光學(xué)平臺,又稱(chēng)光學(xué)面包板、光學(xué)桌面、科學(xué)桌面、實(shí)驗平臺,供水平、穩定的臺面,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(shí)驗正常進(jìn)行。
光學(xué)平臺廣泛應用于光學(xué)、電子、精密機械制造、冶金、航天、航空、航海、精密化工和無(wú)損檢測等領(lǐng)域,以及其他機械行業(yè)的精密試驗儀器、設備振動(dòng)隔離的關(guān)鍵裝置中。要理清光學(xué)平臺的隔振原理,首先應了解“振動(dòng)”的來(lái)源。
振動(dòng)的來(lái)源
大多數光學(xué)實(shí)驗或工業(yè)生產(chǎn)都對系統穩定性有較高的要求。各種因素造成的振動(dòng)會(huì )導致儀器測量結果的不穩定性和不準確性,嚴重干擾生產(chǎn)和實(shí)驗的進(jìn)行。
振動(dòng)來(lái)源主要分為來(lái)自系統之外的振動(dòng)和系統內部的振動(dòng)。地面固有振動(dòng),工作人員踩踏地板以及開(kāi)、關(guān)門(mén)或墻壁碰撞等通過(guò)地面傳來(lái)的振動(dòng)均屬系統之外的振動(dòng),這一類(lèi)振動(dòng)需通過(guò)光學(xué)平臺的隔振腿衰減;而來(lái)自系統內部的振動(dòng)包括儀器振動(dòng)、氣流、冷卻水流等,則需依靠光學(xué)平臺的桌面阻尼來(lái)隔絕。
振動(dòng)基本原理
固有頻率
固有頻率,顧名思義,為系統本身發(fā)生的振動(dòng)的頻率。數值上來(lái)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(gè)因素——物塊質(zhì)量,以及充當彈簧的彈性懸臂梁的彈性系數。質(zhì)量減小或彈性系數減小可增大固有頻率;質(zhì)量增大或懸臂梁彈性系數增大可降低固有頻率。
實(shí)驗室或廠(chǎng)房?jì)瓤赡艽嬖诘恼駝?dòng)源,包括地表的振動(dòng)(固有頻率 10-5-20 Hz),大型建筑的振動(dòng)(1 Hz左右),聲音(20 Hz以上),儀器設備(10 Hz以上)。用戶(hù)應當根據自身情況,選擇合適的光學(xué)平臺以對振動(dòng)有效隔絕。
如果沒(méi)有阻尼,系統將在靜止前振動(dòng)很長(cháng)一段時(shí)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(shí),振動(dòng)幾乎立即減弱。同樣,當手指輕觸共振物塊——懸臂梁系統時(shí),該阻尼裝置也會(huì )迅速的消耗振動(dòng)能量。
理想簡(jiǎn)諧振動(dòng)
一個(gè)與理想線(xiàn)性彈簧連接的固定物塊M可產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng),如下圖所示。
彈簧長(cháng)度變化Δx與應力F的關(guān)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(fā)生頻率為,最大振幅為|u|的正弦運動(dòng)時(shí),物塊M將產(chǎn)生最大振幅為|x|,頻率同樣為ω的正弦運動(dòng)。物塊運動(dòng)|x|的振幅與彈簧末端運動(dòng)|u|的振幅的穩態(tài)比即振動(dòng)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(zhì)量M或彈簧順應性C的增加(更柔軟)而降低。振動(dòng)傳遞率曲線(xiàn)表征于下圖:
該系統三個(gè)突出的特征為:
1)振動(dòng)頻率遠低于系統固有頻率時(shí),傳遞率T=1,因此物塊的運動(dòng)幅度與彈簧另一端相同。
2)接近固有頻率時(shí),彈簧末端的運動(dòng)幅度增強,物塊|x|的運動(dòng)振幅大于彈簧末端的運動(dòng)|u|振幅。對于一個(gè)無(wú)阻尼系統(ζ=0),物塊的運動(dòng)振幅此時(shí)在理論上會(huì )變得無(wú)限大。
3)遠高于系統固有頻率時(shí),物塊位移|x|與1/ω2成比例地減少。在這種情況下,系統產(chǎn)生的位移不能傳遞至物體,也就是說(shuō)彈簧充當了隔離器。
衡工光學(xué)平臺系統包括光學(xué)臺面和隔振腿。光學(xué)平臺可放置儀器并對振動(dòng)進(jìn)行控制。光學(xué)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(gè)無(wú)相對形變的剛性平臺,當有振動(dòng)源傳遞到桌面時(shí),桌面蜂窩結構和阻尼可有效減弱光學(xué)平臺振動(dòng)變形。
隔振腿除了支撐,主要作用是隔離來(lái)自地面的振動(dòng),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(dòng)水平,載重能力,高度可選,有無(wú)磁性等等。
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