平板振动器

近日从在苏州召开的“创新驱动发展成就展暨军民融合交流大会”上获悉，我国拥有自主知识产权的世界最大单台推力电动振动台在苏州问世。这台推力达到50吨的大型电动振动台由苏州东陵振动试验仪器公司独立研发，已通过中国计量科学研究院的校准验证。　　据该公司总设计师江运泰介绍，研究团队在50吨振动台的研发过程中，相继攻克了动圈的一阶轴向共振频率控制、驱动线圈绕组冷却效果控制、内短路环冷却效果控制、功率放大器与振动台阻抗匹配等关键技术难关。与国外单台最大推力电动振动台相比，新问世的振动台在最大正弦力、最大位移、最大随机力等5项关键技术指标上领先，其他3项关键技术指标持平。　　据了解，在产品故障失效事件中，30%的事件是由振动引起的。因此，振动试验成为预计产品的振动特性以及检验产品性能及其可靠性的必不可少的技术手段。　　近年来，我国相继开展登月工程、大飞机工程、高铁工程等国家重点工程，对振动试验设备的推力需求不断加大，国内科研单位迫切需求大推力的电动振动试验设备。在单台50吨电动振动器问世之前，国内外为满足振动试验需求，采取两台或多台振动台并机激振的方式来解决单台振动台激振推力不足的难题。“并机系统有诸多先天性缺陷，是一种推力达不到情况下的权宜之策。”江运泰告诉《中国科学报》记者。　　他介绍说，多台并机结构需要在多台小推力的振动台顶部附加一个大尺寸、大质量的公共台面，附加台面易引起台面振型模态的变化、大幅降低台面运动的均匀度指标等试验问题，从而使整个振动试验系统的有效推力与可靠性大幅降低。　　该公司于2008年研制出35吨级电动振动台，打破了欧美对该设备的技术垄断与禁运封锁，成为当时世界上最先进的电动振动台。中国工程院院士王子才表示，50吨电动振动台部分指标已经达到并超过国际先进水平，“让国际为之振动”。

众所周知，任何机器的运转都会产生振动，有些振动代表运行正常，而有些振动则表示故障的初始信号。在预测维护领域，检测振动特征是诊断过程的关键因素，通过振动检测可以确定并缓解问题，以免发生更严重的事件。今天，小菲就给大家介绍下通过感应、放大和测量细微运动，使用户可以看到工厂资产（例如机器）上的振动特征，保障机器的正常运行。传统检测费时费力，停机成本高昂传统检测机器震动的方法是在机器上部署有线传感器（例如接触式加速计）监视出现的振动。在从传感器获取数据后，对该数据进行工作振型分析，以呈现机器运动的动画模型，从而使振动模式可视化。但是据RDI Technologies（美国田纳西州诺克斯维尔）的创始人和CEOJeff Hay博士称，该技术不仅需要花时间从多个点处采集测量数据，而且还需要能接触机器。在机器不便接触或根本接触不到时（机器前方有重重障碍或玻璃），该技术往往没有使用的可能性。另外，传统的接触式测量在安装加速计时经常需要机器停止运行，致使产生因停工而带来的高昂成本。为此，RDI Technologies的工程师开发出了一款名为Iris M的非接触式视频处理系统，该系统使用FLIR机器视觉相机感应、放大和测量机器引起的细微振动，消除了使用早期技术本身固有的缺陷。Iris M系统使用装在Vanguard三脚架上的FLIR 2.3Mpixel Grasshoppper3相机，此相机以默认分辨率为1920x1050、速度为120帧/秒的规格获取单色图像数据。从相机获取的数据将通过USB 3.0接口传输到平板电脑上，在此使用公司专用软件进行分析，使用户可以看到工厂资产（例如机器）上的振动特征。选择FLIR机器视觉相机的原因在Iris M系统中，FLIR机器视觉相机相当于数据获取的设备，它收集视频图像，然后从中提取和分析运动。FLIR 2.3Mpixel Grasshoppper3 GS3-U3-23S6M-C相机装在Vanguard三脚架上，以默认分辨率为1920x1050、速度为120 帧/秒的规格获取单色图像数据。 获取后的数据会通过防脱落电缆经USB 3.0接口从相机传输到Getac F110或Microsoft Surface Book的平板电脑上。“然后电脑软件Motion Amplification的专用视频处理算法会使机器振动可视化。它将逐帧分析每幅图像的像素，确定场景中哪些部分在移动。接下来，它将场景中所有运动振幅的幅度更改放大至肉眼可见的程度，从而加强对引起任何振动的组件之间的理解，”Hay 博士说道。