氣浮隔振平臺(tái)特性測(cè)試方法的研究

徐新云，陳旭雯，陳章位

(1.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310058；2.杭州億恒科技有限公司，浙江杭州 310013)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種先進(jìn)精密儀器逐漸成為各個(gè)研究行業(yè)的重要裝備，這些儀器測(cè)量精度很高，但是對(duì)環(huán)境微振動(dòng)也非常敏感[1-2]。環(huán)境振動(dòng)會(huì)對(duì)儀器測(cè)量精度帶來(lái)很大的影響，不僅會(huì)降低儀器測(cè)量精度，甚至可能會(huì)對(duì)儀器造成損傷。因此，對(duì)環(huán)境微振動(dòng)的測(cè)量和分析具有重要意義，為后續(xù)的隔振措施奠定基礎(chǔ)。

環(huán)境微振動(dòng)的物理特征非常復(fù)雜，通常是由各種振動(dòng)源(設(shè)備運(yùn)行、人員走動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)?引起的隨機(jī)振動(dòng)，其受到振源類型、振動(dòng)傳播路徑以及傳播路徑上的巖土結(jié)構(gòu)等特性影響[3]。目前，國(guó)際上采用VC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)振動(dòng)敏感設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)評(píng)價(jià)，是一組標(biāo)記為從VC-A到VC-G的1/3倍頻程速度譜曲線，每一條曲線代表不同環(huán)境下的振動(dòng)容許值，有的大型精密設(shè)備工作時(shí)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的要求很高，需達(dá)到VC-F甚至VC-G[4]。隨著科學(xué)儀器發(fā)展的精密化，新的環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展，以達(dá)到精密儀器的振動(dòng)控制要求。

而振動(dòng)控制的目的在于通過(guò)隔振或減振設(shè)備將地面?zhèn)鬟f的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)衰減，以達(dá)到儀器所要求的振動(dòng)容許值。對(duì)于微振動(dòng)隔振系統(tǒng)，目前主要采用主動(dòng)隔振[5]、被動(dòng)隔振[6]以及主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振相結(jié)合[7]等。關(guān)于被動(dòng)隔振效果的評(píng)價(jià)，主要是采用測(cè)量振動(dòng)(位移、速度或加速度)之比。本文作者設(shè)計(jì)了一套微振動(dòng)低頻測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)沖擊力錘、低頻拾振器、MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀和專業(yè)隔振平臺(tái)特性分析軟件，通過(guò)測(cè)量氣浮隔振平臺(tái)臺(tái)面及桌角附近的微振動(dòng)加速度、隔振平臺(tái)的固有頻率等，進(jìn)而評(píng)價(jià)氣浮隔振平臺(tái)的隔振效果。

1 傳遞特性模型

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

此次測(cè)量以某氣浮隔振平臺(tái)為試驗(yàn)對(duì)象，常被用于光學(xué)測(cè)量、精密檢測(cè)和集成電子等領(lǐng)域。其中隔振器由隔振橡膠和空氣彈簧組成，具有隔振性能良好、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)[8]。氣浮隔振平臺(tái)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氣浮隔振平臺(tái)基本參數(shù)

1.2 氣浮隔振平臺(tái)傳遞率特性

氣浮隔振平臺(tái)可簡(jiǎn)化為圖1所示的單級(jí)隔振系統(tǒng)，表示地基上的激勵(lì)通過(guò)隔振系統(tǒng)傳遞到受控對(duì)象上。隔振器可以看作是理想彈簧和理想阻尼構(gòu)成的無(wú)質(zhì)量元件，并聯(lián)在質(zhì)量無(wú)限大的地基剛體上。

圖1 單級(jí)隔振系統(tǒng)

對(duì)受控對(duì)象接受傳遞激勵(lì)建立運(yùn)動(dòng)微分方程：

(1)

其中：m為受控對(duì)象的質(zhì)量；x為受控對(duì)象的絕對(duì)位移；R為系統(tǒng)的阻尼；k為系統(tǒng)的剛度；y為地基絕對(duì)位移。

求解微分方程可得地基的振動(dòng)傳遞函數(shù)H(ω)為

(2)

在該系統(tǒng)中隔振傳遞函數(shù)T(ω)=H(ω)，則傳遞率為

(3)

其傳遞率曲線如圖2所示,可以看出:隔振性能主要跟ωn和ξ參數(shù)有關(guān),即系統(tǒng)的剛度特性和阻尼特性。

圖2 氣浮隔振平臺(tái)傳遞率曲線

2 微振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

此次試驗(yàn)加速度傳感器采用可以測(cè)量超低頻(低至0.5 Hz)的941B型拾振器,不僅可以完成工程結(jié)構(gòu)如橋梁、房屋、大壩等的脈動(dòng)測(cè)量,還可以完成隔振平臺(tái)的微振動(dòng)測(cè)量,符合此次測(cè)量的精度要求。

