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                实验中环境噪音的控制方案

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                内容节点
                概述
                实验/设备条件
                样品提取
                实验/操作方法
                实验结果/结论
                仪器/耗材清单

                【概述】


                30多年来,TMC一直致力于为精密测量实验室和工业提供?精密工作台面和隔振系统。为了提供更好的性能,精密“台面”及其配套隔离器的设计必须解决核心问题:环境噪音的控制。


                【实验/设备条件】

                QQ截图20210826084849.jpg


                有三个主要的振动源(噪音):地面振动,声学噪音,和“直接力”干扰。地面振动或地震振动存在于世界上所?有的环境中。这种噪音有各种各样的来源,从海浪冲击海岸线,大地板块的?持续磨擦,风吹动树木和建筑物,到人为的来源,如机器,暖通空调系?统,街道交通,甚至是行走的人。TMC隔振系统旨在将这些振源的影响降到低。

                 

                        噪音来自许多相同的?来源,但通过空气压力波传输到有效载荷。这些直接在有效载荷上产生影响。即使是亚?音速声波也可以通过在气动?减振器的膜片上产生气压差来干扰有效载荷。附近的暖通空调?通风口产生的气流也会产生“声学”噪音。TMC为OEM应用生产隔音罩,通过在整个有效?载荷上提供一个几乎密封、重量足够、吸收?能量的隔音罩,从而保护有效载荷免受这种类型的干扰。

                QQ截图20210826084920.jpg

                声学噪音可以测量,但它对有效?载荷的影响取决于许多难以估计的因素(如有效载荷?的声学横截面)。对这类噪音源的分析超出?了本讨论的范围。*一般而言,50Hz以上的振动主要为声学噪音。

                 

                        第三个振动源是直接施加在载荷上的力。这些可以是直接机械?耦合的形式,如振动通过软管传输到有效载荷,或激光水冷却线。它?们也可以来自有效载荷本身。以半导体检测设备为例,移动载物台是用来定位硅片。用于使载台加速?的力也以反作用力的形式作用于有效载荷的“静态”部分。移动载物台也改变了有效载荷的整体质量ZX(COM)。通过TMC的MaxDampr系列?隔振器?,可以被动地减少这些振动源,也可以主动地使用反馈或前馈技术。有效载荷产生?的噪音源通常是众所周知的性质,不需要任何测量来描述。


                通过有?效载荷设计,可以ZD限度地减小振动对载荷的影响。TMC提供了多种蜂窝状?光学平台,面包板和平台。这些可适用于标准和定制的形状与尺寸。通过具有高共振频率和特殊的阻尼特性,来降?低环境噪音的影响(有关气动减振器的更多信息)。

                1.1 测试噪音

                        地震(地面)噪音通常不能事先知道,必须?进行测量。地震噪音源有两种:周期性或相干噪音,及随机或非相干噪音?。一种方法需?要使用振幅谱,而第二种方法使用振幅谱密度进行分析。为了确定有效载荷的预期振动?水平,这些必须与支撑它的隔离系统的振动传递?函数相结合。

                1.1.1 周期性噪音

                     周期性噪音通常来自旋转机械。到目前为止,最常见的例子是暖通空?调系统中使用的大风扇。这些风扇以恒定的速率?旋转,可以产生连续的?单频振动(有时也会产生几个谐波频率)。另一个常见的来源是空气压缩机。压缩器应该?被认为是周期性的、相干的噪音源,尽管它们是非平稳的,这意味着?测量结果会根据噪音源是否是有源的而变化。所有周期噪音?源,不论其是否平稳,均应采用振幅谱测量法进行测?量。

                     振幅谱测量?是从传感器测量噪音中,由采取傅里叶变换的数据收集。最常见的传感器是加速度计,它将产生一个以加?速度为单位的频率函?数的频谱。加速度计很受欢迎,因为它们有一个“平”频响,而随机的地面噪音在加速度上通?常是相当“平”的(见下文第1.2.2节)。振幅频谱也可以表示为速度或位置振幅作为频率的函数。大多数频谱分析仪使用快速傅里叶变换,或FFT。FFT分析仪在输入数据中找出每个频率的振幅并?绘制它。这包括任何周期性噪音源的振幅和频率。使用振幅谱测量周期性噪音源的振幅与数据记录的长度无?关。

