传递到光学平台上。特点是造价相对便宜,使用和维护方便。缺点是只能用于环境震动相对较好的场合。


气垫式隔振支架是利用气垫的原理,将光学平台架在气垫上以达到隔振的效果。特点是:隔振效果好。但是造价较高,使用和维护繁琐。针对维护繁琐的情况又出现了自平衡(主动隔振)系统。原理是利用各种传感器提供的平台平衡状况,通过控制系统调节各个隔振支撑的气压来达到平衡的目的。


光学平台重要的两个参数是平台本身的平面度与隔振性能。平面度是主要是由材料、加工精度及加工工艺决定,三者缺一不可。


由于光学系统对环境振动极为敏感,刚性平台在3个转动自由度上的振动干扰会对发射光束的精确定向产生较为严重的破坏作用,直接影响到光束定向辐射的有效性,所以隔振性能也是决定光学平台质量好坏的一个重要指标。


优质的光学平台不仅需要高精度的机器设备来加工,更需要有高精度的检测手段与检测仪器来保证,也只有优质的光学平台才能保证高精度的科学实验、科学研究的正常进行。


参考阅读:设备振动的原因及解决方案

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