光学平台整体结构介绍

从结构上来看，光学平台（图4c）主要分为台面（图4a）和支架（图4b）两部分，所以光学平台的隔振性能取决于台面本身和支架的隔振性能，总体上说，光学平台的隔振，通过三个方面来实现：

a、台面	b、支架	c、光学平台

● 隔振支架：通常来说，气浮式隔振支架性能优于阻尼式隔振支架，部分性能优异的隔振支架可以将外界振动（常见10～200Hz）减少一至两个数量级
● 台面物理性能：要求台面有一定的刚性而且较轻（硬重比），这样的台面可以有效减少共振时的振幅，这一点在后面阐述
● 台面内部结构：台面的内部结构，除了负责减轻支架未能消除的外界振动外，对于降低或消除因台面上的冲击和相对运动引起的振动，起到至关重要的作用

台面
光学平台的台面（图4a）通常采用：面板+ 内部支撑结构+ 底板的三层夹心式结构，面板和底板的材料、加工精度、厚度等情况各个厂家均有所不同，但面板和底板的板材并不是越厚越重越好。在保持一定刚性的前提下，光学平台的板材较轻时，可以降低共振时的振幅，对于气浮隔振平台，还可以显著缩短振动恢复时间。

光学平台的台面设计，需要遵循一定的长厚比，一般取10 ：1 左右，原则上不建议低于7 ：1 或高于15 ：1。但对于台面的隔振性能影响，最容易被忽略的是内部支撑结构。国内的光学平台，多采用“米字形”或“井字形”支撑结构（图5a），国外的台面内部多采用真蜂窝支撑结构（图5b），经卓立长时间、多方面的研究和验证，真蜂窝的支撑结构能更加有效地提高台面的隔振效果。

a. 井字形支撑结构

b．真蜂窝结构（带隔离杯）

图5. 光学平台内部支撑结构

支架
光学平台的支架（图4b）包括：阻尼（橡胶）式结构和气浮（或称空气弹簧、空气阻尼）式结构，通常阻尼式结构使用范围较广，但对于低频振动，隔振效果一般。
对于隔振要求较高的领域，气浮式结构支架无疑是一个较好的解决方案，但气室的大小、布局、气囊的性能、气动元件的灵敏度和响应速度等诸多因素，都会影响光学平台最终的隔振效果。

隔振光学平台的数学模型
上面已经提到，影响光学平台隔振效果的因素很多，比如：台面材料、结构、物理尺寸（包括长厚比等）、支架的结构和隔振材料等等。要想对光学平台的隔振技术进行深入了解，并提出很好的解决方案，需要通过建立光学平台的数学模型，进行计算和仿真。光学平台隔振的计算和仿真非常复杂，现在较先进的手段是利用ESPI 技术【Electronic Speckle Pattern Interferometry，电子散斑干涉技术，也称为TV 全息摄影术(TV Holography) 或数字全息术(Digital Holography)】或动力学仿真软件（如：ADAMS 等）建立多体动力学仿真模型来进行分析。
精密隔振系统可以用图6 所示的动力学模型来表示，其中m 为精密隔振系统的质量、k 为等效刚度系数、c 为黏性阻尼系数，对于确定的隔振系统，这三个量是常数。x 为精密隔振平台的振动位移（指竖直方向的位移）、x0 为基础干扰（指外界振动）位移、fd 为作用于精密隔振系统的直接干扰、u 为作用于隔振系统的主动控制力。在基础干扰和直接干扰的同时作用下，隔振系统的动力学方程可以表示为式1 ：（ 1） mẍ+cẋ+kx=c

图6. 隔振系统动力学模型

对于被动隔振系统（无fd 和u），上述动力学方程可以简化为： (2)mẍ+cẋ+kx=c
隔振系统的性能好坏通常可以通过振动传递率来加以评价。振动传递率是指通过隔振装置后传递到基础上的力的幅值与作用在振动系统上的激振力的幅值之比。经过计算，上述被动隔振系统的振动传递率TDp 为：

式中，ω 为基础振动频率；ωn 为系统固有频率；ξ 为阻尼比。当阻尼比（ξ）为定值时，上式简化后可知TDp 和ω/ωn 的关系为：

上式的函数曲线见图7。
分析可知，当：
ω/ωn ＜ 1 时，振动传递率TDp ＞ 1，无隔振效果，且频率比ω/ωn 的值越接近1，振动传递率TDp 越大，即隔振效果越差。
ω/ωn ＝ 1 时，即固有频率和基础振动频率相同时，振动传递率TDp 达到极大，此时平台同外界振动产生共振现象，应严格避免。
当1 ＜ ω/ωn ＜ 时，振动传递率TDp 仍＞ 1，无隔振效果。
当ω/ωn ＝ 时，振动传递率TDp 为1，也就是说，外界的振动全部传递到台面上，仍无隔振效果。
当ω/ωn ＞ 时，振动传递率TDp ＜ 1 且逐步减小，隔振效果随之逐步增加。
从上述说明，可以看出，为了达到隔振目的，振动传递率TDP 应小于1，
参见表2。由于基础振动频率是确定的，若想大幅提升比值ω/ωn，只能将系
统的固有频率做到很小，但实际上，这是非常困难的。
图7.振动传递率和频率比（ω/ωn）的关系曲线

