精密仪器环境振动的分析方法

精密仪器环境振动的分析方法

精密和先进的仪器仪器对使用环境的振动要求比较严格，一些特殊的精密仪器设备提出了小于1g（10-7m和s2）的微振动控制单元。近年来随着城市轨道交通网的兴建,地铁或城铁不可避免地会穿过各类精密仪器实验室区域,从而加剧了对实验室环境的污染,使高精密仪器出现信噪比低、数据不准、重复性变差、准确度下降、甚至不能正常工作等问题,因此环境振动(微振动)、电磁干扰(光缆和高压电缆等)等已成为影响精密仪器测量和控制精度的关键因素。其中由于环境振动对城市轨道交通沿线科研院所和大专院校实验室精密仪器设备使用和研发所造成的影响和危害,已成为国内外专家学者研究探讨的热点,并引起了社会各界和环保部门的高度关注。开展振敏型精密仪器环境振动测量和评估方法的研究,可为制定相关国家校准规范/标准奠定技术基础,为国家高技术密集区环境保护及其立法提供支撑。1动公害的概念国际上已正式将振动公害列为七大环境公害之一。所谓振动公害是指人类活动引起的交通车辆、地面、建(构)筑物等的振动对人的工作和生活环境以及身体健康的影响、对建(构)筑物安全的影响以及对精密仪器正常使用的影响等。1.1环境振动的特性环境振动是一种宽频带的随机振动,振幅一般为微米、亚微米量级,加速度在(10-5～10-7)g量级。由于高频振动在地层中衰减很快,因此地表所感受到的主要是低频振动信号。环境振动的振源一般分为两类:自然振源和人工振源。外界环境振动主要通过建筑物支承结构或空气传递给实验室振敏精密仪器。它包括变压器、风机、压缩机等动力设备产生的稳态波振动;人员走动及城市轨道交通造成的非稳态随机振动;与精密仪器相连的压缩空气气源、油泵等辅助设备激励引起的稳态波或冲击波振动等人工振源;以及大地脉动、浪涌和风力引起的非稳态随机振动等自然界振源。环境振动的特点和振级不仅依赖于激励的大小,还依赖于土壤、基础、地板和建筑物其他结构部件所组成的动力系统对振动的滤波效果。自然振源(大地脉动和风等)振幅通常为几十到几百纳米,地震之类通常振动频率在0.1Hz～30Hz;风激振频率范围大多在0.1Hz～2Hz。人工振源(城市轨道交通和动力设备等)振幅变化较大,振动频率在1Hz～150Hz;建筑物基础自然频率一般大于10Hz(与土壤特性相关);地面垂直向的自然频率通常为6Hz～30Hz,水平向则更高些;实验室人员走动产生的振动频率一般在1Hz～3Hz范围内。因此一般认为精密仪器环境振动测量关注的频率范围为0.1Hz～150Hz。1.2非常复杂的动态特性精密仪器(需隔振的物体)、支撑结构、激振力源和隔振器(如光学平台、隔振基础等)等都具有非常复杂的动态特性。并且由于环境振动振源较多、振动波传递途径复杂,使得实际系统中的动态激励具有十分复杂的频谱特征,并且其大小随机变化。2振动允许值的确定精密仪器设备的振动允许值是指精密仪器设备正常工作状态下,当测量结果的变动性在允许范围内时,在支承结构(台座或基础)表面上测得的振动极限值与安全系数的乘积值。它是衡量精密仪器抗微振能力的重要指标,也是防微振设计的重要控制参数。振动允许值与振动的方向、频率以及持续时间有关,可用位移、速度或加速度表征。通常精密仪器设备的制造商会提供安装条件要求的振动允许值(或防振指标),而自行研制的设备则可根据仪器设备对环境振动的敏感程度,基于实验结果提出其参考值。如Tecnai30电子显微镜对环境振动的要求见图1所示。当振动加速度位于I区,仪器能正常工作;位于Ⅱ区,仪器测量结果需作进一步分析;位于Ⅲ区,仪器不能正常工作。日本有关文献提出的精密仪器使用要求的振动允许值见表1。国内尚无实验室环境振动允许值的标准,可查到的仅有冶金部部标,见表2。比较表1和表2,同类仪器给出的振动允许值差别较大,可比性差。鉴于国内没有精密仪器环境振动允许值参考标准的现状,开展精密仪器环境振动的科学测量和评价的研究势在必行。急需制定有关环境振动测量方法和振动允许值推荐表的国家标准或校准规范,为精密仪器设备实验室建设的选址、隔振设施的建设和隔振技术的实施,以及高技术密集区环境保护及其立法提供技术依据。3振动测试标准由ISOTC108机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会制定的相关国际标准有:ISO8569:1996《振动与冲击对建筑物内敏感设备影响的测量和评价》;ISO/TS10811-1《建筑物内敏感设备的振动与冲击第1部分测量和评价》;ISO/TS10811-2《建筑物内敏感设备的振动与冲击第2部分分类》;ISO4866:199《建筑物的振动振动测量及其对建筑物影响的评价指南》。我国与ISOTC108对口的标准化技术委员会(SCA/TC53)组织完成了以上国际标准的等同转换工作。其中,ISO8569标准涉及环境振动对振敏型仪器影响的测量。该标准对建筑物内对冲击与振动敏感的仪器设备的测量方法做出了规定。