通过使用电脑上运行的图形用户界面，用户可以选择图像的某一部分进行下一步分析。该系统软件将显示与这些区域关联或与时间相关的强度数据。然后可以使用各种数学函数（例如快速傅里叶变换，又称 FFT），将与时间相关的强度数据集转换为与频率相关的强度数据。随后将向用户呈现场景所选部分不同频率的未放大振幅和振动阶段。Iris M系统灵敏度高，可推广更多行业自从2016年第3季度发布以来，Iris M系统已经改变了行业内人士使用机器监控观察振动的方式。该系统不仅易于使用，还可反馈给用户可见的、简单明了的视频图像，以便用户更好地了解设备运行状况。据Hay博士称，选择FLIR Grasshopper相机已成为该系统大获成功的一个关键性原因。该相机具有12 位动态范围，可以捕获图像中亮光照射和黑暗区域之间像素强度的细微差别，使该系统软件相比于其他软件能够提取更详细的变化情况。Grasshopper相机系列将CCD和CMOS技术与Point Grey的专门技术相结合，实现了高性能、高质量的成像。但同样重要的是Motion Amplification算法本身， “得益于这套独特的算法，Iris 在测量位移方面比传统基于图像的测量工具要大约灵敏100倍。另外，在必要时，Iris M能够直接从图像点测量，可用于量化运动的位移，而不必通过解释该点测量来确定运动种类和呈现的错误，”他说。 这种技术的另一大好处就是数据反馈的速度和数据的详细程度。与传统的接触式测量系统不同，它还可以扩展，因为可以同时测量相机视野内的所有资产振动。另外，它还使自己成为技术人员和非技术人员用户之间良好的沟通工具，因为任何资产的任何问题根源都可直接在视频中看到。新系统已在各种实用应用中部署，除执行对工业资产（例如机器）的状态监控外，Iris M系统也可用于分析桥梁、建筑和相似结构的结构完整性。此外，它还可以用于生物医学监控应用，以评估个体呼吸作用。

随着科学技术的发展，越来越多的研究人员希望在低温下进行量子光学实验，但却没有空间放置占用几立方米宝贵实验室空间的大型低温恒温器。针对此问题，国际知名低温显微镜领域制造商attocube systems AG公司推出了全新一代立光学低温恒温器attoDRY800xs。attoDRY800xs将attoDRY800的革命性概念提升到了一个新的水平，成为量子光学实验中紧凑的平台。该平台可定制低温护罩，配备您想要的光学设置，集成到光学平板中。attoDRY800xs是有史以来个立的光学低温恒温器，低温样品空间地嵌入到一个无障碍的工作空间中。图1. 全新一代立光学低温恒温器attoDRY800xs。 根据典型配置，我们设计了几种标准真空罩和冷屏，它们在定位器、样品架、工作距离和目标方面进行了优化。图2为可配置的低温物镜兼容真空罩，该真空罩内可配置attocube有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台。如果仍然不够，可以根据用户的技术要求和偏好定制桌面上方的任何内容。图2：低温物镜兼容真空罩。 尽管设计紧凑，但attoDRY800xs仍能提供出色的超低振动性。图3中激光干涉仪直接测量冷头位置的振动，垂直方向的峰间振动小于2纳米（3纳米），而在横向上低于10纳米（40纳米），带宽为200赫兹（1500赫兹）。图3. attoDRY800xs样品区域振动水平测试结果 紧凑的光学低温恒温器attoDRY800xs保留了原始attoDRY800的所有关键优势，例如类似的低振动性能、通过可定制的真空护罩实现的多功能性，以及自动温度控制、气体处理和远程控制。 因此，attoDRY800xs可以直接在其光学平板上建立一个立的实验，也可以将其放置在现有较大的光学台附近，光学元件之间进行光纤耦合。简而言之， attoDRY800xs为您的科学研究提供一个小型紧凑但功能依然强大的光学低温平台。 attoDRY800xs主要技术特点：☛ 只需要17英寸x28英寸的实验室空间☛ 光学面包架和闭式循环低温恒温器地结合在一起☛ 宽温度范围（3.8 K… 300 K）☛ 用户友好、多功能、模块化☛ 与低温消色差物镜兼容☛ 可定制的真空罩☛ 与典型光学桌的高度相同☛ 自动温度控制☛ 包含36根直流电线attoDRY800应用案例：1. InGaN量子点作为单光子源的提升与改进 虽然量子点通常被认为是单光子源的佳候选，但它们的实际性能在很大程度上取决于化学成分。