Опоры виброизоляции для оптических столов Thorlabs
Назначение опор виброизоляции – изолировать оптический стол от вибраций помещения и окружающей среды. Настоящая установка оптического стола требует системы крепления, которая решает две проблемы:
- Вибрации в помещении возникают на низких частотах; поэтому монтажная система должна иметь очень низкие вертикальные и горизонтальные резонансные частоты, чтобы функционировать как сейсмический изолятор;
- Движение стола должно быть демпфировано, чтобы подавить резонансный отклик оптического стола.
Пневматические рессоры для вертикальной изоляции
Самые простые и удачные оптические опоры стола имеют внутренние пневморессоры. Простая пневматическая рессора сконструирована путем размещения жесткого диска, который ограничен только вертикальным перемещением, поверх деформируемого воздушного резервуара. Когда тяжелый предмет помещается поверх жесткого диска, этот предмет изолируется от вибраций пола за счет расширения / сжатия воздушного резервуара.
Простая пневматическая рессора
Пневматические рессоры отличаются от обычных механических рессор тем, что они имеют очень маленькую жесткость пружины для заданного диапазона хода. В пневматической рессоре соотношение между восстанавливающей силой и отклонением зависит от формы и материала оболочки пневматической рессоры. Резонансная частота изолятора пневматической рессоры определяется выражением:
Здесь fn – резонансная частота колебаний, r – теплоемкость газа (воздуха) в пружине, A – площадь поршня, g – ускорение свободного падения, V – объем воздушной подушки (или цилиндра).
Из уравнения, можно сделать вывод, что жесткость пружины (и, следовательно, собственная резонансная частота массы, поддерживаемой рессорой) зависит от высоты рессоры (объема воздуха), но не зависит от нагрузки. Следовательно, если нагрузка изменяется, а давление регулируется для поддержания постоянной высоты, то резонансная частота остается постоянной. Это очень желательно для оптических столов, если резонансная частота опор оптического стола увеличивается с нагрузкой, а не с высотой рессоры, то частота, при которой оптический стол эффективно сейсмически изолирован, также увеличится. Кроме того, это позволяет проектировать опоры оптического стола с внутренним демпфирующим механизмом, который нацелен на резонанс опоры, независимо от поддерживаемой нагрузки.
Так как большинство оптических столов поддерживается четырьмя опорами для оптических столов, существует несколько режимов вертикальных колебаний (т. е. резонансных колебаний) стола на опорной системе. Эти режимы состоят из различных синфазных и противофазных комбинаций режимов вертикального резонанса отдельных опор оптического стола. Эти линейные комбинации не только влияют на вертикальное движение поверхности, но также приводят к наклону и крену поверхности. Частоты мод колебаний оптического стола близки к резонансной частоте вертикальных колебаний отдельной опоры. В результате моды колебаний, охватывающие всю поверхность оптического стола, могут подавляться любым механизмом в опоре, предназначенным для демпфирования на резонансной частоте опоры.
Выбор системы изоляции
Thorlabs предлагает три вида опор для оптических столов: жесткие, пассивные и активные. Все три разновидности опор для оптических столов доступны на складе в двух вариантах высоты: 600 мм (24 дюйма) для использования с оптическим столом толщиной 310 мм (12.2 дюйма) и 700 мм (28 дюймов) для использования с оптическим столом толщиной 210 мм (8.3 дюйма). Кроме того, доступны жесткие и активные опоры высотой 450 мм (17.7 дюйма) для использования с оптическими столами толщиной 460 мм (18.1 дюйма). По запросу также доступны опоры специальной высоты для оптических столов.
Простая конструкция пневматической рессоры, описанная ранее, более чем подходит для использования в среде с более низкой вибрацией или для менее чувствительных экспериментов; они также значительно лучше жестких опорных систем, таких как стальные опоры. Однако непосредственно не рассматриваются три вопроса. (1) Не предпринимается попыток увеличить степень демпфирования сверх той, которая обеспечивается вязкоупругим демпфированием, достигаемым за счет деформации стенок воздушной подушки. В результате пик вибрации на резонансной частоте может быть довольно большим. (2) В конструкции активно не решается вопрос горизонтальной изоляции, и стол может раскачиваться на ножках. (3) Вертикальная резонансная частота зависит от характера и формы связи между столом и воздушными подушками, но обычно находится в диапазоне от 3 до 5 Гц.
