气浮隔振平台特性测试方法的研究

徐新云，陈旭雯，陈章位

(1.浙江大学机械工程学院，浙江杭州 310058；2.杭州亿恒科技有限公司，浙江杭州 310013)

0 前言

随着科学技术的飞速发展，各种先进精密仪器逐渐成为各个研究行业的重要装备，这些仪器测量精度很高，但是对环境微振动也非常敏感[1-2]。环境振动会对仪器测量精度带来很大的影响，不仅会降低仪器测量精度，甚至可能会对仪器造成损伤。因此，对环境微振动的测量和分析具有重要意义，为后续的隔振措施奠定基础。

环境微振动的物理特征非常复杂，通常是由各种振动源(设备运行、人员走动、交通运输等)引起的随机振动，其受到振源类型、振动传播路径以及传播路径上的岩土结构等特性影响[3]。目前，国际上采用VC标准来对振动敏感设备进行振动评价，是一组标记为从VC-A到VC-G的1/3倍频程速度谱曲线，每一条曲线代表不同环境下的振动容许值，有的大型精密设备工作时对环境振动的要求很高，需达到VC-F甚至VC-G[4]。随着科学仪器发展的精密化，新的环境振动标准也在不断发展，以达到精密仪器的振动控制要求。

而振动控制的目的在于通过隔振或减振设备将地面传递的振动进行实时衰减，以达到仪器所要求的振动容许值。对于微振动隔振系统，目前主要采用主动隔振[5]、被动隔振[6]以及主动隔振和被动隔振相结合[7]等。关于被动隔振效果的评价，主要是采用测量振动(位移、速度或加速度)之比。本文作者设计了一套微振动低频测量评估系统，通过冲击力锤、低频拾振器、MI-7208型智能便携式数据采集仪和专业隔振平台特性分析软件，通过测量气浮隔振平台台面及桌角附近的微振动加速度、隔振平台的固有频率等，进而评价气浮隔振平台的隔振效果。

1 传递特性模型

1.1 试验对象

此次测量以某气浮隔振平台为试验对象，常被用于光学测量、精密检测和集成电子等领域。其中隔振器由隔振橡胶和空气弹簧组成，具有隔振性能良好、系统稳定等特点[8]。气浮隔振平台基本参数见表1。

表1 气浮隔振平台基本参数

1.2 气浮隔振平台传递率特性

气浮隔振平台可简化为图1所示的单级隔振系统，表示地基上的激励通过隔振系统传递到受控对象上。隔振器可以看作是理想弹簧和理想阻尼构成的无质量元件，并联在质量无限大的地基刚体上。

图1 单级隔振系统

对受控对象接受传递激励建立运动微分方程：

(1)

其中：m为受控对象的质量；x为受控对象的绝对位移；R为系统的阻尼；k为系统的刚度；y为地基绝对位移。

求解微分方程可得地基的振动传递函数H(ω)为

(2)

在该系统中隔振传递函数T(ω)=H(ω)，则传递率为

(3)

其传递率曲线如图2所示,可以看出:隔振性能主要跟ωn和ξ参数有关,即系统的刚度特性和阻尼特性。

图2 气浮隔振平台传递率曲线

2 微振动测量试验

2.1 试验仪器

此次试验加速度传感器采用可以测量超低频(低至0.5 Hz)的941B型拾振器,不仅可以完成工程结构如桥梁、房屋、大坝等的脉动测量,还可以完成隔振平台的微振动测量,符合此次测量的精度要求。

信号采集与处理采用某公司生产的MI-7208型智能便携式数据采集仪,它支持振动、噪声等多种信号的同步采集,具有超低频、高精度采样等特点,本底噪声低于1 mV;且具有专业的隔振平台特性分析软件,可以实现微振动信号与噪声干扰信号的分离,实时获取微振动信号曲线,分析信号的时域、频率等数据。其部分系统参数如表2所示。

表2 MI-7208系统参数

2.2 试验方法

环境微振动测量可以使用多种方法进行测量[9-11]，本文作者采用传感器直接测量法[12]。隔振性能和固有频率测量试验采用力锤激励法。由于力锤激励属于宽频带激励，可实现一次锤击在频带内测量多个固有频率[13]，该方法试验简单，所需设备少。力锤激励测量系统如图3所示。

图3 锤击法测量系统

具体测量流程为：使用力锤在气浮隔振平台桌角附近的地面进行敲击，保证每次敲击激振力大小基本相等、锤击位置基本保持一致。941B拾振器获取激励响应后，通过MI-7208型智能便携式数据采集仪进行时域显示和频率响应分析。在时域信号中可以直接读取振动加速度的最大值，而频率响应分析可以获得气浮隔振平台水平和垂直方向上的固有频率。现场测量系统如图4所示。

