精密隔振平台主动阻尼系统的低频微振动测量研究

　　1　引　　言

　　在光学、生物医药、固体材料和精密武器等研究和生产领域中,精密气垫式隔振平台是一关键隔振装备,以消除基础振动对精密设备的影响[1]。气垫式隔振属于被动型隔振技术。由于气动隔振系统的支承结构受物理上的限制,其基础到台面的传递函数在低频段(0.5～5.0Hz)存在谐振峰,因此传统的气垫式隔振技术难以满足高稳定度设备的隔振要求。精密气垫式隔　振平台的主动阻尼是一项新技术,它有效抑制了上述谐振现象。在国内,该主动阻尼技术研究也已开始,它对提升国家生产和科研基础装备的技术水平很有意义[2]。实现上述主动阻尼,其关键技术之一是隔振平台低频微振动的测量。作者在实践过程中对此作了深入研究。通常,基础振动对气垫式隔振平台上的被隔振设备影响主要表现为z向位移、θx向和θy向角位移,见图1。主动阻尼的目的就是抑制隔振平台在上述z、θx和θy三个自由度上的谐振现象,改善隔振系统的低频段隔振性能[3]。

　　图2表示了气垫式隔振平台主动阻尼系统中台面垂直单自由度振动测量及其控制过程的示意图。台面振动信号测量部分由压电加速度传感器和电荷变换单元组成。选用压电式传感器主要考虑其信号相位滞后小[4]。由于气垫对基础振动的低通滤波作用,因此在高频段上台面的z、θx和θy三个自由度振幅衰减良好,但在低频段上并未衰减甚至放大,见图10中实测传递函数(虚线部分)。根据实测,在厂房四楼(约高12m)楼板为基础的条件下,传统的气垫式隔振平台[1.2(x)×0.8(y)m2]台面垂直随机振动速度自谱能量主要集中在10Hz以下的频带内,见图3。数据分析表明,图中速度自谱的两个峰点反映了θy和θx向自由度上摆动角速度最大,摆动频率分别为1.46Hz和3.42Hz;时域中,台面垂直随机振动加速度信号的包络约(1.7～7.0)×10-3m·s-2。

        对于上述低频、微幅振动物理量的测量,除了采用低频型压电传感器外,对电荷变换单元设计提出了特殊要求:

　　(1)(超)低频特性,频带约0.5～10Hz;

　　(2)信号微弱,平台台面振动加速度为10-3m·s-2数量级。

　　2　低频电荷变换电路分析

　　根据工作原理,压电传感器可等效为一个自身电容Ca和一个电荷源q的并联电路。而电荷变换单元实际是一个具有深度容性Cf负反馈的高增益运算放大器。图4为一理想的压电传感器非平衡式电荷变换电路模型。

　　上述模型忽略了许多实际因素。考虑实际因素时,电荷变换单元的低频交流等效如图5所示。图中Ca、Ra为传感器的自身电容和绝缘电阻,Cc、Rc为连接电缆的分布电容和绝缘电阻,Ci、Cf为放大器的输入电容和反馈电容,rid和ro分别为放大器的交流差模输入和交流输出电阻,Rf为直流偏置电阻,A为放大器的开环增益。