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主动隔振技术和MinusK负刚度隔振技术的区别总结

作者: 时间:2021-01-22

        现在的仪器越来越精密,也越来越容易受到外界的影响,隔振技术应运而生,现在最常用的是负刚度隔振技术或者主动隔振技术,本文将对比这两项技术的优劣点,不香看对比过程的可以直接看底部的对比总结


本文介绍了负刚度隔振技术与主动隔振技术的区别。从隔震范围的方面看,主动隔震系统对于太大或者太小的振动范围表现不如MinusK负刚度隔振技术,主动隔震系统的本身会发出振动,负刚度隔振器不会,主动隔离系统需要在非常稳固的结构上才能发挥最佳性能,负刚度隔振器不需要依靠稳固的结构也可以工作。


在现代研究和制造的许多行业中,对纳米精度的需求变得越来越重要,这些需求引起了人们对微电子,激光/光学系统的应用和生物学研究。这也意味着也需要振动隔离技术,以更好地促进敏感仪器的操作,例如原子力显微镜,扫描隧道显微镜,激光干涉仪和光学轮廓仪。

气动或空气加压的振动隔离方式曾经是稳定学术界和工业界最关键的微引擎仪器的主要隔震手段,但如今在隔离低频破坏性振动方面却表现不理想。在建筑物中将敏感的仪器放置在承受极高振动水平的位置上的趋势正在增长,这是气动隔振台的很难解决的,这意味着需要替代的隔振解决方案。


振动源主要来自:

纳米级仪器对由多种因素引起的极小的振动频率相当敏感。每个结构(建筑物)都会从内部和外部源传递振动。在建筑物,加热和通风系统中,风扇,通道和电梯只是产生振动的一些机械设备。在建筑物外部,邻近的道路交通,附近的建筑物,室外的飞机甚至和下雨的天气情况都会产生振动。对仪器的影响程度取决于仪器在建筑物中的位置以及与振动源的距离。


先进的纳米振动隔离|负刚度隔离器原理图↑


主动振动隔离技术:

在过去的25年中,主动振动隔离(也称为电子力消除)和负刚度振动隔离(也称为作为被动隔振)这两种隔震技术受到人们的关注,这些技术让纳米级的仪器可以更好地工作

主动和负刚度隔振都是为需要生产或测量小于微米结构的应用而独特配置的。这些技术提供的功能通常是气动隔振台无法实现的。


主动隔震技术介绍:

主动隔振系统已经使用了半个多世纪,由于更先进更敏感的电子设备和控制器的出现,在1990年代中期开始广泛用于精密仪器的应用。


这些隔震系统的简单原理是使用电子设备感应振动的轨迹,然后施加校正力以抵消振动。它们采用传感器,控制器和执行器的组合,这些传感器和执行器通过算法指导来行动。传感器检测沿XYZ轴的振动,并将此信息发送到控制器,然后控制器将信号发送到执行器以减少振动。

主动隔振系统使用反馈控制,但也可以使用前馈控制来衰减振动。反馈主动控制系统连续监测其控制的平台,并根据检索到的振动数据修改其输出。具体地说,它测量引起振动的力,并向传感器发送校正信号以减小振动。

前馈主动控制系统有类似人类学习的功能,对于经常隔震的环境会逐渐适应,然后预先的做出以抵消外界振动的行为。

负刚度隔振器水平力示意图↓


负刚度隔离技术介绍:

负刚度隔振器于1990年代中期问世,在对隔震有苛刻要求的应用中广受好评,这主要是因为它们能够有效地隔离垂直和水平方向的低频振动。

这些隔离器的工作方式与主动隔振系统完全不同,它是被动的机械模式运行,不需要使用空气或电力,因此不需要使用电子,电机或泵。

负刚度隔振机制组合可以通过刚性弹簧支撑负重来隔离垂直的振动源,在不影响弹簧静态载荷支撑能力的情况下使其垂直振动力变低,与垂直运动隔离器串联的梁柱可提供水平运动隔离。梁柱的作用类似于结合负刚度机制的刚性弹簧。


