第 29卷第 8 期
振 动与 冲 击 JOU RNAL O F V IBRAT ION AND SHOCK
V o.l 29 N o. 8 2010
精密仪器环境振动测量和评价方法的研究
于梅
(中国计量科学研究院, 北京 100013)
摘 要: 对精密仪器使用环境的微振动测量和控制是 目前许多前 沿科学亟 待解决的问 题和重要的 研究方 向。分
振动速度容许值 / (mm# s- 1 ) 0. 1 0. 05 0. 025 0. 012
0. 006
0. 003
表 2 冶金部振动标准 5摘录 ) [ 3] Tab. 2 The v ibration standard of the M in istry of M etallurgy ( excerpt)
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
第 8期
于 梅: 精密仪器环境振动测量和评价方法的研究
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其 参 考 值。 如 T ecnai30电子显微 镜 对环 境 振 动 的
要求见图 1所示。
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 环境振动测量和评价方面存在的问题
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
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振 动与 冲击
2010年第 29卷
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。
T ecm a i30e lctron m icroscope
献提 出 的 精 密 仪 器使用要求的振动允许值见表 1[ 2] 。
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。
表 1 精密仪器使用要求的建 筑物和 仪器台座的振动允许值标准 (摘录 ) T ab. 1 A llowed vibrat ion values ( excerp t)
3 国内外相关标准情况
由 ISO TC108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: ISO 8569: 19965振 动与冲击对建筑物内 敏感设备影 响的测量 和评价 6; ISO /T S 10811- 15建筑物内敏感设备的振动与冲击第 1部分 测量和评价 6; ISO /T S 10811- 25建筑物内敏感 设备的振动与冲击 第 2部分 分类 6; ISO 4866: 1995建 筑物的振动 振动测量及其对建筑物影响的评价指南 6。 我国 与 ISO TC108 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。
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 环境振动的振源和动态特性
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。 111 振源分析
该标准规定关注的频率范 围为 0. 5 H z~ 250 H z。 一般认为优势频率小于 100H z。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- 4 m / s~ 2 @ 10- 2 m / s范围内。
当 振动 加 速 度 位
于 I区, 仪器 能正
常工作; 位于Ò区,
仪 器测 量 结 果 需
作进一步分析; 位 于 Ó区, 仪器 不能 正常工作 [ 1] 。
日本 有关 文
图 1 T ecm a i30电子显 微 镜环境振动允许值
F ig. 1 A llow ed env ironm ental v ibration lim it va lue o f the type
等 允许速度 级 / (mm# s- 1 )
仪表和机床
)
0. 0 l 一级光栅刻度机
备注 水平振动要 求严格
精度为 0. 02Lm 的干涉仪
Ò
0. 03 精度为 0. 03Lm 的光波干
涉孔径测量仪
二级光栅刻度机
水平振动要 求严格
100万分之一和 50万 分之一克天平
水平振动要 求严格
Ó
0. 05 6万倍以下的电子显微镜
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。
of bu ild ings and in strum en t p edestals for the precision
类别 1 2 3 4
5
6
建筑物用途
倍率为 100倍的显微镜 倍率 400倍 的显微镜 分辨率 3Lm 的照相制版 分辨 率 lLm 的 照 相 制 版、倍 率 300 00 的显微镜 分辨率 0. 5Lm 的照 相 制版、倍 率 大于 30000的显微镜 分辨率 0. 25Lm 的照 相制版、激光 作业
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. 1 H z~ 30 H z; 风 激振频率范围大多在 0. 1 H z~ 2 H z。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 1 H z~ 150 H z; 建筑物基础自然频率一般大于 10 H z( 与 土壤特性相关 ) ; 地面垂直向的自然频率通常为 6 H z~ 30 H z, 水平向则更高些; 实验室人员走动产生的振动 频率一般在 1 H z~ 3 H z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. 1 H z~ 150 H z。 112 动态特性
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
5 环境振动数据分析方法
精密仪器环境振动测量范围可考虑为频率 120 s~ 250 H z; 动态范围为 140 dB; 可测量微振动的加速度为 10- 9 g, 振动速度 10- 7 m / s。
精度为 2Lm 的刻线机
精度为 1秒的 刻度机
ห้องสมุดไป่ตู้
0级丝杆车床及磨床
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。
析了目前精密仪器环境振动测量和评价方法存在 的问题, 讨论了环境振动数据分析方法和研究工作的 技术难点。指出开
展环境振动对精密仪器影响规律和测量方法的深入研究, 制定评价 标准或校 准规范, 具有十分 重要的现实 意义和应 用价
值, 其 成果可为精密仪器实验室建设的选址、隔振设施建设 和隔振技术的实施, 以及高新技术密集区环境保护及 其立法提
收稿日期: 2009 - 05- 18 修改稿收到日期: 2009- 07- 31 第一作者 于 梅 女, 研究员, 1956年 11 月生
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。
其中, ISO 8569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 [ 4] 。