氣浮隔振平臺特性測試方法的研究

徐新云，陳旭雯，陳章位

(1.浙江大學機械工程學院，浙江杭州 310058；2.杭州億恒科技有限公司，浙江杭州 310013)

0 前言

隨著科學技術的飛速發展，各種先進精密儀器逐漸成為各個研究行業的重要裝備，這些儀器測量精度很高，但是對環境微振動也非常敏感[1-2]。環境振動會對儀器測量精度帶來很大的影響，不僅會降低儀器測量精度，甚至可能會對儀器造成損傷。因此，對環境微振動的測量和分析具有重要意義，為后續的隔振措施奠定基礎。

環境微振動的物理特征非常復雜，通常是由各種振動源(設備運行、人員走動、交通運輸等)引起的隨機振動，其受到振源類型、振動傳播路徑以及傳播路徑上的巖土結構等特性影響[3]。目前，國際上采用VC標準來對振動敏感設備進行振動評價，是一組標記為從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境下的振動容許值，有的大型精密設備工作時對環境振動的要求很高，需達到VC-F甚至VC-G[4]。隨著科學儀器發展的精密化，新的環境振動標準也在不斷發展，以達到精密儀器的振動控制要求。

而振動控制的目的在于通過隔振或減振設備將地面傳遞的振動進行實時衰減，以達到儀器所要求的振動容許值。對于微振動隔振系統，目前主要采用主動隔振[5]、被動隔振[6]以及主動隔振和被動隔振相結合[7]等。關于被動隔振效果的評價，主要是采用測量振動(位移、速度或加速度)之比。本文作者設計了一套微振動低頻測量評估系統，通過沖擊力錘、低頻拾振器、MI-7208型智能便攜式數據采集儀和專業隔振平臺特性分析軟件，通過測量氣浮隔振平臺臺面及桌角附近的微振動加速度、隔振平臺的固有頻率等，進而評價氣浮隔振平臺的隔振效果。

1 傳遞特性模型

1.1 試驗對象

此次測量以某氣浮隔振平臺為試驗對象，常被用于光學測量、精密檢測和集成電子等領域。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、系統穩定等特點[8]。氣浮隔振平臺基本參數見表1。

表1 氣浮隔振平臺基本參數

1.2 氣浮隔振平臺傳遞率特性

氣浮隔振平臺可簡化為圖1所示的單級隔振系統，表示地基上的激勵通過隔振系統傳遞到受控對象上。隔振器可以看作是理想彈簧和理想阻尼構成的無質量元件，并聯在質量無限大的地基剛體上。

圖1 單級隔振系統

對受控對象接受傳遞激勵建立運動微分方程：

(1)

其中：m為受控對象的質量；x為受控對象的絕對位移；R為系統的阻尼；k為系統的剛度；y為地基絕對位移。

求解微分方程可得地基的振動傳遞函數H(ω)為

(2)

在該系統中隔振傳遞函數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參數有關,即系統的剛度特性和阻尼特性。

圖2 氣浮隔振平臺傳遞率曲線

2 微振動測量試驗

2.1 試驗儀器

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

信號采集與處理采用某公司生產的MI-7208型智能便攜式數據采集儀,它支持振動、噪聲等多種信號的同步采集,具有超低頻、高精度采樣等特點,本底噪聲低于1 mV;且具有專業的隔振平臺特性分析軟件,可以實現微振動信號與噪聲干擾信號的分離,實時獲取微振動信號曲線,分析信號的時域、頻率等數據。其部分系統參數如表2所示。

表2 MI-7208系統參數

2.2 試驗方法

環境微振動測量可以使用多種方法進行測量[9-11]，本文作者采用傳感器直接測量法[12]。隔振性能和固有頻率測量試驗采用力錘激勵法。由于力錘激勵屬于寬頻帶激勵，可實現一次錘擊在頻帶內測量多個固有頻率[13]，該方法試驗簡單，所需設備少。力錘激勵測量系統如圖3所示。

圖3 錘擊法測量系統

具體測量流程為：使用力錘在氣浮隔振平臺桌角附近的地面進行敲擊，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拾振器獲取激勵響應后，通過MI-7208型智能便攜式數據采集儀進行時域顯示和頻率響應分析。在時域信號中可以直接讀取振動加速度的最大值，而頻率響應分析可以獲得氣浮隔振平臺水平和垂直方向上的固有頻率。現場測量系統如圖4所示。

圖4 現場測量系統

2.3 傳感器布置

此次測試使用已標定且在有效期范圍內的高精度環境微振動測量分析系統進行現場測試，測量范圍為0.5～30 Hz。測試前參照現行國家標準GB 51076—2015《電子工業防微振工程技術規范》，并結合實驗室現場環境及設備布置等情況，制定了測點布置方案。

