從被動到主動，精密儀器微振動如何有效隔離？

減振技術(shù)作為振動控制的重要應(yīng)用之一，其主要目的是抑制振動的傳遞，按照減振方式是否有外部能量的輸入分為被動減振和主動減振。

被動減振技術(shù)不需要從外界攝入任何的能量，只需要依靠被動減振元件例如彈簧、空氣彈簧、橡膠等就能實現(xiàn)對振動的隔離。

被動減振操控方便、耐用性強，是應(yīng)用最廣泛的減振方式，而對于一些精密儀器設(shè)備的低頻減振，例如透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡(SEM)、成像設(shè)備、車載光電瞄準平臺、光刻機、航天器等精密設(shè)備則需要用到主動減振系統(tǒng)。


主動減振是近些年隨著控制技術(shù)、致動器和傳感器的發(fā)展興起的新的振動隔離方式。隨著控制理論、集成電路、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等領(lǐng)域的技術(shù)進步，主動減振進入蓬勃發(fā)展階段，并在航空、航天、土木工程、機械工程、船舶、汽車等多個領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果。



相對于被動減振，主動減振在低頻振動的隔離方面具有明顯的優(yōu)勢，因此主動減振技術(shù)多用于航空航天、超精密加工、精密檢測、光學(xué)實驗等對基座穩(wěn)定性要求較高的場合。



主動減振技術(shù)原理

主動減振系統(tǒng)通常包括有受控系統(tǒng)、控制器、驅(qū)動器、傳感器等幾個常見的部分組成。

外界振動干擾作用在受控系統(tǒng)中，受控系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)的系統(tǒng)輸出，而傳感器檢測到輸出量，將輸出量傳輸?shù)娇刂破鳎刂破鞲鶕?jù)此輸出響應(yīng)和相應(yīng)的控制策略，運算得到所需的控制信號，并且將控制信號傳輸?shù)津?qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制信號產(chǎn)生相應(yīng)的電流或者電壓信號用以驅(qū)動主動執(zhí)行器，從而調(diào)整系統(tǒng)的包括剛度、阻尼在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，并且依次不斷循環(huán)，動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)主動減振。




主動減振系統(tǒng)需要不停地從外界攝入能量，通過采用合適的控制算法，系統(tǒng)的減振帶寬可以得到一定的拓寬，因此可以在包括低頻段和高頻段在內(nèi)的很寬的頻帶內(nèi)都獲得優(yōu)良的減振性能。

下圖所示的就是主動減振系統(tǒng)形式。主動減振系統(tǒng)通過振動傳感器采集振動狀態(tài)信息，然后反饋給控制器，控制器根據(jù)反饋運算得到控制信號，對主動執(zhí)行器進行控制，從而實現(xiàn)對振動的隔離。

振動信號根據(jù)不同的傳感器類型以及應(yīng)用場景，可以測量振動的位移、速度、加速度等信號。其中一種反饋方式，就是反饋負載平臺的振動信號，如下圖（a）所示。


另一種則是同時測量負載平臺和基礎(chǔ)的振動信號，前者用于反饋控制，后者則用于前饋控制，即如下圖（b）所示。



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結(jié)論與前景

主動減振的思想就是根據(jù)系統(tǒng)的振動狀態(tài)信息，給負載平臺提供一個相反方向的加速度或者驅(qū)動力，以抵消負載平臺的振動。

主動減振技術(shù)的優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)快、減振帶寬高、性能穩(wěn)定且優(yōu)秀?，F(xiàn)如今，國內(nèi)外一些主流的減振產(chǎn)品生產(chǎn)商都把研發(fā)制造的重點置于主動減振單元或者設(shè)備上。