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文末福利 | 光学平台选型指南

文末福利 | 光学平台选型指南 两江科技评论
2023-08-17
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导读:光学平台全知道!

光学平台设置有隔振装置,可保证光学平台及其表面设备整体不受空调、热泵及公铁路运输系统等各种环境振动因素的干扰,使实验或测量正常进行。因此光学平台非常适用于对振动敏感对的精密实验或测量场景,广泛应用于光学、电子、精密机械制造、精密化工和无损检测等各领域。

目前市场上的光学平台一般分为阻尼隔振光学平台气浮隔振光学平台两种,由工作台面和隔振支撑腿组成。其中,较高端的光学平台的工作台面采用蜂窝粘接结构,轻便而刚性高,隔振支撑腿分为阻尼隔振和气浮隔振两种。不同类型光学平台的典型性能参数及选型指南见下表。


表1 不同类型光学平台的性能指标列表
图1 阻尼隔振光学平台
图2  气浮隔振光学平台

工作台面

较高端的工作台面一般采用三层夹心式蜂窝粘接结构,由高密度蜂窝孔组成。蜂窝结构显著提高了光学平台的动态刚度,台面的固有振动频率高,受周围环境振动及干扰影响小,具有更出色的振动衰减功能,同时又不会显著增加光学平台的重量。


工作台表面(上台面)采用高导磁不锈钢板,台面内部支撑结构采用钢板蜂窝粘接而成,底板(下底面)采用优质碳钢板。全钢结构使材料具有相同的热膨胀系数,避免了温度循环下的内应力聚集,确保了最佳的热稳定性能。

图3 蜂窝粘接台面结构
1.工作表面
采用5-6 mm厚的SUS430(1Cr17) 高导磁镍合不锈钢,表面做精密磨削和密迪纹亚光处理,可获得良好的平面度和表面粗糙度的同时避免台面反光,台面上均布标准孔距25 mm的 M6 螺纹孔。
2.内部支撑结构
采用厚度0.28 mm不锈钢板通过高抗拉强度的环氧树脂胶蜂窝粘接而成,大大提高了结构强度(高抗拉、高抗剪和高抗剥离强度等),减小了重量。粘接平台的每个螺纹孔下面都粘合了一个密封杯,防止实验过程中化学物或异物进入工作台内部,易于清理。

图4 光学平台侧剖图
3.侧面围板

内层材质为碳钢板,与蜂窝内芯直接连接且热膨胀系数一致,确保了结构完整性并防止在温度循环条件下内应力聚集。外层材质为黑色铝塑板,四个角用不锈钢板进行包角处理,整体美观实用。

4.底板
采用5 - 6 mm厚的碳钢板,与蜂窝内芯直接连接且热膨胀系数一致,确保了结构完整性并防止在温度循环条件下内应力聚集。碳钢板内部做防锈处理,表面做喷黑塑处理。
5.台面尺寸及尺寸结构定制

市场上的标准阻尼和气浮隔振光学平台一般覆盖从900 mm × 600 mm到4000 mm × 1500 mm等各尺寸,同时也可定制特殊尺寸、拼接平台、异型平台或无磁平台等。

图5 拼接和异形光学平台

隔振支撑腿

市面一般常见两种光学平台支撑腿:阻尼隔振支撑腿气浮隔振支撑腿,目前还出现了更先进的气动圆形独立支撑腿

1.阻尼隔振支撑腿
支撑腿的上、下部分采用高隔振性能的阻尼橡胶材料,提供了良好的隔振效果,适合于低振动环境或对振动不敏感的低灵敏度实验,符合绝大多数平台的应用环境。阻尼隔振支撑腿有如下特点:
  • 横向与纵向稳定性佳
  • 高负载能力
  • 手动调平
  • 固有频率:垂直方向6.0 - 10.0 Hz,水平方向3.0 - 8.0 Hz
2.气浮隔振支撑腿

支撑腿采用双腔阻尼空气弹簧技术,需要连续供应压缩气体,使气动弹簧产生纵向阻尼。平台由腔室中的气压支撑,两个腔室之间的气流可有效隔离地面和平台之间的振动,显著减少调平稳定时间。通过优化腔室体积比,支撑腿的阻尼性能更好,共振频率低,适用于振动敏感型应用,以及处于振动明显环境下的光学应用,如在会产生横向和纵向振动的较高楼层做实验。气浮隔振支撑腿有如下特点:

  • 纵向和横向隔振效果佳
  • 纵向和横向稳定性佳
  • 自动调平
  • 固有频率:垂直方向1.0 - 2.0 Hz,水平方向1.0 - 2.0 Hz
3.气动圆形独立支撑腿


图6 气动圆形独立支撑腿照片及示意图


气动圆形独立支撑腿是高性能光学平台支撑,具有目前最好的隔振效果和易用性。气动圆形独立支撑腿采用两腔室系统设计,包括气体腔室和阻尼腔室,以保证固有振动频率控制在较低程度,最大限度地提高隔离带宽和稳定性。

  • 气体腔由轻薄的隔膜和活塞组成,将腔室和隔膜的形状及大小最优化,可开发出固有振动频率极低的隔振系统,垂直共振频率低至1 Hz。隔膜不但能够隔离垂直方向的振动,还能与活塞内的三线摆一同隔离水平方向的振动。
  • 对于在光学仪器和光学台面上施加的外力,或是因负载移动而引起的光学台面移动,气体腔和阻尼腔之间安装的节流孔能够使其迅速衰减,保持光学平台的稳定。
  • 三个调平阀为维持水平状态自动调节室内的压力,可对不平坦的地面实现补偿,保持光学台面的高度稳定。



图7 气动圆形独立支撑腿光学平台

主要参数指标及检验方法

1.平面度
平面度指被测实际表面相对其理想平面的变动量,一般采用打表测量法和平面尺检测法测量光学平台表面平面度。



图8 平面尺检测法测量光学平台表面平面度


2.表面粗糙度
表面粗糙度指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度,它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小,则表面越光滑。一般采用比较法和粗糙度仪测量光学平台表面粗糙度:
  • 比较法:将被测量表面与标有一定数值的粗糙度样板比较来确定被测表面的粗糙度值的方法;
  • 粗糙度仪检测法:将粗糙度仪放置在光学平台上,读取测量数据。


图9 粗糙度仪检测法测量光学平台表面粗糙度

3.固有频率和振幅
固有频率指物体做自由振动时,其位移随时间按正弦或余弦规律变化,振动的频率或周期与初始条件无关,而仅与系统的固有特性有关(如质量、形状、材质等),通常来说,固有频率越低,系统的隔振性能就越强。固有频率还分为水平方向和垂直方向,但通常来说垂直方向的固有频率对整体隔振性能的影响,起到决定性作用,水平方向的固有频率指标通常用于参考。

一般采用振动测试仪法测量光学平台固有频率,如下图,将低频速度传感器放置在光学平台上,用力锤对台面进行敲击,产生力锤激励信号和响应信号,通过传感器传到采集器然后进行传递函数分析得到固有频率。

图10 振动测试仪法测量光学平台固有频率

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