Горизонтальные колебания окружающей среды, как правило, возникают на более низких частотах, чем вертикальные колебания пола (от 1 до 20 Гц по сравнению с 10 – 50 Гц), и поэтому их труднее изолировать. Однако, если лаборатория не расположена на верхнем этаже высокого здания, горизонтальные движения пола, как правило, будут намного меньше, чем вертикальные колебания. Простая конструкция пневматической рессоры не имеет механизма самовыравнивания и автоматической регулировки высоты. Поэтому, если на столешницу поместят большой груз, она будет немного опускаться. Кроме того, если этот груз размещен не по центру, столешница больше не будет выровнена. Поэтому, прежде чем выбирать систему изоляции, подумайте о жесткости окружающей среды, в которой находится стол, и о том, какой тип вибрации можно ожидать.
Жесткие опоры для оптических столов
Жесткие опоры для оптических столов используются в основном в тех случаях, когда окружающая среда и / или приложения не требуют изоляции оптического стола от вибраций. Оптический стол используется, поскольку он обеспечивает жесткую плоскую поверхность для построения приложения.
Особенности:
- Отличная горизонтальная и вертикальная устойчивость;
- Высокая грузоподъемность;
- Регулировка уровня на каждой опоре.
Описание жестких опор для оптических столов
Пассивные опоры для оптических столов
Пассивные опоры оптического стола в основном используются, когда оптический стол находится в среде с минимальными вибрациями. Деформируемый воздушный резервуар в опоре используется для изоляции оптического стола от вибраций пола с частотой от 10 до 50 Гц. Коэффициент передачи при >10 Гц ниже 0.3, что является значительным улучшением по сравнению с характеристиками изоляторов с резиновой или неопреновой прокладкой.
Особенности:
- Простая и эффективная изоляция от вертикальной вибрации;
- Отличная горизонтальная и вертикальная устойчивость;
- Легко создавать давление (нет необходимости в постоянном источнике сжатого воздуха).
Описание пассивных опор для оптических столов
Каждый изолятор состоит из цилиндрического воздушного резервуара из армированной резины, установленного в верхней части цилиндрической стальной стойки. Давление изолятора можно регулировать, увеличивая или уменьшая давление в воздушном резервуаре с помощью стандартного клапана Шредера на стороне каждого изолятора. Пассивная опора оптического стола сконструирована таким образом, что цилиндрическая стальная ножка будет поддерживать оптический стол, когда резервуар для воздуха не надут должным образом. Оптический стол можно выровнять, регулируя давление в каждом воздушном резервуаре.
Активные опоры для оптических столов
Активные опоры оптического стола, для которых требуется постоянная подача сжатого газа, следует использовать для чувствительных к вибрации приложений и когда оптический стол находится в среде со значительными вибрациями. Например, если эксперимент проводится на верхнем этаже, здание может раскачиваться, вызывая как вертикальные, так и горизонтальные колебания. В отличие от жестких и пассивных оптических опор стола, описанных выше, активная оптическая опора включает в себя горизонтальный демпфирующий механизм. Кроме того, активные опоры оптического стола имеют функцию самовыравнивания. Эти отдельно стоящие опоры большого диаметра обеспечивают безопасное и устойчивое основание без необходимости использования анкерных стержней, которые могут вносить дополнительные резонансы в опорную конструкцию. Низкая вертикальная и горизонтальная проницаемость этих изоляторов приводит к минимально возможному относительному перемещению поверхности стола.
Особенности:
- Превосходная изоляция от вертикальной и горизонтальной вибрации;
- Отличная горизонтальная и вертикальная устойчивость;
- Самовыравнивание.
Описание активных опор для оптических столов
Вертикальное демпфирование достигается за счет использования двухкамерной амортизирующей пневматической рессоры. Стол поддерживается давлением воздуха в этих камерах. Поршень, контактирующий с нижней частью оптического стола, уплотняется с верхней камерой под давлением с помощью подвижной резиновой диафрагмы, которая позволяет перемещать поршень в вертикальном направлении практически без трения, предотвращая при этом горизонтальное смещение поршня. Движение пола или поверхности стола заставляет воздух течь из одной камеры в другую через заслонку с высоким сопротивлением. Эта конструкция снижает точку передачи 0.3 до <3 Гц. Это ограничение воздушного потока между двумя камерами гасит колебательные движения между полом и столом, значительно сокращая время стабилизации. Объемное соотношение камер было оптимизировано для получения хорошо демпфированной опоры оптического стола с низкой резонансной частотой.
