Newport / 진동 차단 플랫폼 - 액티브 진동 댐핑
진동은 광전자 공학에서의 정밀 실험 및 제조 공정의 주요 문제점을 보여준다. 다양한 모양과 형태의 광학 테이블과 브레드 보드는 사실상 진동 제어의 표준이다. 그것은 바닥으로부터의 진동을 효과적으로 제거하는 부드러운 제진대에 의존한다.
그러나 음향 소음, 대기의 난기류 및 선상 음원과 같은 다른 원천은 여전히 존재하며 더 높은 주파수에서 널리 퍼진 진동원이 될 수 있다. 이러한 장애는 그 스펙트럼의 내용이 플랫폼의 공진 주파수에 가깝다면 광 기계적 성능(optomechanical performance)에 심각한 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
이러한 이유로 공진의 영향을 완화시키는 내부 감쇠, 또는 기계적 에너지의 소멸은 고품질의 진동 격리 플랫폼에 매우 중요하다. 전기 기계식 센서, 액추에이터 및 제어 시스템을 포함하는 액티브 진동 댐핑(Active vibration damping)은 공진 진동을 억제하는 데 가장 효과적이라는 사실이 입증되었다. 추가 기능 SmartTable ADD 액티브 댐퍼로 Newport의 이 기술을 최근 확장하여 애플리케이션의 한계를 넓힌다.
표준 광학 테이블을 뛰어넘는 원치 않는 공진 현상을 경험할 수 있는 거의 모든 진동 차단 플랫폼에 이르기까지 다양하다. 액티브 진동 제어 이론은 주 진동 모드의 반 파장 근처에 배치된 적은 수의 액티브 댐퍼가 전체 구조에 대한 공진 진동을 억제하기에 충분하다고 예측한다.
전형적인 직사각형 플랫폼의 경우, 인접한 코너에 배치된 두 개의 댐퍼가 작업을 수행한다. 이것은 이론 분석과 매우 민감한 지진 가속기로 테이블 위의 원격 위치에서 동적인 반응을 여러 번 측정하여 확인되었다. 이것을 더욱 생생한 데모에서 보여주기 위해 Newport의 연구원은 Polytec의 스캔 레이저 도플러 진동계가 제공하는 강력한 실험을 행했다. 실험에서 액티브 제어 피드백 루프의 적절한 조정에 대한 중요한 정보를 얻었다.
애드온 액티브 댐퍼(add-on active dampers)의 효과를 테스트하기 위해 주문형 스틸 광학 브레드 보드가 선택되었다(그림 1). 4피트×5피트×4.5인치 크기의 브레드 보드는 4개의 스프링 기반 진동 분리기에 의해 지지되었기 때문에 서스펜션의 ‘강체(rigid body)’ 고유 주파수는 5.25Hz와 같았다.
두 개의 SmartTable ADD 댐퍼가 브레드 보드의 두 모퉁이에 고정되었다. 일정하게 고정된 진동 신호를 얻기 위해 브레드 보드는 고정된 무작위적인 힘(stationary random force)에 의해 예기되었다. 이 목적을 위해 전자기 진탕기가 사용되었다. 그림 1의 브레드 보드의 맨 왼쪽 코너에 나타난다.
결과적으로, 브레드 보드의 진동은 실험실 환경에서 일상적으로 관찰되는 수준을 초과하지 않았으며 VC-A 진동 범주(50μm/s 미만의 1/3 octave rms 속도)에 적합하다. 구동 지점에서 진동기(shaker)와 브레드 보드 사이에 삽입된 힘 센서로부터 레이저 진동계 데이터 처리를 위한 기준 신호로 사용된다. 마지막으로 진동기 근처에 경량의 저 노이즈 가속도계를 설치하여 레이저 진동계 테스트와 병행하여 전통적인 동적 컴플라이언스 측정을 수행했다.
스캐닝 레이저 도플러 진동계는 구조의 여러 지점에서 진동 측정을 빠르고 연속적으로 수행하여 연구원이 전체 구조의 운동 에너지를 평가할 수 있도록 한다. 총 운동 에너지의 감소는 진동 댐핑의 기준으로 널리 인식되고 있다.