标准涉及的敏感设备有:计算机系统(含外围设备)、远程通讯设备、实验室仪器(如电子显微镜、质谱仪、气体色谱仪、激光和x射线仪、高精度加工仪器(如微电子生产设备)、高精度光学仪器和照相复制设备、火车交通控制中心的机电系统、安全装置(火警设备)和存取控制设备等。考虑的振动和冲击源有:外部振源(如交通、施工中的爆破、打桩和振动夯实等),也包括噪声激励;室内使用的设备,如冲床、锻锤、旋转机械(如空气压缩机、空调机泵)和在建筑物内运行的重型设备;与设备维护和运行相关的人员活动;自然振源,如地震、水库水和风;内部振源,如设备自身引起的振动等。指出测得的振动和冲击数据可用来建立数据库,以便建立特定设备的振动允许值,同时有利于划分不同允许值的环境条件。该标准规定关注的频率范围为0.5Hz～250Hz。一般认为优势频率小于100Hz。振动幅值和持续时间主要取决于振源、振源与敏感设备的距离以及支撑敏感设备的建筑物构件的响应。用质点速度来评价建筑物振动参数,该值在10-4m/s～2×10-2m/s范围内。规定三个正交轴时程的振动测量应包括速度变化量(包括最大值和给定时间段内的平均值)、持续时间测量。通过频谱分析获得速度和频率、功率谱密度的关系曲线。振动分析还应确定特征频率及其峰值。冲击分析需给出时程曲线(加速度、持续时间和脉冲波形),同时计算冲击响应谱。该标准内容比较笼统,并未给出环境振动测量仪器的要求和影响量的评价方法,实际操作困难。4测量方法不统一,影响测量结果近年来国内计量技术机构根据客户的需求,承担开展了大量实验室环境振动的现场测试,如新建实验室环境测试;光学平台、隔振设备和隔振基础隔振效果的测试评价、新研制的隔振装置的验收测试等等,这种需求呈逐年上升的趋势,但是测试方法和评价标准无技术标准或规程/规范可依。由于无统一标准,测试结果无可比性。如对某单位隔振基础的测试评价,不同单位测量给出了截然不同的结果;又如地震局某所在新建振动标准装置实验室选址时,对三个备选地实地测试后,只根据比较相对值大小确定最终选址方案,无法给出确切的环境振动值和评价是否符合建设要求。轨道交通的发展加大了实验室周围的振源强度,并已逐渐成为威胁最大的主要振源。此环境振动问题已引起科研、环保等社会各界的高度关注,许多高校、科研院所在地下轨道交通引起的地面振动对精密仪器设备的影响方面,积极开展相关测量方法及减振措施的研究和探索,但由于测量方法不统一,对科学评价环境振动对精密仪器的影响带来困难。可以预计,未来由于城市轨道交通引起的环境振动对精密仪器测量带来问题的严重性会逐渐显现。因此开展环境振动对精密仪器设备影响的计量科学研究,探讨环境振动对精密仪器设备的影响量,给出精密仪器设备振动允许值的参考范围,具有重要的现实意义和科研价值。5振动时程分析方法精密仪器环境振动测量范围可考虑为频率120s～250Hz;动态范围为140dB;可测量微振动的加速度为10-9g,振动速度10-7m/s。对精密仪器产生影响的环境振动可能是正弦波(如旋转机械),随机波(如各类交通工具)或瞬态波(如打桩和爆炸等)。为了辨别可能出现的不同的振源,通常应同时对精密仪器运行和非运行状态进行测量,并在空间三个正交方向上记录其所承受的振动时程。数据分析方法可采用单一均方根值(RMS)、等效峰值速度响应谱、恒带宽均方根谱、功率谱密度和1/3倍频程均方根谱等。计算结果可用振动加速度、速度、位移的单峰值或与频率相关的峰值表示。图1采用的是1/3倍频程频谱方法。通过对采样信号进行FFT后计算功率谱,再用其计算每个中心频率带宽内的平均值,得到1/3倍频程谱值。用1/3倍频程频谱描述宽带随机激励的振动响应,可以简化振动频谱的复杂性。研究结果表明,1/3倍频程带宽可近似精密仪器的宽带响应,利用它可考虑被激起的频率成分。6振动过程的测量和评价环境振动测量技术的研究涉及岩土、地震、结构、交通工程等多个学科,属多学科交叉。只有通过对环境振动的振源分析,对振动传播规律、隔振理论、隔振系统的动态特性、隔振技术较为深入地研究,在大量现场数据采集和统计分析的基础上,才能提出实验室环境振动的检测方法(包括检测用仪器设备的技术要求、检测项目、检测方法和数据处理),并给出常用精密仪器设备振动允许值的参考表,为相关校准规范的制定奠定技术基础。由于环境振动是一个非平稳、非各态历经的随机振动过程,因此很难用精确的解析方法研究其振动过程。如果直接采用快速傅里叶变换(FFT)解析频谱分析,将得到错误的结果,并混淆稳态或准稳态振动与幅值快速变化的瞬态振动之间的重要差别。由轨道交通引起的地面振动的分析是一个十分复杂的问题,求解难度很大,并且建筑物的类型对振动传播影响也非常复杂,通常水平振动大于竖向振动,所以准确测量和科学评价环境振动的方法研究具有挑战性。如果精密仪器设备振动允许值要求太严,势必造成实验室建设的高成本;而太宽,又可能导致仪器设备性能的下降,因此其值只能通过实验确定,即通过采集精密仪器正常工作振动量和数据统计分析来确定环境振动的控制值;同时还需综合考虑经验值和仪器设备制造商提供的信息给出。鉴于环境振动所具有特殊复杂的动态特性,测量中通常需要进行连续多天的检测,才能分析