測量地面本底微振動時使用一個垂直941B型拾振器和兩個水平941B型拾振器，在隔振平臺桌角附近分別按照x、y、z方向進行布置，如圖5所示。測量隔振效果時將傳感器按照圖5所示分別布置在地面和臺面。而測量固有頻率時，將傳感器按照垂直和水平方向上布置在臺面中心處。

圖5 地面本底振動測量傳感器布置

3 試驗結果及分析

測量微振動時，雖然已經避免實驗室內其他設備運行和人員走動帶來的激勵干擾，但是距離試驗場地不遠處有振動臺工作以及有車輛經過，研究表明交通運輸對微振動測量影響較大[14]，所以此次測試已選在其他環境激勵干擾較小的時段進行。

3.1 地面本底微振動測量

圖6—8為無力錘激勵下的地面本底微振動在x、y、z三個方向上的時域信號。x方向上最大本底微振動加速度為0.003 m/s2，y和z方向上分別為0.002、0.004 m/s2。可以看出：地面本底振動大小在0.3×10-3g附近，振動量級較小。

圖6 x向地面本底微振動

圖7 y向地面本底微振動

圖8 z向地面本底微振動

同時注意到氣浮隔振平臺的充氣裝置會不定期運行，其產生的噪聲較大，對地面微振動產生一定的影響。圖9為充氣裝置開啟時地面本底微振動在x、y、z三個方向上的時域信號。

圖9 開啟充氣裝置時x、y、z向地面微振動

其x、y、z方向最大本底微振動加速度分別達到了0.003、0.005、0.018 m/s2，相比于充氣裝置未開啟時，z方向上振動量級增大了10倍左右，對地面微振動影響較大，所以后續對隔振平臺隔振性能和固有頻率的測量都選在充氣裝置未運行時段進行，以保證激勵源的相對單一。

3.2 隔振性能測量

采用力錘敲擊氣浮隔振平臺桌角附近的地面，該振動激勵通過隔振平臺傳遞至臺面傳感器，通過對比地面與臺面兩傳感器所采集到的時域信號，可得到振動衰減程度。圖10—12分別為力錘敲擊地面的時域信號、z向地面及臺面傳感器采集的振動加速度時域信號。

圖11 z向地面微振動

圖12 z向臺面微振動

其x、y方向上的地面和臺面振動大小如表3所示。

表3 x、y、z向振動加速度衰減

從表3可以看出：氣浮隔振平臺對z方向上的振動抑制最為明顯，振動加速度經過隔振平臺后衰減了25 dB，傳遞率T為5.6%。x、y向地面振動加速度較無激勵時相比增長不大，這是因為錘擊地面時，力錘近似垂直敲擊地面，在水平方向上力的分量較小，引起振動加速度變化不大，且氣浮隔振平臺在垂直方向上剛度最大，故隔振效果最佳。

3.3 固有頻率測量

錘擊法測量固有頻率操作簡單，一次錘擊可得到一定頻率范圍內的多階固有頻率[15]，此次試驗將采樣頻率設置為80 Hz，只考慮氣浮隔振平臺的低階固有頻率。圖13為氣浮隔振平臺垂直和水平方向上的頻率響應曲線，其中曲線頂點所對應的頻率即固有頻率。

圖13 頻響曲線

根據垂直和水平方向頻率響應曲線，氣浮隔振平臺的垂直和水平基頻分別為2.5、2.188 Hz，低頻段曲線相對光滑，由于測試時氣浮隔振平臺上已安裝有其他儀器且無法拆卸，所以導致曲線后面出現較小起伏，但基頻大小與基本參數相比已較為吻合，測量結果可靠。

4 結論

通過對氣浮隔振平臺及地面微振動的測量來獲取其隔振性能和固有頻率，主要得出以下結論：

(1)設計的微振動低頻測量評估系統測量速度快、精度高，滿足對低頻微振動信號的測量需求，MI-7208型智能便攜式數據采集儀搭配專業全頻段微振動分析軟件可完成對環境低頻微振動的測量和評估。該測量系統后續也可用于對半導體、光學等對地基振動等級要求為VC-D及更高的精密行業進行振動等級評估。

(2)在測量場地附近振動臺未運行及無汽車經過時，該場地的本底微振動等級指標已低于VC-A，尚無法滿足精密光學實驗需求，故需要安裝氣浮隔振平臺進行隔振處理。

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

(4)氣浮隔振平臺垂直和水平基頻均在2 Hz附近，臺面上已安裝設備對其影響較小。隔振臺不僅要考慮高頻段隔振，還要考慮低頻段共振問題，因此在使用時因盡量避免低頻(如交通運輸等)干擾。