비접촉식 진동 측정을 전문으로 하는 Polytec은 스캐닝 레이저 진동계인 PSV를 제공하여 브레드 보드의 진동을 매핑했다. 스캐닝 진동 측정은 광범위한 응용 분야에서 구조 진동을 빠르고 정확하게 분석하고 시각화하는 데 사용된다. 레이저 진동 측정은 이 시험에 아주 적합했으며, 서브나노미터(subnanometer) 레벨 이하까지 측정을 수행했다.
그림 2는 갠트리 시스템에 설치되어 측정을 위해 준비된 레이저 스캐닝 헤드를 보여준다. 그림 3은 Polytec 소프트웨어에 의한 레이저 스캐닝 헤드의 카메라를 통해 본 측정 영역을 보여준다. 20개의 측정 점이 표면에 균일하게 분포되어 있으며 반사경이 장착되어 있다. 전체 스캔은 불과 몇 분밖에 걸리지 않았다.
시험 결과는 브레드 보드의 전체 표면에 대한 댐핑 효과에 대한 명확한 그림을 제공했다. 그림 4a-d는 액티브 댐핑을 켜고 끄는 브레드 보드의 작동 편향 형상을 나타낸다.
총 운동 에너지는 종종 진동 댐핑 시스템의 궁극적인 성능 기준으로 간주되며, 스캔 레이저 진동계는 이 기준을 평가하는 데 효과적인 도구를 제공한다. 그림 5는 브레드 보드 표면에 대한 평균 속도 제곱의 등고선 차트를 보여준다. 이 평균 자승의 총합은 전체 운동 에너지의 추정치에 비례한다. 그 값의 스펙트럼 구성은 아래의 그래프에서 rms 단위로 표시된다. 비교 결과, 액티브 댐핑은 브레드 보드의 주요 비틀림 및 굽힘 진동 모드에 해당하는 194 및 278Hz의 공진 피크를 실질적으로 모두 제거한다.
그림 4a와 4b에 나타난 감쇠되지 않은 진동의 등고선 그래프는 진동 격리 플랫폼의 특성을 보여준다. 플랫폼의 코너에서 최대 진동이 발생한다. 이것이 액티브 댐퍼가 모퉁이 근처에 설치되었을 때 가장 효과적인 이유다. 두 모서리에 배치된 댐퍼는 전체 표면의 진동을 효과적으로 감소시킨다.
댐퍼 배치 외에도 액티브 진동 댐핑의 또 다른 중요한 고려 사항은 제어 기능과 피드백 이득의 선택이다. 분산된 속도 피드백은 구현의 용이함(이론적)과 무조건적인 안정성으로 인해 널리 받아들여지고 있다. 실제로, 피드백 이득의 유용한 범위는 첫째, ‘고정(pinning)’ 현상과 두 번째로 주파수 응답에 의해 나타나는 불안정성의 두 가지 요소, 즉 액추에이터 및 제어 루프의 다른 요소에 의해 제한된다.
글로벌 진동 제어에 대한 피드백 게인을 증가시키는 효과를 연구하기 위해 스캔 펌프 레이저 진동계로 진동 측정을 Newport 멀티 스텝 오토 튜닝 알고리즘에서 권장하는 게인 이하의 피드백 게인을 사용하여 수행했다. 각 레벨의 게인, 전체 운동 에너지에 비례하는 모든 스캐닝 포인트에서 평균 제곱 속도의 합이 계산되었다. 결과는 그림 6에 요약되어 있다.
자동 튜닝 프로세스는 시스템을 적절한 안전 마진으로 운동 에너지의 절대 최소값에 매우 가깝게 만든다. 이 테스트는 액티브 감쇠기가 표준 테이블에 내장됐을 때처럼 ‘볼트 온(bolt-on)’ 구성으로 맞춤형 제진 플랫폼에 효과적으로 적용되었음을 확인했다. 주 공진 피크의 15배 감소와 총 운동 에너지다. 스캐닝 레이저 도플러 진동계는 액티브 댐핑 성능을 생생하게 보여준다.
자료 제공: Newport(www.newport.com)
