作者： 时间：2021-03-25
3D非接触表面分析测量技术广泛用于各行各业的测量小位移和微小单位表面的不规则性，通常用于微加工产品规格的一致性，产量和产品质量。它提供了极致的高精度，可重复和可保存的测量结果。当内置在显微镜设备中，使用三维激光扫描或结构光时，这套显微镜3D表面测量系统所提供的高度、宽度、角度、半径、体积和粗糙度、表面状况的数据，比其他任何纳米级轮廓测量系统更精确。
但是高精度，纳米级的3D表面测量系统会受到低频振动的不利影响，从而使成像失真，并产生不准确的测量读数。这会导致制造商的生产过程中的表面测量出现偏差，最后的产品不符合规格！
低频振动的来源和影响：
当以如此高的精度进行测量时，任何仪器都可能受到制造工厂内部产生的低频振动的不利影响。这些会扭曲测量结果并影响成像和测量数据。
Keyence Corporation是一家非常熟悉制造环境和3D表面测量的公司，它是传感器，测量系统，激光标记，显微镜和机器视觉系统的全球领先供应商。
“我们有许多客户在高振动环境中运行高精度3D测量系统，以30,000倍的放大倍率进行显微镜评估，并观察纳米级表面特征，” Keyence Corporation表面分析团队高级销售工程师Evan Eltinge说道。“在那种详细程度和环境下，如果采取措施减少振动，则可以提高数据质量。”
Eltinge继续说道：“如果没有在3,000到5,000倍的放大倍数下进行正确的隔振表面测量，则振动可能会导致图像模糊和图像质量下降。”
振动可能是由工厂内的多种因素引起的。每个结构都在传播噪音。在建筑物内部，生产机械，叉车，供暖和通风系统，风扇，泵，压缩机和电梯只是产生低频振动的一些机械设备。根据表面测量仪器与这些振动源的距离以及仪器在结构内部的位置（无论是在生产车间还是在阁楼中），将决定对仪器的影响程度。
在建筑物外部，设备可能会受到卡车运动，道路交通，附近建筑，飞机发出的巨大噪音，甚至大风大雨和其他可能导致结构移动的天气条件的影响。
3D表面分析的振动隔离方案各有优缺点。以下是隔振方案一览：
石板隔振–安装在金属桌上的数百磅花岗岩板一直是支撑和提供水平平台的平台，为制造设施中的敏感仪器提供支撑。作为无源隔振平台，平板不能完全消除振动，但是振幅会相对于平板质量降低。重达600磅的两英尺厚的平板可以使3D表面分析的低频振动达到可接受工作范围。但是，由于花岗岩板非常沉重，不具备移动性
空气隔振台–一种用于对振动不敏感的仪器极其常用的隔振设备。曾经是稳定业界最关键的微工程仪表的主要手段，但事实证明，空气隔振台不足以隔离极端的低频振动。这些振动会对以纳米级运行的仪器产生负面影响。
主动隔振系统–主动隔振系统是3D表面分析中隔振的另一种选择。这些系统也称为电子力消除，使用电子设备感应运动，然后以施加力以抵消或防止振动。这些系统使用传感器，传感器和执行器的组合，其功能由算法控制以减弱振动。传感器检测沿特定方向（x，y和z）的振动，并将此信息发送到控制器，然后控制器将信号发送到执行器，以减少感测到的振动。
有源系统在消除低频振动方面表现良好，并且在过去25年中，其使用量稳步增长。某些有源隔离系统可以开始隔离低至0.7 Hz的隔离。但是有源系统的动态范围有限，很容易超过，这会导致隔振平台产生正反馈并产生噪声。
主动隔离可能很难校准。但是，一旦仪器设置正确，其性能将超过空气表消除低频振动的能力。
负刚度隔振–由于其很高的隔振效率，尤其是在低频情况下，负刚度隔振可应用于非常高精度的仪器，例如表面分析显微镜和非接触式3D激光扫描或结构光的仪器，负刚度隔振还可以在恶劣的条件和剧烈的振动环境下运行，高性能的空气隔振台和其他减震技术是无法做到的。因此，负刚度隔离器已迅速增长，适用于高度敏感的纳米级显微镜应用。
由Minus K Technology开发的负刚度隔离器在低频振动隔离中采用了独特且完全机械的概念。他们不需要电力或压缩空气。没有马达，泵或腔室，也不需要维护，不会有磨损。它们仅在被动机械模式下运行。
这些隔离器的工作方式与主动隔振系统完全不同，它是被动的机械模式运行，不需要使用空气或电力，因此不需要使用电子，电机或泵。
负刚度隔振机制组合可以通过刚性弹簧支撑负重来隔离垂直的振动源，在不影响弹簧静态载荷支撑能力的情况下使其垂直振动力变低，与垂直运动隔离器串联的梁柱可提供水平运动隔离。梁柱的作用类似于结合负刚度机制的刚性弹簧。
负刚度隔振平台具有很高的性能，数据来源于振动传递曲线。振动传递率是相对于输入振动通过隔离器传递的振动的量度。
负刚度隔振平台通常在0.5 Hz时开始产生共振。大多数建筑物带来的震源在该振动频率内几乎没有影响。在0.5 Hz内很少会有明显的振动源。频率高于0.7 Hz的振动会随着频率的增加而迅速衰减。调整为0.5 Hz时。负刚度隔振平台在2 Hz时达到大约93％的隔离效率，在5 Hz时达到99％的隔离效率，在10 Hz时达到99.7％的隔离效率。
负刚度隔振平台的水平固有频率为0.5至1.5 Hz（取决于型号），而垂直固有频率为0.5 Hz。当不需要较低的谐振频率时，它们具有定制定制较高谐振频率的灵活性。
Keyence（3D表面测量的公司）的评估：
Keyence支持各种工厂自动化和传感器，机器视觉产品以及用于3D非接触表面分析的显微镜和测量仪器的开发。
该公司的VR-3000系列是一种非接触式3D测量系统，能够快速，准确地测量大面积-测量轮廓，粗糙度，平面度，磨损量或将3D扫描数据与CAD文件进行比较，并确定是否部分是好是坏。此外，该公司的VK-X系列3D激光扫描共聚焦显微镜可提供任何材料的非接触式的纳米级轮廓，粗糙度和膜厚数据，并指出哪些指标对于评估最为关键。这些仪器产品设计用于纳米级的测量，这意味着在工厂环境中存在剧烈振动的情况下，隔离低频振动可以极大地改善数据。
“我们传统上建议使用花岗岩板和空气桌来隔离振动，” Eltinge继续说道。“实际使用情况是，它们确实隔离了一些振动，但是对于特殊条件振动环境中的客户，我们需要一种在表面进行纳米级评估时可以提供更好结果的隔振解决方案。因此，我们尝试了很多隔振方案，Keyence确定的两个最佳选择是主动系统电子振动消除和负刚度振动隔离。
“我们发现，本质上，主动电子抵消和负刚度技术都具有相似的隔振水平，”“但是设置系统所需的时间有很大的不同。“主动隔振系统更难以调整、建立。负刚度隔离器进行快速调整，就可以使用了。”“客户都喜欢易于使用和操作的设备，” “他们购买我们的设备是为了极为精细的精度测量，同时操作又要简单。操作困难会影响售卖。因此，隔振系统的操作简单性对我们非常重要。”我们会选择负刚度隔振台。
