欧洲空间局委托英国国家物理实验室开发的微振动平台，用于测量卫星内部振动，并在多种受控振动条件下测试卫星组件，以确保它们能在卫星环境中正常运行而不影响其他敏感系统。该平台极其灵敏，能够测量一根羽毛掉落产生的力，并显著降低来自附近北海海浪的振动影响。图1：欧洲空间局的微振动测试平台。（图片由英国国家物理实验室提供） 欧洲空间局（ESA）在其卫星测试设施中增加了一套由英国国家物理实验室（NPL）开发的微振动测试仪器。NPL是英国的国家计量机构，负责开发和维护国家主要测量标准。该仪器用于测量卫星子系统产生的振动，以量化其对太空成像和测量的影响。此设施是NPL与ESA长达五年合作的成果。 卫星上的振动通常由常见仪器和机构引起，例如旋转的反作用轮、太阳翼驱动机构和旋转式低温制冷机。ESA需要能够测量并校正这些抖动和振动，以提高其对地观测的精度。这需要在多种受控振动条件下模拟卫星组件的工作状态。 "NPL赢得了一项为欧洲空间局设计系统的投标，该系统要求极高的性能水平，"英国国家物理实验室高级研究科学家丹·维尔说。"该系统需要测量与极低力相关的极低频率。ESA需要一种更好的方法来检测卫星组件的这些微振动，以及它们可能对航天器造成何种干扰。"图2：该微振动测试平台旨在测量与极低力相关的极低频率。（图片由英国国家物理实验室提供） 由隔振平台支撑的测量平台"NPL开发了一个平台，能够表征重量高达150磅的卫星组件产生的任何力，"维尔补充道。 该微振动平台能够以前所未有的精度测量振动。其灵敏度之高，足以测量一根羽毛掉落产生的力。有时，为模拟太空条件，平台会置于真空室内；在空气中使用时，系统会封闭在帐篷中以限制气流扰动。该平台采用双层结构：1）下层隔振平台，用于消除来自地面的干扰；2）上层测量平台。 下层隔振平台下层隔振平台采用被动式负刚度隔振器，并耦合了三个控制作动器的、高度灵敏的主动地震仪，以感知传入系统的地面振动。这些地震仪的设计测量频率低至0.3赫兹。结合负刚度隔振器，这套主被动混合系统实现了低至0.1 Hz的振动隔离。 该系统显著降低了来自脚步声甚至附近北海海浪等振源的影响，为置于其上的测量平台确保了安静的环境。 "我们围绕Minus K的负刚度隔振器开发了下层隔振平台，因为它们能够被动隔离低至0.5 Hz的振动，"维尔解释道。"这对我们的低频应用至关重要。但我们选择负刚度隔振的另一个原因是它与真空环境兼容。"图3：负刚度隔振器可实现低至0.1 Hz的振动隔离。（图片由英国国家物理实验室提供） "本质上，我们将负刚度隔振器简化至其核心系统，然后通过一个定制接口连接主动地震仪进行了增强，"维尔解释道。"这使我们能够实现低至0.1 Hz的隔离。" 负刚度隔振技术由Minus K Technology开发，该公司是扫描探针显微镜、显微硬度测试仪以及其他振动敏感仪器设备（如用于测试航天器零重力模拟的设备）领域领先制造商的原始设备制造商供应商。该公司生产的隔振器已被52个国家的300多所大学和政府实验室使用。 这些隔振器结构紧凑，不需要电力或压缩空气，使敏感仪器能够安置在生产设施或实验室所需的任何位置。没有电机、泵或腔室，也无需维护，因为没有易损件。它们完全以被动机械模式运行。 负刚度隔振器的一个显著优势在于它们能在多个方向上实现高水平的隔离。这些隔振器可以灵活地将垂直和水平方向的共振频率定制至0.5 Hz*（某些版本水平方向为1.5 Hz）。（*注：对于一个固有频率为0.5 Hz的隔振系统，隔离效果从0.7 Hz开始显现，并随着振动频率的增加而改善。通常更常用固有频率来描述系统性能。）图4：负刚度隔振器示意图。（图片由Minus K Technology提供） "垂直运动的隔离是通过一个支撑重载的刚性弹簧结合负刚度机构实现的，"Minus K Technology工程副总裁埃里克·朗格说。"