1.隔振原理

（1）振动和隔振

振动是宇宙普遍存在的一种现象，它指的是物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动，强弱由位移、速度或加速度衡量。振动干扰是无处不在的，它们可能来自各种不同的源头，并以不同的频率范围存在。以光学平台为例，振动干扰可能包括以下几个方面：地面传来的振动(0.1～10Hz)；台面仪器设备的运动干扰(10～500Hz)；声音的振动(小于20Hz)；室外街道交通的干扰(5～100Hz)；实验室人员的走动(1～3Hz)。在实际应用中，我们需要根据具体情况采取相应的措施来减少或消除振动干扰的影响。

隔振是一种有效的振动抑制方法，其核心思想是通过采用弹性元件、阻尼元件及其他元件，将振源与需要保护的对象（如精密仪器、设备等）隔离开来，以减小振源对隔振对象及其设备的干扰，确保隔振对象能够稳定运行或保持高精度测量。

（2）隔振分类

根据其实现方式的不同，隔振技术可以分为主动隔振（图1）和被动隔振（图2）。

图1 主动隔振

①主动隔振：一种通过向反方向施加力或振动来抵消原有振动的技术。它依赖于外部能源（如电力或气源）来驱动执行机构产生相反的振动，从而实现对振动的主动控制。主动隔振系统通常包括传感器、控制器和作动器三个主要部分。传感器负责监测设备的振动情况，控制器分析这些数据并生成指令，作动器则根据指令产生相反的振动来抵消原始振动。主动隔振的特点是响应速度快、适用范围广、性能稳定性优于被动隔振，适用于需要高性能和快速响应的场合（如精密仪器或高端设备中），但是需要外部能源，系统成本高，且需要定期维护和校准。

图2 被动隔振

②被动隔振：一种通过使用具有阻尼特性的材料或结构来吸收或反射振动能的技术。常见的被动隔振器包括橡胶隔振器、金属弹簧隔振器和空气弹簧隔振器等。这些隔振器通常由专门的材料制成，以提供良好的隔振效果。被动隔振的特点是无需外部能源，系统成本低、维护简单，但是响应速度相对较慢。因此被动隔振更适用于对成本敏感或对性能要求相对不高的场合。

（3）被动隔振原理

目前市场上的主流光学平台如阻尼隔振光学平台、气浮隔振光学平台和气浮摆杆是光学平台都采用了被动隔振技术，下面对被动隔振原理进行介绍。

典型的单自由度隔振系统的力学简化模型如图3所示。其中m为被隔振单元的重量，k为刚度系数，c为阻尼系数，x为被隔振对象的位移，x₁为振源位移。

图3 单自由度隔振系统的力学简化模型

上述系统的运动微分方程为：

系统固有频率为：

被隔振对象位移和振源位移的比值T（传递率）为：

其中λ为外界干扰频率和系统固有频率的比值，ξ为系统阻尼比，即

传递率曲线如图4所示，从图中可得出以下结论：

1）当0<λ<1时，传递率>1，无隔振效果，且λ越接近1，隔振效果越差；

2）当λ=1时，即外界干扰频率和系统固有频率相同，隔振效果最差，产生共振；

3）当1<λ<√2时，传递率>1，无隔振效果；

4）当λ=√2时，传递率=1，无隔振效果；

5）当λ>√2时，传递率<1，有隔振效果，且值越大，隔振效果越好。

图4 传递率曲线图

从图4的传递率曲线图可知，当系统的固有频率越低时，对隔振效果越有利。

2. 工作台面

LBTEK提供焊接式光学台面和蜂窝式光学台面，其中蜂窝式光学平台工作台面的内部结构如图5所示，其具有以下特性：

图5 光学平台台面内部结构示意图

• 材料选择：采用高强度430不锈钢板作为工作台面的主体材料，这种材料以其卓越的刚性和稳定性而著称，确保了平台在使用过程中能够承受各种负载而不易变形。
• 蜂窝式结构设计：工作台面采用创新的蜂窝式结构设计，该设计不仅有效减轻了台面的整体重量，还显著增强了结构的强度和刚性。蜂窝状单元能够均匀分布并传递负载，避免局部应力集中，从而延长了平台的使用寿命。
• 平整度与精度：工作台面经过精密加工和严格的质量控制，确保了极高的平面度和表面精度。这一特性对于需要进行高精度测量和操作的实验至关重要，因为它减少了因台面不平整而产生的误差。
• 易清洁与维护：不锈钢材质的工作台面具有良好的抗污性和易清洁性，能够轻松应对各种实验环境中可能产生的污渍和残留物。同时，其坚固耐用的特性也降低了长期维护的成本和难度。

