光學(xué)平臺,又稱光學(xué)面包板、光學(xué)桌面、科學(xué)桌面、實驗平臺,供水平、穩(wěn)定的臺面,一般平臺都需要進(jìn)行隔振等措施,保證其不受外界因素干擾,使科學(xué)實驗正常進(jìn)行。
光學(xué)平臺廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子、精密機(jī)械制造、冶金、航天、航空、航海、精密化工和無損檢測等領(lǐng)域,以及其他機(jī)械行業(yè)的精密試驗儀器、設(shè)備振動隔離的關(guān)鍵裝置中。要理清光學(xué)平臺的隔振原理,首先應(yīng)了解“振動”的來源。
振動的來源
大多數(shù)光學(xué)實驗或工業(yè)生產(chǎn)都對系統(tǒng)穩(wěn)定性有較高的要求。各種因素造成的振動會導(dǎo)致儀器測量結(jié)果的不穩(wěn)定性和不準(zhǔn)確性,嚴(yán)重干擾生產(chǎn)和實驗的進(jìn)行。
振動來源主要分為來自系統(tǒng)之外的振動和系統(tǒng)內(nèi)部的振動。地面固有振動,工作人員踩踏地板以及開、關(guān)門或墻壁碰撞等通過地面?zhèn)鱽淼恼駝泳鶎傧到y(tǒng)之外的振動,這一類振動需通過光學(xué)平臺的隔振腿衰減;而來自系統(tǒng)內(nèi)部的振動包括儀器振動、氣流、冷卻水流等,則需依靠光學(xué)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(tǒng)本身發(fā)生的振動的頻率。數(shù)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(tǒng),固有頻率取決于兩個因素——物塊質(zhì)量,以及充當(dāng)彈簧的彈性懸臂梁的彈性系數(shù)。質(zhì)量減小或彈性系數(shù)減小可增大固有頻率;質(zhì)量增大或懸臂梁彈性系數(shù)增大可降低固有頻率。
實驗室或廠房內(nèi)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(shè)備(10 Hz以上)。用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身情況,選擇合適的光學(xué)平臺以對振動有效隔絕。
如果沒有阻尼,系統(tǒng)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(tǒng)的機(jī)械能,使衰減更迅速。例如,當(dāng)音叉頂端浸入水中時,振動幾乎立即減弱。同樣,當(dāng)手指輕觸共振物塊——懸臂梁系統(tǒng)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(chǎn)生簡諧振動,如下圖所示。
彈簧長度變化Δx與應(yīng)力F的關(guān)系可表示為Δx = CF,其中C是彈簧順應(yīng)性系數(shù)(Compliance),與彈簧彈性系數(shù)k成反比:k=1/C。
在彈簧——物塊系統(tǒng)中,當(dāng)彈簧末端發(fā)生頻率為,最大振幅為|u|的正弦運動時,物塊M將產(chǎn)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(wěn)態(tài)比即振動傳遞率T(Transmissibility),而系統(tǒng)的共振頻率或固有頻率ω0可表示為:
固有頻率隨物塊質(zhì)量M或彈簧順應(yīng)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(tǒng)三個突出的特征為:
1)振動頻率遠(yuǎn)低于系統(tǒng)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(qiáng),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(tǒng)(ζ=0),物塊的運動振幅此時在理論上會變得無限大。
3)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)生的位移不能傳遞至物體,也就是說彈簧充當(dāng)了隔離器。
衡工光學(xué)平臺系統(tǒng)包括光學(xué)臺面和隔振腿。光學(xué)平臺可放置儀器并對振動進(jìn)行控制。光學(xué)平臺臺面是隔振系統(tǒng)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(dāng)有振動源傳遞到桌面時,桌面蜂窩結(jié)構(gòu)和阻尼可有效減弱光學(xué)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(biāo)之一。其他性能還包括:各腿高度獨立調(diào)節(jié),自動水平,載重能力,高度可選,有無磁性等等。
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