                1.1.2 随机噪音

                     随机或非相干噪音,是使用振幅谱密度来测量的。区别在于,在分?析仪显示之前,振幅谱(上图)乘以数据记录长度的平方根。结果是一条曲线,它以[单位]/√Hz为单位测量随机噪音,其中[单位]可以是加?速度、速度或位置。这种对测量带宽的归一化确保了测量的噪音电平独?立于数据记录的长度。**例如,如果不进行这种校正,如果?数据记录的长度增加了100倍,随机噪音的水平就会减少10倍。请注意,当使用谱密度时,周期性噪音源的振?幅会随着数据记录变长而增大。随机的地面噪音水平变化很大,但一个“平均”地点的噪音可?能在0.5μg/√Hz 之间,在1到几百Hz之间。随机噪音也可?以是非平稳的。例如,暴风雨天气会显著增加随机地震噪音的水平。图1显示楼?宇常见的噪音声级。

                图片1.png

                1.1.3 测量有效值

                    由于大多数地点既有随机的噪?音源又有周期性的噪音源,因此?通常需要提出一个单一的数字来描述噪音水平。这通常是通过在?指定的频率范围内引用一个RMS(均方根)噪音水平来实现的。幸运的是,通过在特定的频率范围内对功率谱密度或PSD进行积分,这是?很容易做到的。PSD是振幅谱密度的平方。这给出了如下表达式:频率f1和f2之间的均?方根运动

                图片2.png

                该公?式在考虑了周期性噪音源和随机噪音源的情况下,正确地计算了测量值的均?方根值。大多数频谱分析仪能够执行这种集成作为一个?内置的功能。任?何单一周期源对这个均方根值的贡献都可以用?振幅谱(而不是振幅密度)和?峰值除以/ √2来测量。几个峰的贡献可以通过正交相加来合并。均方根值有时也表示为“1/3倍频程图”,其中1/3倍频程频率箱计算?的均方根值的直方图显示为频率的函数。八音度是频率的两倍。

                 

                1.1.4 描述光电隔离器?

                    载荷上的噪音?水平可以通过测量上面所述的地面噪音来预测,然后将这些频谱?乘以隔离系统的传递函数。传递函数是一个无量纲乘法器,指定为频率的函数,通常被称为隔离器?的传递率。它通常被绘制成桌面运动与地面运动的比率作为频率的函数。通?常用分贝(dB)来表示传输率:

                图片3.png

                在实践中,对隔离系统传递函数的测量可能会被作?用在有效载荷上的其他噪音源所干扰(如声学噪音?)。这是许多测量传递函数有噪音的主要原因。为了提高传?递率测量的质量,可以使用“振动台”。然而,这是危险的,因为它可能会在低振动水平上影响系?统的性能。气动隔离器的传递函数将在2.0节中讨论。

                 

                *参见Cyril M. Harris, Ed,冲击和振?动手册,Third Ed(McGraw-Hill公司,1987)

                **其他正?常化经常适用,如修正“数据窗口”,这超出了本文的范?围。参见“信号分析的基本原理”,应用?说明编号243。惠普公司。

                ***经Colin Gordon协会许可转载。VCA-VCE指振动敏感工具和仪器的公认标准。显示的电平?是1/3倍频带ZX频率测量的?均方根值。

                 

                关于TMC

                      TMC为纳米技术设计和制造先进的建筑地面隔振系统?。TMC隔离器支持超精?密测量、仪器和制造。我们继续领先?于行业先进的主动、惯性振动消除系统,具?有压电驱动器和数字控制器。我们的无源产品范?围从简单的、桌面隔?离显微镜底座,到几乎任何尺寸的光学表系统。
                      TMC产品?让光子学?、半导体制造、生命科学、药物发现和纳米技术等领域的超精密研究、测量和制?造成为可能。

                 

                森泉?光电为TMC中区总代理。

                森泉为您的科研事?业添砖加瓦:

                1)  激光控制:激光?电流源、激光器温控器、激光器控制??、伺服设备与系统等等

                2)  探测器:光电探测?器、单光?子计数器、单光子探测?器、CCD、光谱分析系统等等

                3)  定位与?加工:纳米定位系统、微纳运动系统、多维位移台?、旋转台、微型操作器等等

                4)  光源:半导体激光器、固体?激光器、单频激光器、单纵模激光器、窄线宽激?光器、光通讯波段激光器、CO2激光器、中红外激光器、染料激光?器、飞秒超快激光器等等

                5)  光机械件:用于光路系统搭建的高品质无应力光机械件,如光?学调整架、镜架、支撑杆、固定底座等等

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                8) 染料:激光染料、荧光染料、光致变?色染料、光致发光染料、吸收?染料等等


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