Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408
Новая конструкция активных виброзащитных устройств
# 09, сентябрь 2012 DOI: 10.7463/0912.0455678
Файл статьи:
Безбах_P.pdf
(451.94Кб)
УДК. 528.5-752 534.6 Россия, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, Филиал Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН НИЦ "Космическое материаловедение"
Современные измерительные приборы и точное технологическое оборудование часто нуждаются в эффективной защите от вибраций. К ним относятся: 1) дифрактометры высокого разрешения (плосковолновая топография, малоугловое рассеяние в плёночных технологиях, метод стоячих волн и т.д.); 2) растровые и просвечивающие электронные микроскопы, системы позиционирования, сканирующие зондовые микроскопы, атомно-силовые микроскопы, наноманипуляторы; 3) лазерные экспериментальные и технологические устройства; 4) аппаратура для выращивания биологических и неорганических кристаллов и т.д. Кроме того, в настоящее время существенно возросла необходимость в активной защите от вибраций (микроускорений) научной аппаратуры на космических аппаратах [1, 2], самолётах и других транспортных средствах. Дорогостоящие массивные фундаменты в подвальных помещениях зданий не всегда способны изолировать аппаратуру от вибраций, вызванных как внутренними источниками (насосы, компрессоры, вентиляторы), так и внешними (тяжёлые транспортные средства, грузовые автомобили, автобусы, троллейбусы, железнодорожные составы). В этих случаях активные виброзащитные устройства являются более эффективным средством защиты от вибраций. Они существенно снижают требования к уровню шумов в местах расположения измерительных приборов и технологического оборудования. Известны фирмы Herzan (США), Halcyonics (Германия, США), HERZ (Япония), производящие широкий набор активных виброзащитных столов (панелей) размерами от 400×400×120 мм3 до 1000×800×130 мм3 для нагрузок от 60 кг до 1200 кг. Механическая часть этих приборов состоит из плиты, установленной на пружинах, на которой расположены восемь акселерометров и восемь сервисных магнитоэлектрических движителей. Электрические цепи авторегулирования или отрицательной обратной связи состоят из восьми независимых контуров, включающих пары акселерометр-магнитоэлектрический движитель. Такая конструкция позволяет подавлять шесть мод колебаний плиты (три торсионные и три поступательные) с установленным на ней защищаемым объектом. Все эти виброзащитные устройства характеризуются нижней границей активного диапазона частот ≈2 Гц и максимальным коэффициентом подавления колебаний от 35 дБ до 40 дБ, который достигается при ≈10 Гц. Существенно, что все указанные характеристики являются предельными из-за "паразитного" сигнала наклона акселерометров, возникающего в поле притяжения Земли, который подавляет "полезный" сигнал и нарушает функционирование авторегуляторов при низких частотах. Для многих практических применений коммерческие виброзащитные устройства недостаточно эффективны из-за ограничения активного диапазона в области низких частот (<2 Гц) и недостаточно большого коэффициента подавления колебаний (≈40 дБ). Предлагается новая система авторегулирования виброзащитных устройств, позволяющая преодолеть указанные выше "врождённые" ограничения коммерческих приборов. Одним из её отличий является симметричная ортогональная группа акселерометров и сервисных движителей, показанная на рис. 1. Такая конструкция позволяет вместо восьмиканального управления по сигналам отдельных акселерометров перейти к шестиканальной схеме, управляющей отдельными модами механических колебаний несущей плиты, установленной на упругих опорах. Для этого сигналы акселерометров , показанные на рис. 1, преобразуются в сигналы продольных и торсионных мод колебаний плиты следующим образом:
; ; ; (1) ; ; .
Рис. 1. Расположение акселерометров и магнитоэлектрических движителей на плите. Каждая стрелка обозначает соосно-расположенную пару акселерометр-движитель.