3.三线摆式空气弹簧隔振

LBTEK提供阻尼隔振光学平台、气浮隔振光学平台和气浮摆杆隔振光学平台，其中气浮摆杆隔振光学平台的隔振效果是最佳的。

气浮摆杆隔振光学平台的支撑腿为三线摆式空气弹簧隔振圆腿，其组成结构如图6所示。

图6 三线摆式空气弹簧结构示意图

其中，各部分组件的作用和特点分别为：

①：进气方面引入了微米级层流阻尼元件，提高了阻尼性能与阻尼室气流之间形成更好的联系。这对于给定的活塞位移可以产生更高的阻尼力以获得更快、更有效的阻尼。

②：黑化装饰圈，保护了空气簿膜的使用安全性的同时，有效地防止灰尘进入内部。

③：一体式膜片保驴器，使得空气薄膜，更稳定、更均匀地工作。

④：高度调节装置±10mm。

⑤：安全防下落模块设计，保护阀体因平台下落受损，增加使用安全性。

⑥：气动元件采用进口品牌。

⑦：独特的混合腔设计可以极大增加给定包装尺寸下的柔性体积，同时大大降低了固有频率。

⑧：独特的三线摆设计消除了经常干扰高精度应用的摩擦，从而能够将振动隔离到更低的水平，并在受到干扰后实现高精度工作台重新定位。

在三线摆式空气弹簧隔振系统中，三线摆的摆动特性与气浮隔振的静压原理相结合，形成了一种高效的隔振机制。当外界振动作用于系统时，三线摆机构首先产生摆动以吸收和分散振动能量。同时，气浮隔振层通过提供稳定的支撑力和阻尼效果，进一步减少振动对负载的影响。这种组合方式使得三线摆式气浮隔振系统能够在多个方向上提供高精度的隔振效果，尤其适用于对低频振动敏感的高精度设备和仪器。

4.主要参数指标及检验方法

（1）光学平台平面度

平面度指被测实际表面相对其理想平面的变动量，是一个反映平面形状的指标。LBTEK提供的光学平台的平面度为0.05~0.10 mm/600×600 mm，一般采用标准大理石平面尺检测法对其进行检测，如图4所示。

（2）光学平台表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离很小(在1mm以下),用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响。 LBTEK提供的光学平台的表面粗糙度≤0.8μm，一般采用粗糙度仪检测法对其进行检测，如图5所示。

（3）光学平台固有频率

固有频率是物体在自由振动时，其位移随时间变化的频率。这种振动是物体在没有任何外部驱动力作用下的自然振动。对于光学平台而言，其固有频率主要取决于平台的物理特性，如质量分布、结构形状、材料刚度等。通常来说，固有频率越低，系统的隔振性能就越强。

此外，固有频率还分为垂直方向和水平方向。

垂直方向的固有频率：在光学平台中，垂直方向的固有频率尤为重要，因为它直接关系到平台对地面振动等外部干扰的隔离能力。较低的垂直固有频率意味着平台能够更有效地吸收和隔离来自地面的低频振动，从而提高实验的精度和稳定性。

水平方向的固有频率：虽然水平方向的固有频率对整体隔振性能的影响相对较小，但它仍然是评估平台性能的一个重要指标。水平方向的振动可能会影响平台上精密仪器的定位精度和测量稳定性。

LBTEK提供的气浮摆杆隔振光学平台的垂直固有频率为1.0~1.7Hz（与负载相关），水平固有频率为1.0~1.5Hz（与负载相关），一般采用锤击法对其进行检测：将低频速度传感器放置在光学平台上，用力锤向台面进行敲击，产生力锤激励信号和响应信号，通过传感器传到采集器然后进行传递函数分析得到固有频率，如图7所示。

图7 固有频率测试软件界面

图8和图9分别为LBTEK的AFST3015气浮摆杆隔振光学平台的固有频率实测数据，其中垂直固有频率为1.40625Hz，水平固有频率为1.25Hz。

图8 垂直固有频率测试曲线

图9 水平固有频率测试曲线