精密仪器环境振动测量和评价方法的研究

　　精密和超精密仪器设备对使用环境的振动要求比较苛刻,有些特殊精密仪器设备甚至提出了小于1μg(10-7m/s2)微振动控制量级的要求。近年来随着城市轨道交通网的兴建,地铁或城铁不可避免地会穿过各类精密仪器实验室区域,从而加剧了对实验室环境的污染,使高精密仪器出现信噪比低、数据不准、重复性变差、准确度下降、甚至不能正常工作等问题,因此环境振动(微振动)、电磁干扰(光缆和高压电缆等)等已成为影响精密仪器测量和控制精度的关键因素。其中由于环境振动对城市轨道交通沿线科研院所和大专院校实验室精密仪器设备使用和研发所造成的影响和危害,已成为国内外专家学者研究探讨的热点,并引起了社会各界和环保部门的高度关注。

　　开展振敏型精密仪器环境振动测量和评估方法的研究,可为制定相关国家校准规范/标准奠定技术基础,为国家高技术密集区环境保护及其立法提供支撑。

　　1　环境振动的振源和动态特性

　　国际上已正式将振动公害列为七大环境公害之一。所谓振动公害是指人类活动引起的交通车辆、地面、建(构)筑物等的振动对人的工作和生活环境以及身体健康的影响、对建(构)筑物安全的影响以及对精密仪器正常使用的影响等。

　　1·1　振源分析

　　环境振动是一种宽频带的随机振动,振幅一般为微米、亚微米量级,加速度在(10-5~10-7) g量级。由于高频振动在地层中衰减很快,因此地表所感受到的主要是低频振动信号。

　　环境振动的振源一般分为两类:自然振源和人工振源。外界环境振动主要通过建筑物支承结构或空气传递给实验室振敏精密仪器。它包括变压器、风机、压缩机等动力设备产生的稳态波振动;人员走动及城市轨道交通造成的非稳态随机振动;与精密仪器相连的压缩空气气源、油泵等辅助设备激励引起的稳态波或冲击波振动等人工振源;以及大地脉动、浪涌和风力引起的非稳态随机振动等自然界振源。环境振动的特点和振级不仅依赖于激励的大小,还依赖于土壤、基础、地板和建筑物其他结构部件所组成的动力系统对振动的滤波效果。

　　自然振源(大地脉动和风等)振幅通常为几十到几百纳米,地震之类通常振动频率在0. 1 Hz~30 Hz;风激振频率范围大多在0. 1 Hz~2 Hz。人工振源(城市轨道交通和动力设备等)振幅变化较大,振动频率在1Hz~150 Hz;建筑物基础自然频率一般大于10 Hz(与土壤特性相关);地面垂直向的自然频率通常为6 Hz~30Hz,水平向则更高些;实验室人员走动产生的振动频率一般在1Hz~3Hz范围内。因此一般认为精密仪器环境振动测量关注的频率范围为0. 1Hz~150Hz。