负刚度隔振器具有很高的性能,数据来源于振动传递曲线。振动传递率是相对于输入振动通过隔离器传递的振动的量度。

负刚度隔振器通常在0.5 Hz时开始产生共振。大多数建筑物带来的震源在该振动频率内几乎没有影响。在0.5 Hz内很少会有明显的振动源。频率高于0.7 Hz的振动会随着频率的增加而迅速衰减。调整为0.5 Hz时。负刚度隔振器在2 Hz时达到大约93%的隔离效率,在5 Hz时达到99%的隔离效率,在10 Hz时达到99.7%的隔离效率。

负刚度隔振器的水平固有频率为0.51.5 Hz(取决于型号),而垂直固有频率为0.5 Hz。当不需要较低的谐振频率时,它们具有定制定制较高谐振频率的灵活性。


负刚度隔振垂直力示意图↓


主动隔震系统和负刚度隔振的对比:

主动隔振系统和负刚度隔振器都具有操作特性和功能,这可能会使其中一种更适合于其他应用。以下是要考虑的一些其他比较。

隔震范围的对比:

主动隔振系统的能力范围有限。它会通过记忆来适应太大或太小的振动输入。太大的振动会导致系统进入正反馈状态,并且甚至可能不会检测到小的振动。

负刚度隔振器具有显着的动态范围,它在整个频谱的大部分范围内都具有较高的隔离度。根据型号,它可以处理从零到大约+/- 0.1 in。或更大的振幅的振动。

负刚度隔振器可以放在任何常规的实验室工作台上,而不会影响其隔振能力。

 

自身组件噪声的对比:

有源隔振系统会受反馈回路中每个组件的噪声影响。这包括传感器,控制器,执行器,放大器等。这限制了主动隔振系统在低振动环境中的运行能力,最终限制了其可以提供的隔离度。

负刚度隔振器不使用任何上述部件,因此不受相同限制。

电缆的对比:

主动隔振系统可以帮助通过异常坚硬的电缆来进行振动。处理电缆始终很重要。大多数电缆,如果运行得当,不会因传递振动而引起问题,但有时电缆会很硬或不能灵活地运行。负刚度隔振器可能有助于去除某些的振动。

 

调整有效负载的对比:

主动隔振系统在打开时会自动执行大部分有效负载调整。负刚度隔离器需要在有效载荷发生变化时进行简单的手动调整。

 

位置的灵活性:

主动隔离系统必须在非常牢固的结构上才能发挥其理论最佳性能。例如,如果将其使用在100磅轻型实验室工作台上的250磅仪器上,则可能会出现隔离振动的问题。主动隔振系统通过对有效载荷施加力来尝试使振动最小化。当有效载荷的重量超过工作台的重量和/或工作台的刚性不是很高时,工作台将在施加校正力时移动。这可能会导致性能下降。

负刚度隔振器可以放在任何常规的实验室工作台上,而不会影响其隔振能力。对于垂直和水平矢量中的低赫兹振动,它提供了很高的隔离效率,使敏感的仪器可以放置在生产设施或实验室的任何地方,无论是在地下室还是在六层高的楼里。

      

对比总结:负刚度隔振技术结构简单,使用方便。就隔震范围而言,主动隔震系统对于太大或者太小的振动范围表现不如MinusK负刚度隔振器,主动隔震系统的本身会发出振动,负刚度隔振器不会,主动隔离系统需要在非常稳固的结构上才能发挥最佳性能,负刚度隔振器不需要依靠稳固的结构也可以工作,负刚度在低频振动是超越主动隔振系统,在高频的振动需要使用不同型号的负刚度隔振器才能达到最佳效果。而主动隔震系统要看实际使用环境。







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