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從被動到主動✘☁☁☁✘,精密儀器微振動如何有效隔離•↟?

釋出時間·▩•╃│:2022.03.10 閱讀量·▩•╃│:603

減振技術作為振動控制的重要應用之一✘☁☁☁✘,其主要目的是抑制振動的傳遞✘☁☁☁✘,按照減振方式是否有外部能量的輸入分為被動減振和主動減振✘↟。

被動減振技術不需要從外界攝入任何的能量✘☁☁☁✘,只需要依靠被動減振元件例如彈簧✘╃、空氣彈簧✘╃、橡膠等就能實現對振動的隔離✘↟。

被動減振操控方便✘╃、耐用性強✘☁☁☁✘,是應用最廣泛的減振方式✘☁☁☁✘,而對於一些精密儀器裝置的低頻減振✘☁☁☁✘,例如透射電子顯微鏡(TEM)✘╃、掃描電子顯微鏡(SEM)✘╃、成像裝置✘╃、車載光電瞄準平臺✘╃、光刻機✘╃、航天器等精密裝置則需要用到主動減振系統✘↟。


主動減振是近些年隨著控制技術✘╃、致動器和感測器的發展興起的新的振動隔離方式✘↟。隨著控制理論✘╃、積體電路✘╃、感測器✘╃、執行機構等領域的技術進步✘☁☁☁✘,主動減振進入蓬勃發展階段✘☁☁☁✘,並在航空✘╃、航天✘╃、土木工程✘╃、機械工程✘╃、船舶✘╃、汽車等多個領域取得了較好的應用效果✘↟。


主動減振的工業應用

相對於被動減振✘☁☁☁✘,主動減振在低頻振動的隔離方面具有明顯的優勢✘☁☁☁✘,因此主動減振技術多用於航空航天✘╃、超精密加工✘╃、精密檢測✘╃、光學實驗等對基座穩定性要求較高的場合✘↟。


主動減振器

主動減振技術原理

主動減振系統通常包括有受控系統✘╃、控制器✘╃、驅動器✘╃、感測器等幾個常見的部分組成✘↟。

外界振動干擾作用在受控系統中✘☁☁☁✘,受控系統產生響應的系統輸出✘☁☁☁✘,而感測器檢測到輸出量✘☁☁☁✘,將輸出量傳輸到控制器✘☁☁☁✘,控制器根據此輸出響應和相應的控制策略✘☁☁☁✘,運算得到所需的控制訊號✘☁☁☁✘,並且將控制訊號傳輸到驅動器✘☁☁☁✘,驅動器根據控制訊號產生相應的電流或者電壓訊號用以驅動主動執行器✘☁☁☁✘,從而調整系統的包括剛度✘╃、阻尼在內的關鍵引數✘☁☁☁✘,並且依次不斷迴圈✘☁☁☁✘,動態地調整系統的引數✘☁☁☁✘,實現主動減振✘↟。



主動減振控制系統原理示意圖

主動減振系統需要不停地從外界攝入能量✘☁☁☁✘,透過採用合適的控制演算法✘☁☁☁✘,系統的減振頻寬可以得到一定的拓寬✘☁☁☁✘,因此可以在包括低頻段和高頻段在內的很寬的頻帶內都獲得優良的減振效能✘↟。

下圖所示的就是主動減振系統形式✘↟。主動減振系統透過振動感測器採集振動狀態資訊✘☁☁☁✘,然後反饋給控制器✘☁☁☁✘,控制器根據反饋運算得到控制訊號✘☁☁☁✘,對主動執行器進行控制✘☁☁☁✘,從而實現對振動的隔離✘↟。

振動訊號根據不同的感測器型別以及應用場景✘☁☁☁✘,可以測量振動的位移✘╃、速度✘╃、加速度等訊號✘↟。其中一種反饋方式✘☁☁☁✘,就是反饋負載平臺的振動訊號✘☁☁☁✘,如下圖(a)所示✘↟。

(a)單一反饋主動減振系統模型圖

另一種則是同時測量負載平臺和基礎的振動訊號✘☁☁☁✘,前者用於反饋控制✘☁☁☁✘,後者則用於前饋控制✘☁☁☁✘,即如下圖(b)所示✘↟。


(b)前饋+反饋主動減振系統模型圖

圖片

結論與前景

主動減振的思想就是根據系統的振動狀態資訊✘☁☁☁✘,給負載平臺提供一個相反方向的加速度或者驅動力✘☁☁☁✘,以抵消負載平臺的振動✘↟。

主動減振技術的優點是動態響應快✘╃、減振頻寬高✘╃、效能穩定且優秀✘↟。現如今✘☁☁☁✘,國內外一些主流的減振產品生產商都把研發製造的重點置於主動減振單元或者裝置上✘↟。
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