图4 现场测量系统

2.3 传感器布置

此次测试使用已标定且在有效期范围内的高精度环境微振动测量分析系统进行现场测试，测量范围为0.5～30 Hz。测试前参照现行国家标准GB 51076—2015《电子工业防微振工程技术规范》，并结合实验室现场环境及设备布置等情况，制定了测点布置方案。

测量地面本底微振动时使用一个垂直941B型拾振器和两个水平941B型拾振器，在隔振平台桌角附近分别按照x、y、z方向进行布置，如图5所示。测量隔振效果时将传感器按照图5所示分别布置在地面和台面。而测量固有频率时，将传感器按照垂直和水平方向上布置在台面中心处。

图5 地面本底振动测量传感器布置

3 试验结果及分析

测量微振动时，虽然已经避免实验室内其他设备运行和人员走动带来的激励干扰，但是距离试验场地不远处有振动台工作以及有车辆经过，研究表明交通运输对微振动测量影响较大[14]，所以此次测试已选在其他环境激励干扰较小的时段进行。

3.1 地面本底微振动测量

图6—8为无力锤激励下的地面本底微振动在x、y、z三个方向上的时域信号。x方向上最大本底微振动加速度为0.003 m/s2，y和z方向上分别为0.002、0.004 m/s2。可以看出：地面本底振动大小在0.3×10-3g附近，振动量级较小。

图6 x向地面本底微振动

图7 y向地面本底微振动

图8 z向地面本底微振动

同时注意到气浮隔振平台的充气装置会不定期运行，其产生的噪声较大，对地面微振动产生一定的影响。图9为充气装置开启时地面本底微振动在x、y、z三个方向上的时域信号。

图9 开启充气装置时x、y、z向地面微振动

其x、y、z方向最大本底微振动加速度分别达到了0.003、0.005、0.018 m/s2，相比于充气装置未开启时，z方向上振动量级增大了10倍左右，对地面微振动影响较大，所以后续对隔振平台隔振性能和固有频率的测量都选在充气装置未运行时段进行，以保证激励源的相对单一。

3.2 隔振性能测量

采用力锤敲击气浮隔振平台桌角附近的地面，该振动激励通过隔振平台传递至台面传感器，通过对比地面与台面两传感器所采集到的时域信号，可得到振动衰减程度。图10—12分别为力锤敲击地面的时域信号、z向地面及台面传感器采集的振动加速度时域信号。

图11 z向地面微振动

图12 z向台面微振动

其x、y方向上的地面和台面振动大小如表3所示。

表3 x、y、z向振动加速度衰减

从表3可以看出：气浮隔振平台对z方向上的振动抑制最为明显，振动加速度经过隔振平台后衰减了25 dB，传递率T为5.6%。x、y向地面振动加速度较无激励时相比增长不大，这是因为锤击地面时，力锤近似垂直敲击地面，在水平方向上力的分量较小，引起振动加速度变化不大，且气浮隔振平台在垂直方向上刚度最大，故隔振效果最佳。

3.3 固有频率测量

锤击法测量固有频率操作简单，一次锤击可得到一定频率范围内的多阶固有频率[15]，此次试验将采样频率设置为80 Hz，只考虑气浮隔振平台的低阶固有频率。图13为气浮隔振平台垂直和水平方向上的频率响应曲线，其中曲线顶点所对应的频率即固有频率。

图13 频响曲线

根据垂直和水平方向频率响应曲线，气浮隔振平台的垂直和水平基频分别为2.5、2.188 Hz，低频段曲线相对光滑，由于测试时气浮隔振平台上已安装有其他仪器且无法拆卸，所以导致曲线后面出现较小起伏，但基频大小与基本参数相比已较为吻合，测量结果可靠。

4 结论

通过对气浮隔振平台及地面微振动的测量来获取其隔振性能和固有频率，主要得出以下结论：

(1)设计的微振动低频测量评估系统测量速度快、精度高，满足对低频微振动信号的测量需求，MI-7208型智能便携式数据采集仪搭配专业全频段微振动分析软件可完成对环境低频微振动的测量和评估。该测量系统后续也可用于对半导体、光学等对地基振动等级要求为VC-D及更高的精密行业进行振动等级评估。

(2)在测量场地附近振动台未运行及无汽车经过时，该场地的本底微振动等级指标已低于VC-A，尚无法满足精密光学实验需求，故需要安装气浮隔振平台进行隔振处理。

(3)气浮隔振平台在垂直方向刚度最大、隔振效果最佳，其振动衰减可达25 dB。

(4)气浮隔振平台垂直和水平基频均在2 Hz附近，台面上已安装设备对其影响较小。隔振台不仅要考虑高频段隔振，还要考虑低频段共振问题，因此在使用时因尽量避免低频(如交通运输等)干扰。