阻尼（橡胶）式隔振

若外界基础振动频率在10 ～ 50Hz，结合上述的分析，此时选择ω/ωn ＞ ，即隔振的光学平台固有频率ωn ＜ 7 ～ 35Hz，才会起到隔振效果。根据中华人民共和国国家标准GB/T 20029-2005《 仪器、设备用橡胶隔振垫》中的说明和要求：
1. 材料：制作隔振垫的胶料应以天然橡胶或合成橡胶为选用胶种，不应选用再生胶。天然橡胶在物理机械的综合性能方面较优越，而合成橡胶则在某些特殊性能，如耐油、耐老化、耐酸碱、耐臭氧、耐高温等方面较突出。
2. 硬度：按橡胶硬度（邵尔A）分：40度、60度和80度三种。不同邵氏硬度的隔振垫，在相同荷载条件下，其静态压缩量不同。在实际使用时，可根据载荷和设计要求，选择硬度不同的隔振垫。
3. 阻尼比：橡胶隔振垫的阻尼比（ξ）应在0.05～0.15的范围内。阻尼比过大或过小的材料，不适合作为隔振垫使用。刚性越高的材料，其阻尼比越小，如：钢的阻尼比一般为0.0001～0.0006，而被大家诟病的（国内）汽车上常用的沥青阻尼片的阻尼比大致为：0.27～0.44，虽有一定的隔振效果，但我们仍强烈建议相关厂家将其换为环保的高分子树脂材料或橡胶材料。
4. 结构和使用：● 橡胶隔振垫基本块尺寸为85mm×85mm×20mm，结构和照片见图8。
● 可根据不同载荷或设计要求任意裁切组合使用。
● 橡胶垫可单层或多层使用。需要多层迭合使用时，层间须用钢板相隔。多层使用时，其载荷仍为单层载荷量但固有频率可降低，可适当提升隔振效果。
5. 运输、贮存：橡胶垫产品在贮运过程中应避免阳光直射、雨雪浸淋、锐器划伤，避免与酸、碱、油及各种有机溶剂接触。产品的贮存地点应距热源1m以上，环境温度应在15℃～40℃。
卓立汉光使用各种专业阻尼隔振材料及结构请参见表3
。

图8. 国标规定的橡胶隔振垫

表3. 卓立汉光使用的各种阻尼隔振材料及结构

阻尼（橡胶）隔振与负载的关系

图9. 固有频率和负载的反比关系 外界振动频率不变时，阻尼（橡胶）在负载情况下，会发生形变，载荷越大，变形量也越大，此时橡胶材料的阻尼比、振动传递率（即系统的固有频率）会发生变化，实验表明，固有频率和负载成反比关系，即：负载越大，固有频率越低。图9 为卓立汉光OTPOT 系列中两款隔振橡胶垫固有频率和负载的实验曲线图。 阻尼（橡胶）式隔振适合于大部分实验室的使用或非复杂 振动的隔离，但若想达到较好隔振效果，需要综合考虑：外界振动、负载情况、橡胶垫的材质、硬度、形状、厚度、大小等一系列因素，卓立汉光可以帮助您提供性价比最高的隔振解决方案，欢迎来电垂询。

气浮式隔振

对于气浮（或称空气弹簧）式隔振系统，情况与阻尼（橡胶）式隔振有所不同，气浮式隔振平台的主要特点包括：
● 刚度和阻尼可以调节。研究表明，目前常见的气浮式隔振系统的阻尼比可变范围为0.15～0.4，隔振体系固有频率可保持不变，即不受外界振动干扰
● 具有高度调整机构，可以实现隔振体系刚度中心对质心位置移动的跟踪，保持隔振平台的水平、横向稳定性好
● 承载范围大：通过调节气囊内气压可获得不同承载力最简单的空气弹簧只有一个气缸，但当振动发生在10Hz以下时，就需要有一个更复杂的垂直增强隔离气室的设计。垂直增强隔离气室是通过一个双腔体的空气弹簧来实现的。上层的腔体通过阻力减振器与下层容器相连，压缩空气受力时，通过阻力减振器，并产生摩擦力以起到减振的作用。卓立汉光气浮平台支撑腿内的结构，采用了垂直增强隔离气室结构，如图10。