信號(hào)采集與處理采用某公司生產(chǎn)的MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀,它支持振動(dòng)、噪聲等多種信號(hào)的同步采集,具有超低頻、高精度采樣等特點(diǎn),本底噪聲低于1 mV;且具有專業(yè)的隔振平臺(tái)特性分析軟件,可以實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)信號(hào)與噪聲干擾信號(hào)的分離,實(shí)時(shí)獲取微振動(dòng)信號(hào)曲線,分析信號(hào)的時(shí)域、頻率等數(shù)據(jù)。其部分系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 MI-7208系統(tǒng)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

環(huán)境微振動(dòng)測(cè)量可以使用多種方法進(jìn)行測(cè)量[9-11]，本文作者采用傳感器直接測(cè)量法[12]。隔振性能和固有頻率測(cè)量試驗(yàn)采用力錘激勵(lì)法。由于力錘激勵(lì)屬于寬頻帶激勵(lì)，可實(shí)現(xiàn)一次錘擊在頻帶內(nèi)測(cè)量多個(gè)固有頻率[13]，該方法試驗(yàn)簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少。力錘激勵(lì)測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 錘擊法測(cè)量系統(tǒng)

具體測(cè)量流程為：使用力錘在氣浮隔振平臺(tái)桌角附近的地面進(jìn)行敲擊，保證每次敲擊激振力大小基本相等、錘擊位置基本保持一致。941B拾振器獲取激勵(lì)響應(yīng)后，通過(guò)MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行時(shí)域顯示和頻率響應(yīng)分析。在時(shí)域信號(hào)中可以直接讀取振動(dòng)加速度的最大值，而頻率響應(yīng)分析可以獲得氣浮隔振平臺(tái)水平和垂直方向上的固有頻率?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

2.3 傳感器布置

此次測(cè)試使用已標(biāo)定且在有效期范圍內(nèi)的高精度環(huán)境微振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)量范圍為0.5～30 Hz。測(cè)試前參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 51076—2015《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及設(shè)備布置等情況，制定了測(cè)點(diǎn)布置方案。

測(cè)量地面本底微振動(dòng)時(shí)使用一個(gè)垂直941B型拾振器和兩個(gè)水平941B型拾振器，在隔振平臺(tái)桌角附近分別按照x、y、z方向進(jìn)行布置，如圖5所示。測(cè)量隔振效果時(shí)將傳感器按照?qǐng)D5所示分別布置在地面和臺(tái)面。而測(cè)量固有頻率時(shí)，將傳感器按照垂直和水平方向上布置在臺(tái)面中心處。

圖5 地面本底振動(dòng)測(cè)量傳感器布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)量微振動(dòng)時(shí)，雖然已經(jīng)避免實(shí)驗(yàn)室內(nèi)其他設(shè)備運(yùn)行和人員走動(dòng)帶來(lái)的激勵(lì)干擾，但是距離試驗(yàn)場(chǎng)地不遠(yuǎn)處有振動(dòng)臺(tái)工作以及有車輛經(jīng)過(guò)，研究表明交通運(yùn)輸對(duì)微振動(dòng)測(cè)量影響較大[14]，所以此次測(cè)試已選在其他環(huán)境激勵(lì)干擾較小的時(shí)段進(jìn)行。

3.1 地面本底微振動(dòng)測(cè)量

圖6—8為無(wú)力錘激勵(lì)下的地面本底微振動(dòng)在x、y、z三個(gè)方向上的時(shí)域信號(hào)。x方向上最大本底微振動(dòng)加速度為0.003 m/s2，y和z方向上分別為0.002、0.004 m/s2?？梢钥闯觯旱孛姹镜渍駝?dòng)大小在0.3×10-3g附近，振動(dòng)量級(jí)較小。

圖6 x向地面本底微振動(dòng)

圖7 y向地面本底微振動(dòng)

圖8 z向地面本底微振動(dòng)

同時(shí)注意到氣浮隔振平臺(tái)的充氣裝置會(huì)不定期運(yùn)行，其產(chǎn)生的噪聲較大，對(duì)地面微振動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。圖9為充氣裝置開(kāi)啟時(shí)地面本底微振動(dòng)在x、y、z三個(gè)方向上的時(shí)域信號(hào)。

圖9 開(kāi)啟充氣裝置時(shí)x、y、z向地面微振動(dòng)