Ограничение нижней границы активного диапазона частот известных виброзащитных устройств вызвано тем, что при колебаниях наклона несущей плиты (моды и ) сигналы акселерометров , кроме (обычно используемой) динамической составляющей (где – коэффициент передачи акселерометра по напряжению, – ускорение), содержат неинерционный, статический вклад, вызванный изменением проекции силы тяжести инерционной массы на ось чувствительности акселерометров. При колебаниях плиты с малой амплитудой амплитуда статического вклада для акселерометров, ориентированных вертикально и горизонтально, определяется соотношениями и соответственно. Если виброзащитная панель установлена горизонтально, то , а . При колебаниях панели амплитуда динамического сигнала акселерометров (где – характерный размер панели, а и – частота и амплитуда угловых колебаний соответственно) так что для отношения статического, "паразитного" сигнала наклона акселерометров к динамическому сигналу можно записать:
, (2) . (3)
Из соотношений (2) и (3) видно, что помеха от сигнала наклона акселерометров в обоих случаях быстро увеличивается с понижением частоты. Так, по расчётам для конструкции с см отношение при Гц и достигает значения 3 при Гц. Статический вклад в сигнал пьезоэлектрических акселерометров, измеренный в диапазоне частот (0,1 – 3) Гц, соответствует приведённым оценкам, равенство наблюдается вблизи 1 Гц. Видно, что при частотах <2 Гц отношение сигнала к сигналу помехи в цепях авторегулирования может быть ниже допустимого уровня. Сравнение (2) и (3) показывает, что отличается от малым сомножителем . Поэтому в цепях, содержащих вертикально ориентированные акселерометры, помеха будет проявляться при значительно более низких частотах, чем в цепях, содержащих горизонтально ориентированные акселерометры. Это обстоятельство может быть использовано для компенсации (подавления) сигнала наклона акселерометров, ориентированных горизонтально. Дважды проинтегрированные сигналы углового ускорения мод и определяют углы наклона плиты, так что, как видно из (4) и (5), паразитные сигналы наклона, пропорциональные этим углам, в сигналах трансляционных мод и могут быть подавлены:
, (4) . (5)
На рис. 2 представлен преобразователь каналов управления, выполняющий с помощью прецизионных сумматоров С1…С6 функции (1), и содержащий также компенсаторы сигналов наклона акселерометров К1 и К2, которые выполняют функции (4) и (5). При этом заметим, что сигнал моды не нуждается в компенсаторе, т.к. паразитные сигналы акселерометров 1 и 5, как видно из схемы на рис. 1, противофазны.
Рис. 2. Разделитель каналов регулирования.
Количественно эффективность новой схемы управления виброзащитных устройств зависит главным образом от характеристик акселерометров и двойных интеграторов. Из двух доступных к настоящему времени типов акселерометров: механических компенсационных, использующихся в навигационных устройствах, и пьезоэлектрических – для измерения вибраций, нами выбран второй. Механические акселерометры дороги и функционируют в ограниченном диапазоне частот, до ≈100 Гц, в то время как во многих случаях верхняя граница активного диапазона частот виброзащитных устройств должна быть не ниже (300–800) Гц. Пьезоэлектрические акселерометры с коэффициентом передачи от до обеспечивают остаточный уровень шумов виброзащитной плиты – в области частот (0,1–10) Гц (использовались малошумящие операционные усилители ОРА627, ОРА111). Проблемы, возникающие в связи с необычно низкой граничной частотой измерительных цепей ( Гц), представляют собой медленный температурный дрейф сигнала, вызванный термическим расширением корпуса акселерометра и пьезоэлемента. Для устранения температурного дрейфа использовалась многослойная тепловая изоляция корпусов акселерометров, а также, при необходимости, усилители сигнала акселерометров с автоподстройкой нуля. Нижняя граница активного диапазона частот виброзащитного устройства, построенного по новой схеме, определяется точностью цепей компенсатора сигнала наклона акселерометров, то есть точностью интегрирования. Использование операционных усилителей ОРА111, ОРА128 с малыми токами смещения ( фА) обеспечивает точность интегрирования не ниже 1 %, что отвечает десятикратному понижению границы активного диапазона частот, с ≈ 2 Гц до ≈ 0,2 Гц. Цепи авторегулирования виброзащитной панели, за исключением преобразователей каналов и компенсаторов сигнала наклона акселерометров, строятся по стандартным схемам (см., напр. [3]). Рассчитанная функция передачи шести идентичных авторегуляторов обеспечивает кривую подавления колебаний, показанную на рис. 3. Видно, что при десятикратном понижении граничной частоты активного диапазона частот и десятикратном увеличении максимального коэффициента подавления колебаний существенно расширяется область применения новых виброзащитных устройств. Так, в области частот (2–6) Гц, в которой, как правило, наблюдаются резонансные колебания зданий, эффективность новых виброзащитных устройств, в отличие от коммерческих, существенно выше.
Рис. 3. Коэффициент подавления колебаний коммерческого виброзащитного устройства (кривая 1) и новой конструкции, рассчитанной на нижнюю границу активного диапазона частот ≈0,2 Гц (кривая 2).
В заключение необходимо отметить, что описанная выше новая конструкция активных виброзащитных устройств фактически представляет собой исходную принципиальную схему, на основе которой могут быть построены устройства с различными заданными параметрами, отличающиеся степенью совершенства электронных узлов и параметрами акселерометров.
Список литературы 1. Захаров Б.Г., Серебряков Ю.А., Стрелов В.И. Проблемы и перспективы получения в условиях микрогравитации монокристаллов полупроводников с высокой микрооднородностью свойств // Поверхность. 2001. № 9. С. 48–55. 2. Стрелов В.И., Захаров Б.Г., Безбах И.Ж. Математическое моделирование и экспериментальные исследования влияния вибраций и конвекции Марангони на микрооднородность кристаллов полупроводников // Поверхность. 2005. № 10. С. 80–86. 3. Трофимов А.И., Егупов Н.Д., Дмитриев А.Н. Методы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1997. 532 с. Публикации с ключевыми словами: вибрации, управление, аппаратура, акселерометр Публикации со словами: вибрации, управление, аппаратура, акселерометр Смотри также:
Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|