图10. 气浮平台支撑腿内部结构

部分实验和装置中，除了垂直方向的振动隔离，还要求增强水平方向的振动隔离。水平方向的振动频率通常在1 ～ 10Hz，可以增加隔离水平振动的元件来有效的消除。但实际使用时，水平方向的振动，对实验精度的影响不大，水平方向的隔振效果，通常作为参考指标。
经过数学模型的计算和简化，气浮隔振平台的固有频率ωn 为：

其中，r 为空气比热；g 为重力加速度；A 为活塞的有效横截面积；V 为气室体积；
从上式可以知道，气浮隔振平台的固有频率，同活塞的有效横截面积成正比，同气室的体积成反比。所以为了降低气浮平台的固有频率（提升气浮平台的隔振效果），通常可以用增大气室容积或减少活塞的有效横截面积来实现。

气浮式光学平台实际使用时，由于结构原理不同，空气弹簧的阻尼表现不一样，从式5 我们可以知道：如果下方的气室容积大、活塞的有效横截面积小，隔振效果会比较好，此时如果有瞬间的作用力作用在台面上，由于气室容积大，所以气室内的气压变化会较慢，空气弹簧阻尼变化较小，固有频率也基本保持不变，依然有较好的隔振性能。具体的现象是：台面容易被瞬间压下，但好的隔振平台能很快恢复到水平状态，见图11a。
而气室容积小、活塞面积大时，隔振效果会较差，瞬间作用力作用在台面上时，由于气室小，气室内的气压迅速增加（甚至有发生爆炸的可能），此时空气弹簧阻尼急剧上升，产生强烈反弹，台面不容易压下，而且很难恢复到静止状态，见图11b。

11b.小气室内部气压将急剧增大，产生强烈反弹

11a.大气室内部气压几乎不受影响，活塞能迅速被压下

图11. a.b大气室和小气室受压情况对比

表4.卓立汉光气浮平台

若外界基础振动频率ω ＜ 10Hz 时，建议采用气浮式隔振平台，举例来说：外界振动频率范围为3 ～ 7Hz 时，若希望TDp ＜ 1，即频率比ω/ωn ＞ ，那
么通过计算可知，隔振的光学平台固有频率ωn ＜ 2 ～ 5Hz 时，才会有隔振效果。卓立汉光可为您提供多种气浮式隔振平台，可参见表4。

其中ZVB 系列气浮平台的固有频率、振动传递率的曲线图可参考图12。

气浮平台的调整
对于气浮式平台，可把其简化为弹簧振子结构，由弹簧振子的回复力表达式：F=-kx 可知，当外界振动源或者负载发生变化时，为了保持较好的隔振效果，通常可以通过两个办法改善：

● 改变空气压力
改变空气压力，相当于改变了空气弹簧的弹性系数k，但工作气压可调整的范围较小（一般为3 ～ 7Kg），而且由于采用垂直增强隔离气室结构，空气压力的改变对于负载能力和隔振效果而言，并不是线性变化的，可能需要多次尝试，找到最佳隔振性能的空气压力状态，这在调整时需要注意。
● 改变空气弹簧的行程
当空气弹簧的弹性系数k 变化不大时，对弹力起决定性作用的，是空气弹簧的行程。但上面提到过，空气弹簧的行程较短，当外界振动源或负载频繁变化时，就需要有一个可进行高度调整的机构（参照图13），来使空气弹簧维持在一定的伸缩量，以维持最优的隔振效果。

图13. 气浮平台的高度调整机构

主动式隔振

我们上面讨论的阻尼式隔振平台和气浮式隔振平台，均是不考虑fd（作用于精密隔振系统的直接干扰）和u（作用于隔振系统的主动控制力）的情况（见式2 及图6），这种隔振系统我们称为被动隔振系统。

图14.主动隔振平台

当存在外力干扰fd 时，我们通常需要提供反向的主动控制力，以便让整套系统保持隔振状态。若fd 频繁变化，则需要有较高灵敏度的传感器, 以及精密型驱动装置（通常为压电式或磁致式）, 提供反方向的力或位移，这就是主动隔振系统的工作原理，产品照片见图14。
目前国内外一般较为成熟的隔振技术为被动隔振技术，但被动隔振技术对于隔离低频和超低频振动效果不理想。另外由于其特征值为定值，响应时间比较长，又缺乏灵活的控制算法，所以不适合高精度、快响应的振动控制要求。而主动隔振技术由于采取对振动系统实行闭环校正，在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，因而具有理想的隔振效果，正逐步应用于精密制造、测试与装配的高精密的隔振平台中。
卓立汉光具有多种主动隔振平台的解决方案，如果您需要主动式隔振平台，请您联系我们。