其x、y、z方向最大本底微振動(dòng)加速度分別達(dá)到了0.003、0.005、0.018 m/s2，相比于充氣裝置未開(kāi)啟時(shí)，z方向上振動(dòng)量級(jí)增大了10倍左右，對(duì)地面微振動(dòng)影響較大，所以后續(xù)對(duì)隔振平臺(tái)隔振性能和固有頻率的測(cè)量都選在充氣裝置未運(yùn)行時(shí)段進(jìn)行，以保證激勵(lì)源的相對(duì)單一。

3.2 隔振性能測(cè)量

采用力錘敲擊氣浮隔振平臺(tái)桌角附近的地面，該振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)隔振平臺(tái)傳遞至臺(tái)面?zhèn)鞲衅鳎ㄟ^(guò)對(duì)比地面與臺(tái)面兩傳感器所采集到的時(shí)域信號(hào)，可得到振動(dòng)衰減程度。圖10—12分別為力錘敲擊地面的時(shí)域信號(hào)、z向地面及臺(tái)面?zhèn)鞲衅鞑杉恼駝?dòng)加速度時(shí)域信號(hào)。

圖11 z向地面微振動(dòng)

圖12 z向臺(tái)面微振動(dòng)

其x、y方向上的地面和臺(tái)面振動(dòng)大小如表3所示。

表3 x、y、z向振動(dòng)加速度衰減

從表3可以看出：氣浮隔振平臺(tái)對(duì)z方向上的振動(dòng)抑制最為明顯，振動(dòng)加速度經(jīng)過(guò)隔振平臺(tái)后衰減了25 dB，傳遞率T為5.6%。x、y向地面振動(dòng)加速度較無(wú)激勵(lì)時(shí)相比增長(zhǎng)不大，這是因?yàn)殄N擊地面時(shí)，力錘近似垂直敲擊地面，在水平方向上力的分量較小，引起振動(dòng)加速度變化不大，且氣浮隔振平臺(tái)在垂直方向上剛度最大，故隔振效果最佳。

3.3 固有頻率測(cè)量

錘擊法測(cè)量固有頻率操作簡(jiǎn)單，一次錘擊可得到一定頻率范圍內(nèi)的多階固有頻率[15]，此次試驗(yàn)將采樣頻率設(shè)置為80 Hz，只考慮氣浮隔振平臺(tái)的低階固有頻率。圖13為氣浮隔振平臺(tái)垂直和水平方向上的頻率響應(yīng)曲線，其中曲線頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率即固有頻率。

圖13 頻響曲線

根據(jù)垂直和水平方向頻率響應(yīng)曲線，氣浮隔振平臺(tái)的垂直和水平基頻分別為2.5、2.188 Hz，低頻段曲線相對(duì)光滑，由于測(cè)試時(shí)氣浮隔振平臺(tái)上已安裝有其他儀器且無(wú)法拆卸，所以導(dǎo)致曲線后面出現(xiàn)較小起伏，但基頻大小與基本參數(shù)相比已較為吻合，測(cè)量結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)氣浮隔振平臺(tái)及地面微振動(dòng)的測(cè)量來(lái)獲取其隔振性能和固有頻率，主要得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)的微振動(dòng)低頻測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)測(cè)量速度快、精度高，滿足對(duì)低頻微振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量需求，MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀搭配專業(yè)全頻段微振動(dòng)分析軟件可完成對(duì)環(huán)境低頻微振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)估。該測(cè)量系統(tǒng)后續(xù)也可用于對(duì)半導(dǎo)體、光學(xué)等對(duì)地基振動(dòng)等級(jí)要求為VC-D及更高的精密行業(yè)進(jìn)行振動(dòng)等級(jí)評(píng)估。

(2)在測(cè)量場(chǎng)地附近振動(dòng)臺(tái)未運(yùn)行及無(wú)汽車經(jīng)過(guò)時(shí)，該場(chǎng)地的本底微振動(dòng)等級(jí)指標(biāo)已低于VC-A，尚無(wú)法滿足精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，故需要安裝氣浮隔振平臺(tái)進(jìn)行隔振處理。

(3)氣浮隔振平臺(tái)在垂直方向剛度最大、隔振效果最佳，其振動(dòng)衰減可達(dá)25 dB。

(4)氣浮隔振平臺(tái)垂直和水平基頻均在2 Hz附近，臺(tái)面上已安裝設(shè)備對(duì)其影響較小。隔振臺(tái)不僅要考慮高頻段隔振，還要考慮低頻段共振問(wèn)題，因此在使用時(shí)因盡量避免低頻(如交通運(yùn)輸?shù)?干擾。