宽频带超低频标准振动台的研究

　　引言

　　中国地震局工程力学研究所研制的国内第一台超低频振动标准装置, 1988年通过部级鉴定, 1989年经国家计量考核认证,正式作为检定标准使用后,至今已为社会服务20年。2007年,财政部资助,对实验室进行了技术升级改造,配套仪器全部升级换代,核心设备低频标准振动台和激光测振仪,在总结20年使用维护经验的基础上,采用所内外最新研究成果,进行了重新研制。以下介绍超低频标准振动台的研制情况。首先,加大了振动台的台面,垂直台由原φ220 mm,加大为φ258 mm,水平台由原200 mm×300 mm加大为240mm×300 mm;其次,加大了行程(波峰-波峰,即p-p),垂直振动台由原20 mm(p-p)加大为80 mm(p-p),水平台由原80 mm(p-p)加大为150 mm(p-p)。此外在结构上、控制技术上也进行了重大改进。低频标准振动台包括水平台、垂直台、功率放大器,为了改善振动台性能,将振动台台面的运动信号用传感器转换为电信号,通过伺服控制器反馈回功率放大器的输入端,形成闭环系统。

　　1　振动台的结构

　　垂直振动台的结构见图1(a)。它是由底座、激振器、空气导轨、台面动圈及内装位移传感器和内装加速度传感器组成。台面无机械弹簧,其台面的定位及支承由“自动控制电磁弹簧”来完成。功率放大器输出至动圈的交流电流与激振器气隙磁场相互作用产生运动。

　　水平振动台的结构见图1(b)。它是由底座、激振器、水平滑台、空气导轨、台面动圈及内装位移传感器和内装加速度传感器组成。台面定位也由“自动控制电磁弹簧”来完成。

　　采用这种单轨结构,对高频性能的影响是必须考虑的问题,这表现在2个方面, 1是动圈—动圈架—滑台的轴向谐振会影响高频使用频率,一般在轴向谐振频率的1/3频率点,加速度波失真就会超出国际标准限定的指标, 2是这种结构极不对称,可能会造成振动台的横向振动分量大,特别是动圈—动圈架—滑台的径向谐振频率点处,横向振动分量会超标。恰当的设计会使其轴向、径向谐振频率都比较适当。垂直台轴向谐振频率是1. 8kHz,水平台为800Hz,而水平台台面中心漏磁为0. 1mT,垂直台为0. 15mT。使振动台的使用频率比原振动台高,振动台(以水平台为例)实测的横向振动分量列于表1:

　　原水平振动台台面及动圈有两个压缩空气导轨支撑,调整、维护十分麻烦,新水平台大胆采用单空气导轨(图1),但这样一来,滑台、动圈架及动圈构成了一个悬臂梁,由于滑台上的漏磁密度必须小于0. 03 mT(最好小于0. 01 mT),所以动圈架要足够长,台面位移越大,动圈架越长,这使得由滑台、动圈架、动圈构成的可动部分的重心发生偏移,台面向磁缸方向有较大位移时,空气导轨支撑力不够,因而引起摩擦,为了妥善解决这个问题,加大位移,提出了一种技术,并申报了专利[4]。应用这种技术,我们曾研制出位移80 mm(p-p)的振动台,在此项目中,进一步改进做到了150 mm(p-p)。