MinusK负刚度技术在微振动中的应用研究

MinusK负刚度技术在微振动中的应用研究

前言

    MinusK负刚度隔振台提供一个简单，可靠，隔振解决方案，可提供6自由度的隔离，低至0.5 Hz或更低的谐振频率。对于一个0.5赫兹系统，可隔离1Hz以上的振动，优于气动平台5-10Hz的范围可让多个隔振台一起使用。负载从几十公斤到几吨。易于使用和调整。比气动平台经济，占用更少的空间，且不需要进行维护。

微振动问题的提出

    随着高新技术的快速发展，尤其是光学工业、感光化学、航空航天、半导体工业的发展，导致人们使用的机器设备功率日益增大，转速加快，而重量却不断减轻，刚度相对减小，精度要求越来越高，振动问题随之曰益突现。大量工程实践表明，振敏型精密机械在生物科学、电子光学、精密机械加工、理化实验及其与研究相关的工厂中，振动控制不仅影响到机器设备的使用寿命、仪表器械的使用性能，操作人员的正常工作，还影响到舰船、航天器的生命力。

    2015年1月航天科技集团五院微振动实验室正式投入使用。随着高分辨率对地观测系统专项的立项，微振动成为研制高分卫星过程中一个关键技术问题。为此航天科技五院提出了微振动实验室概念，以解决微振动对成像质量影响的仿真分析和微振动系统级试验测试问题。

负刚度技术

1. 负刚度原理

在对负刚度隔振器进行分析之前，首先要了解正、负刚度的概念。

刚度K的定义是弹性元件所承受的载荷增量dF与变形量dx，即产生单位变形所需要的外力，

定义式为：K=dF/dx

当弹性元件所受载荷增量与对应的变形增量符号相同时，刚度为正值，记为K_P，将具有正刚度的弹性元件称为正刚度弹簧；反之，当弹性元件所受载荷增量与对应的变形增量符号相反时，刚度为负值，记为K_n，同样，将具有负刚度的弹性元件称为负刚度弹簧。

结构在受到冲击时的稳定性，多数情况下取决于结构的负刚度阶段下的变形能力和残余承载能力！

1. Minusk负刚度技术 垂直隔振

Minus K隔振器采用了革命性的概念。由硬的弹簧承担垂直方向运动的隔离，再加上负刚度机构（NSM），通过束柱串联垂直方向运动的隔离器提供水平方向运动的隔离，这样就可以获得非常低的纵向和横向的固有频率和非常高的内部结构的频率。Minus K通常使用三个串联的隔离器堆叠。如图，隔离器的刚度为K = K _S -K _? 其中K _S是弹簧的刚度，K _N 是负刚度，通过这个设计，当弹簧支持的重量W时，隔离器的刚度可以趋近于零。

1. Minusk负刚度技术 水平隔振
2. 
   

MinusK负刚度技术在微振动中的应用

1. 显微镜（SPM），扫描电镜（SEM），原子力显微镜（AFM等）的*选择
   Minus K光电隔振台的负刚度具有"被动"、"主动"隔振技术使显微镜的性能达到zui

高水平，可依据客户需求，灵活定制垂直、水平方向谐振频率的*性。

       弹跳系统：隔振效果好，但是相对繁琐且使用过程存在一定的风险。

2.微观硬度测试中的应用

1. 航天器测试中的应用
2. /喷气推进研究。
3. 0.5-1 Hz或更低的谐振频率，同时负载也可以高达几吨。在真空、旋转的环境下实现低频减振。
4. 激光/光学系统中的应用
5. 
   

Minus K隔振系统可提供优于气动平台10-100倍的性能，无需空气或电力，结构紧凑，易于移动。

光学元件系统往往拥有很复杂、很长的光学路径可以导致振动角度放大。通常使用的光学空气平台由于与地面振动具有相同的共振频率，可能使问题变得更糟。

1. 生物/神经科学中的应用
2. Minus K隔振系统在膜片钳、电生理测量、荧光染料

成像及其它的应用方面提供了重要的优势。   

Minus K能消除空气的干扰，根据振动频率，可提供优于气动平台10-100倍的性能。

工作台紧凑,可有效节省实验室的空间资源同时容易移动。 

1. 分析天平中的应用

Minus K隔振系统使分析天平能在振动环境中使用成为可能！

• 限制动态范围及大振幅的振动。
  

Minus K隔振平台：适用于各频率、振幅的隔振，在剧烈的振动环境中，仍可让分析天平有效的使用，实现分辨率两位数或三位数的提高。

1. 真空系统中的应用  

Minus K可在真空中实现减振

• ……
• Spitzer太空望远镜等的研究，也可被用来支持整个真空室，具备了更多标准设计和低成本的优势。

MinusK负刚度隔振平台种类

理化公司（www.phychemi。。ｃｏｍ）成为美国Minus k公司精密隔振平台/减震平台产品的中国地区授权代理商。美国Minus k公司坐落于洛杉矶地区，它成立于1993年以自主研发、生产的震动隔离产品为主。Dr. David L. Platus 是总裁和创始人和主要技术的，Dr. David L. Platus 拥有超过20项冲击和振动隔离的专项发明。Minus k 代表了一种纳米K?的重要使能技术。，是一个原始设备供应商,主要生产扫描探针显微镜,微观硬度测试和其他振动敏感仪器和设备。美国Minus k公司客户包括私营企业和遍布在41个国家的近200多个大学和政府实验室。

（1）CM-1 紧凑

规格:

   7.9" W x 7.9" D x 8.5" H (200mm W x 200mm D x 216mm H)

有效负载范围：50 - 800 lbs (22.7 - 362.9 kg)

（2）SM-1 加重

SM-1为CM-1的大重量版

可用于洁净室和真空室，真空度可达10-6 torr

水平和垂直方向的减振均达到1/2 Hz以下

规格:

   13" W x 13" D x 20.5" H (330mm W x 330mm D x 521mm H)

承受负载范围：110-420 lbs   (50 - 1905 kg)

1. BM-10 超薄

规格:

   12.2" W x 12.2" D x 4.6" H (310mm W x 310mm D x 117mm H)

有效负载范围：0-110 lbs  (0 - 50 kg)

水平：0.5Hz 垂直：1.5Hz

真空和洁净室适用

1. BM-6 经济型

规格:

   18" W x 20" D x 4.6" H(457mm W x 508mm D x 117mm H)

有效负载范围：10-105 lbs  (4.5 - 48 kg)

水平：2.5Hz 垂直：1.5Hz

真空和洁净室适用

1. 隔振工作站

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• /优势:
  * 人体工程学设计
  * 超低固有频率
  * Vibradamped阻振结构
  * 可定制配件
  * 无需送气——使用便捷
  * *台面
  * 人体工学造型
  * 兼容100级洁净室
  * 可达到10级性能
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• FP-1

专为SEM, TEM STEM设计

      由平台，两个或三个负刚度隔振器组成，通过螺旋千斤顶板固定在地板上，以分散负载支架连接平台和配重。