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从被动到主动,精密仪器微振动如何有效隔离?

发布时间:2022.03.10 阅读量:640

减振技术作为振动控制的重要应用之一,其主要目的是抑制振动的传递,按照减振方式是否有外部能量的输入分为被动减振和主动减振。

被动减振技术不需要从外界摄入任何的能量,只需要依靠被动减振元件例如弹簧、空气弹簧、橡胶等就能实现对振动的隔离。

被动减振操控方便、耐用性强,是应用最广泛的减振方式,而对于一些精密仪器设备的低频减振,例如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、成像设备、车载光电瞄准平台、光刻机、航天器等精密设备则需要用到主动减振系统。


主动减振是近些年随着控制技术、致动器和传感器的发展兴起的新的振动隔离方式。随着控制理论、集成电路、传感器、执行机构等领域的技术进步,主动减振进入蓬勃发展阶段,并在航空、航天、土木工程、机械工程、船舶、汽车等多个领域取得了较好的应用效果。


主动减振的工业应用

相对于被动减振,主动减振在低频振动的隔离方面具有明显的优势,因此主动减振技术多用于航空航天、超精密加工、精密检测、光学实验等对基座稳定性要求较高的场合。


主动减振器

主动减振技术原理

主动减振系统通常包括有受控系统、控制器、驱动器、传感器等几个常见的部分组成。

外界振动干扰作用在受控系统中,受控系统产生响应的系统输出,而传感器检测到输出量,将输出量传输到控制器,控制器根据此输出响应和相应的控制策略,运算得到所需的控制信号,并且将控制信号传输到驱动器,驱动器根据控制信号产生相应的电流或者电压信号用以驱动主动执行器,从而调整系统的包括刚度、阻尼在内的关键参数,并且依次不断循环,动态地调整系统的参数,实现主动减振。



主动减振控制系统原理示意图

主动减振系统需要不停地从外界摄入能量,通过采用合适的控制算法,系统的减振带宽可以得到一定的拓宽,因此可以在包括低频段和高频段在内的很宽的频带内都获得优良的减振性能。

下图所示的就是主动减振系统形式。主动减振系统通过振动传感器采集振动状态信息,然后反馈给控制器,控制器根据反馈运算得到控制信号,对主动执行器进行控制,从而实现对振动的隔离。

振动信号根据不同的传感器类型以及应用场景,可以测量振动的位移、速度、加速度等信号。其中一种反馈方式,就是反馈负载平台的振动信号,如下图(a)所示。

(a)单一反馈主动减振系统模型图

另一种则是同时测量负载平台和基础的振动信号,前者用于反馈控制,后者则用于前馈控制,即如下图(b)所示。


(b)前馈+反馈主动减振系统模型图

图片

结论与前景

主动减振的思想就是根据系统的振动状态信息,给负载平台提供一个相反方向的加速度或者驱动力,以抵消负载平台的振动。

主动减振技术的优点是动态响应快、减振带宽高、性能稳定且优秀。现如今,国内外一些主流的减振产品生产商都把研发制造的重点置于主动减振单元或者设备上。
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