这样可以在不影响弹簧静态负载支撑能力的情况下，使净垂直刚度变得非常低。与垂直运动隔振器串联连接的梁柱提供了水平运动的隔离。梁柱就像一个弹簧与负刚度机构的组合。其结果是一个紧凑的被动隔振器，能够实现非常低的垂直和水平固有频率以及高的内部结构频率。" 负刚度隔振器展现出卓越的性能，这可以通过传递率曲线来衡量。振动传递率衡量的是通过隔振器传递的振动相对于输入振动的比例。 负刚度隔振器在调整到0.5 Hz时，在2 Hz处实现约93%的隔离效率；在5 Hz处达到99%；在10 Hz处达到99.7%。 放置在下层隔振平台之上的是上层测量平台。该平台支持两种操作模式： 它可以测量安装在测试台上的样品所施加的力和扭矩，精度达到微牛量级； 它可以在多个轴上同时主动产生并导向一个预定义的微振动扰动到样品上，以测试样品对此类扰动的敏感性。 "组件和子系统可以在卫星组装并发射到太空之前安装在此平台上进行测试，"维尔说。"这一点非常重要，因为该平台通过在六个自由度（6DoF）上施加微小、受控的力和扭矩来晃动卫星仪器和组件，从而模拟卫星在太空中从其组件处将经历的情况。"图5：上层测量平台。（图片由英国国家物理实验室提供） 为了实现上层平台所需的精度水平，NPL根据极其严格的要求定制设计并制造了系统的许多部件。这包括诸如作动器之类的设备，其磁体尺寸、绕组、线圈和线性度都是定制设计的。
验证卫星组件的微振动测量
微振动测试仪器使ESA能够高度确信，卫星机构在太空中产生的力和扭矩将与地球上微振动测试仪器上显示和验证的结果一致。ESA及其合同制造商依赖于NPL通过微振动测试仪器研发、验证和标准化的精确规范。负刚度隔振技术是本项目成功的关键。关于英国国家物理实验室（NPL）NPL是英国的国家计量机构，负责开发和维护国家主要测量标准。它是一家公共公司，隶属于英国政府商业、能源和工业战略部。NPL是国家计量系统的一部分，该系统为英国提供国家计量基础设施，并代表商业、能源和工业战略部实施英国计量战略。 NPL开展卓越的科学与工程研究，为英国带来非凡的影响力，并提供支撑英国繁荣和生活质量的计量能力。从加速新型抗生素和更有效的癌症治疗方法的研发，到开发不可破解的量子通信和超高速5G技术，其专业知识在研究、开发和测试新产品与工艺方面至关重要。
关于Minus K Technology公司Minus K® Technology公司成立于1993年，旨在基于其专利的负刚度技术开发、制造和销售先进的隔振产品。Minus K产品广泛应用于显微镜、纳米技术、生物科学、半导体、材料研究、航天器零重力模拟和高保真音响等领域。该公司是扫描探针显微镜、显微硬度测试仪及其他振动敏感仪器设备领域领先制造商的原始设备制造商供应商。Minus K的客户包括私营公司以及52个国家的300多所顶尖大学和政府实验室。
北京海科思锐光电仪器有限公司作为美国Minus K Technology公司正式授权代理商，已经在国内成功交付安装了多台其负刚度隔振平台，服务于激光干涉仪、电子显微镜等多个领域，对其产品的特点、适用范围有深入的了解，可以根据用户应用需求确定合适的隔振平台规格。
北京海科思锐作为一家专业的激光/光电产品代理公司，代理产品包括：各种激光器（半导体激光器，固体激光器，光纤激光器，气体激光器等，连续，纳秒，亚纳秒，皮秒，飞秒，单频，宽调谐激光器等），激光测试设备（激光功率计/能量计，光斑分析仪，M2仪，光谱仪，波长计，红外观察仪，光电探测器，自相关仪，spider等），激光与光学元器件（激光镜片，隔离器，光栅，滤波片，半导体激光电源，光纤器件），光谱仪器，光机械（光学隔震平台，位移台，调整架，光机组件等）。
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