在氮化物量子点的特殊情况下，一方面它们即使在温度高达350 K的情况下可以发射单光子，另一方面它们的发射会显著加宽。为了了解优化其性能的佳方法，Robert Taylor小组（英国牛津大学）对InGaN量子点的光致发光进行了广泛的研究，发现在非性平面上生长的量子点与性氮化物点相比，光谱扩散率降低，寿命显著缩短。由于在配备有ANPxyz101位移台的attoDRY800低温恒温器中进行了低温光致发光测量，这些发现得以实现。【参考】Robert A. Taylor, et al Decreased Fast Time Scale Spectral Diffusion of a Nonpolar InGaN Quantum Dot. ACS Photonics 2022, 9, 1, 275–281 2. 悬浮纳米颗粒的量子控制 attoDRY800不仅能够为量子光学实验提供一个无障碍的实验平台，而且还可以确保非常干净的高真空条件。Lukas Novotny（瑞士苏黎世ETH）团队出色地利用了这些特性，他们次在低温环境中光学悬浮介电纳米颗粒，并实现了对其运动的量子控制。由于在低温环境中抑制气体碰撞和黑体光子发射所提供的低水平的退相干，从而允许将粒子的运动反馈冷却到量子基态，从而实现了这些结果，反馈控制依赖于粒子位置的无腔光学测量，该测量接近海森堡关系的小值，在2倍以内。此外，量子研究的重要性以及Novotny在其中的作用在ETH董事会2021年的年度报告中有所体现。【参考】Lukas Novotny, et al Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space, Nature, 595, 378–382 (2021) 3. 增强单光子量子密钥分配 按下按钮即可发射单光子的工程量子光源是量子通信协议的基本组件。为了大限度地提高量子密钥分发的预期安全密钥和通信距离，柏林理工大学（德国柏林）的Tobias Heindel团队开发了一些工具，以优化使用此类工程单光子发射器实现的量子密钥分发性能。利用二维时间滤波，可以优化预期的安全密钥以及通信距离。该小组在一个基本的量子密钥分发试验台上完成了他们的常规工作，该试验台包括一个量子点装置，该装置向一个四端口接收器发送单光子脉冲，分析飞行量子比特的化状态。单光子源安装在光学attoDRY800光学恒温器的冷台上，冷台与光学平台的集成为光学平台上的冷点提供了简单的解决方案。该团队的方法进一步证明了通过光子统计进行实时安全监控，这是量子通信安全认证的重要一步。【参考】Tobias Heindel, et al Tools for the performance optimization of single-photon quantum key distribution.npj Quantum Information , 6, 29 (2020) 4. 易于使用的单光子实验平台 有效地产生单个、不可区分的光子对于光学量子信息处理的发展至关重要。具体而言，按需创建单光子的探索仅限于某些类型的源和技术。为了实现这一目标，Quandela公司提供光学配件和先进的固态源设备，这些设备每秒可发射数百万个量子纯光子。将attocube的闭式循环低温恒温器attoDRY800与Quandela的半导体量子点发射器相结合，可为复杂的实验和协议提供可靠且易于使用的先进固态单光子源。通过这种稳健的设置，很容易使用单光子源按需生成零、一或两个光子的量子叠加加速芯片多光子实验，并证明该技术可用于大规模制造相同的源。【参考】J. C. Loredo, et al Generation of non-classical light in a photon-number superposition，Nature Photonics ,13, 803–808(2019) 5. 高压下的纳米量子传感器 压力会影响从行星内部的性质到量子力学相位之间的转换等现象。然而，在高压实验装置（如金刚石砧座单元）中产生的巨大应力梯度限制了大多数常规光谱学技术的应用。为了应对这一挑战，由三个小组（按字母顺序）立开发了一种新型纳米传感平台：Jean-Francois Roch小组（法国巴黎大学）、Sen Yang小组（中国香港中文大学）和Norman Yao小组（美国加州大学伯克利分校）。