Простой метод установки оптического стола, который позволяет гасить горизонтальные колебания – это позволить опоре оптического стола двигаться маятниковым движением. Резонансная частота маятника не зависит от массы и определяется выражением
Здесь fn – резонансная частота колебаний, g – ускорение свободного падения, l – длина маятника. Активные изоляторы Thorlabs гасят горизонтальные колебания, поддерживая пневматический вертикальный изолятор на трехфилярной системе подвески. В этой маятниковой конструкции сила тяжести используется для создания восстанавливающей силы после горизонтального смещения. Горизонтальные колебания на резонансной частоте системы подавляются за счет соединения основания вертикального изолятора с внешним цилиндром с помощью безмасляного демпфера.
Активные опоры оптического стола подключаются к источнику газа с постоянным давлением через трехходовой клапан, который регулирует давление газа в опорах для самовыравнивания оптического стола. Важно помнить, что давление в воздушной камере определяет высоту оптического стола, когда он находится в состоянии покоя. Система вернется после отклонения в пределах ± 0.25 мм (0.01 дюйма) от исходного горизонтального положения. Клапаны также автоматически компенсируют любые изменения в распределении нагрузки на столешницу. Кроме того, эта система позволяет регулировать высоту стола в диапазоне 18 мм (0.7 дюйма) и может использоваться для компенсации неровностей пола. Если удалить постоянный источник сжатого газа, оптический стол будет опускаться до тех пор, пока он не будет надежно опираться на опоры оптического стола. На этом этапе, хотя изолирующие свойства опор отключены, оптический стол по-прежнему будет надежно и стабильно поддерживаться.
Ограничители сейсмической активности
Для зон, подверженных сильной сейсмической активности, существуют сейсмостойкие опоры в качестве дополнительных опор для защиты оптического стола и основных опор. Опоры, спроектированные таким образом, чтобы быть минимально инвазивными, они должны быть установлены на нижней стороне стола и подходящем полу и не будут влиять на изоляцию, обеспечиваемую основными опорами. Эти опоры обеспечивают жесткую защиту от бокового ускорения, предотвращая перемещение стола.
Ограничители сейсмической активности
Нестабильность и колебания
Системы с высоким центром тяжести могут испытывать проблемы со стабильностью при опоре на пневматические изоляторы, особенно когда столешница узкая и / или толстая. Высокий центр тяжести в сочетании с узким расстоянием между изоляторами может вызвать статическую нестабильность, и стол может медленно качаться назад и вперед вокруг оси, находящейся посередине между двумя изоляторами. Кроме того, в системе выравнивания может наблюдаться динамическая нестабильность, из-за которой стол быстро раскачивается из стороны в сторону.
Статическая нестабильность
Большинство настольных систем имеют центр тяжести, находящийся над высотой диафрагм, и узкие изоляторы на обоих концах стола. Любое нарушение поверхности стола заставляет центр тяжести отойти от центральной оси между изоляторами, а вес стола и оборудования способствует этому боковому движению, вызывая дальнейший наклон стола.
Более жесткие изоляторы обеспечивают большую устойчивость, так как их опрокидывающему действию препятствует жесткость изоляторов. Однако, более мягкие изоляторы более эффективны для устранения вибрации. Следовательно, необходимо найти компромисс между изоляцией и стабильностью.
Принято считать, что во избежание нестабильности и колебаний из-за чрезмерного раскачивания центра тяжести, в том числе стол, должен находиться внутри пирамиды.
Центр тяжести системы
Статическая нестабильность не зависит от давления воздуха в системе или (для активных систем) регулировки клапанов выравнивания. Если оптический стол нестабилен, единственное решение – либо снизить центр тяжести, купив полки для принадлежностей и переместив оборудование под поверхность стола, либо увеличить расстояние между опорами оптического стола.
Динамическая нестабильность
В активной системе изоляции высота стола регулируется регулирующими клапанами, которые увеличивают или уменьшают давление воздуха в опорном резервуаре оптического стола. Если давление регулируется слишком быстро, оптический стол будет колебаться. Эти колебания можно устранить, уменьшив поток воздуха к опорам оптического стола и от них.