研究人员利用集成在砧座单元中的量子自旋缺陷，在端压力和温度下以衍射限的空间分辨率检测到了微小信号。为此，Norman Yao及其同事使用了台式集成闭合循环attoDRY800低温恒温器，这是快速控制金刚石砧座温度的理想平台，同时提供了大的样品室和自由光束通道。【参考】N.Y.Yao, et al Imaging stress and magnetism at high pressures using a nanoscale quantum sensor,Science 2019:366, 6471,1349-1354 6. 低温拉曼研究气相沉积的二维材料NiI2晶体磁学性质 范德瓦尔斯磁性材料的发现引起了材料科学和自旋电子学界的大关注。制备原子厚度以下的超薄磁性层是一项具有挑战性的工作。纳米科学中心的谢黎明研究员团队报道了气相沉积的NiI2范德华晶体，在SiO2/Si衬底上生长的二维NiI2薄片为5−40纳米，在六角氮化硼（h-BN）上可生长原子层厚度的晶体。随温度变化的拉曼光谱揭示了生长的二维NiI2晶体中的磁性相变。该研究工作使用attoDRY800光学低温恒温器进行了样品冷却，低温物镜（LT-APO/VIS/0.82）用于激光聚焦和信号采集。这项工作为外延二维磁性过渡金属卤化物提供了一种可行的方法，也为自旋电子器件提供了原子层厚度的材料。【参考】Liming XIE, et al Vapor Deposition of Magnetic Van der Waals NiI2 Crystals, ACS Nano 2020, 14, 8, 10544–10551. 7. 范德华异质结构中局域层间激子间的偶相互作用 虽然自由空间中的光子几乎没有相互作用，但物质可以调解它们之间的相互作用，从而产生光学非线性。这种单量子水平上的相互作用会导致现场光子排斥，对于基于光子的量子信息处理和实现光的强相互作用多体态至关重要。美国Ajit Srivastava课题组报道了异质双层MoSe2/WSe2中电场可调的局部化层间激子之间的排斥偶-偶相互作用。具有平面外非振荡偶矩的单个局部化激子的存在将二激发的能量增加约2 meV：大于发射线宽的一个数量，对应于约7 nm的偶间距离。样品被装入闭循环低温恒温器attoDRY800中，课题组自制了低温（~ 4K）显微镜进行PL测量。在较高的激发功率下，多激子络合物以较高的系统能量出现。该发现是朝着创建激子少体和多体态迈出的一步，例如范德华异质结构中具有自旋谷旋量的偶晶体。 【参考】Ajit Srivastava, et al Dipolar interactions between localized interlayer excitons in van der Waals heterostructures, Nature Materials, 19, 624–629(2020) 8. 单层WS2范德华异质结构腔中的光吸收 单层过渡金属二卤化物（TMD）中的激子控制着它们的光学响应并显示出由寿命限制的光−物质强相互作用。虽然各种方法已被应用于增强TMD中的光激子相互作用，但所达到的强度远远不足，并且尚未提供其潜在物理机制和基本限制的完整图片。西班牙Koppens课题组介绍了一种基于TMD的范德瓦尔斯异质结构腔，它提供了在超低激发功率下观察到的近100%激子吸收和激子复合物发射。低温恒温器attoDRY800为光谱吸收实验提供了不同的温度条件（4K-300K）。实验的结果与描述光的激子−空腔相互作用的量子理论框架完全一致。研究发现，辐射、非辐射和退相衰变率之间的微妙相互作用起着至关重要的作用，并揭示了二维系统中激子的普遍吸收定律。此增强型光−激子相互作用为研究激子相变和量子非线性提供了一个平台，为基于二维半导体的光电子器件提供了新的可能性。 【参考】Frank H. L. Koppens, et al Near-Unity Light Absorption in a Monolayer WS2 Van der Waals Heterostructure Cavity, Nano Lett. 2020, 20, 5, 3545–3552图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。