JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تعد معايرة إمكانية التتبع للخصائص الميكانيكية لحامل الدفع شرطا أساسيا لضمان قياس إمكانية تتبع الدفع. هنا ، نصف كيفية معايرة حامل الدفع بواسطة القوة الكهروستاتيكية الناتجة عن مكثف اللوحة المتوازية.

Abstract

للدفاعات الدقيقة تطبيقات مهمة في الكشف عن موجات الجاذبية منخفضة التردد ، وتشكيل الأقمار الصناعية ، والاتصال بالليزر بين الأقمار الصناعية ، لذلك من الضروري قياس قوة دفع الدفاعات الدقيقة بدقة مع إمكانية التتبع. حامل الدفع هو جهاز قياس الدفع الصغير المستخدم على نطاق واسع مع مزايا الدقة العالية والحمل الكبير. تعد معايرة إمكانية التتبع للخصائص الميكانيكية لحامل الدفع شرطا أساسيا لضمان قياس إمكانية تتبع الدفع. في هذه الدراسة ، تم استخدام مكثف لوحة متوازية لمعايرة حامل الدفع عن طريق توليد قوة إلكتروستاتيكية ميكرونيوتن ، والتي يمكن إرجاعها إلى النظام الدولي للوحدات (SI). تم الحصول على نطاق تدرج السعة الثابت من خلال المحاكاة والحساب النظري. علاوة على ذلك ، يمكن تغيير القوة الكهروستاتيكية بالجهد القياسي مع مزايا المبدأ البسيط ، والزناد اللحظي ، وإمكانية التتبع. يمكن استخدام الجهاز لمعايرة إمكانية التتبع لحامل الدفع الصغير نيوتن بسبب التجميع البسيط ومسار التتبع القصير.

Introduction

لا غنى عن الدافع الصغير للمنصة التجريبية الفضائية فائقة الثبات وفائقة الثبات لتوفير دفع دقيق لتعويض القوة غير المحافظة على المركبة الفضائية في الوقت الفعلي في الكشف عن موجات الجاذبية منخفضة التردد. القياس الموثوق به لدفع الدافع الصغير في بيئة الضوضاء المعقدة هو الفرضية لتحقيق التحكم الخالي من السحب. لذلك ، من الضروري معايرة حامل الدفع بدقة عالية لإنشاء نموذج الاستجابة الميكانيكية. تشمل طرق معايرة حامل الدفع بشكل أساسي نوعين ، طرق معايرة التلامس وغير الاتصال.

تشمل طرق معايرة التلامس بشكل أساسي نظام وزن بكرة الحبل ، ومطرقة الصدمات ، والبندول الصدمي ، وهي طرق معايرة تقليدية. في عام 2002 ، استخدم Lake et al.1 الأوزان والبكرات لتطبيق قوة المعايرة في نطاق mN. في عام 2006 ، استخدم Polzin et al.2 أيضا نظاما أوتوماتيكيا مشابها لتحميل الأحمال الرأسية في ذراع التأرجح ، ولكن كان لديه خطأ كبير عندما كانت القوة أقل من 10 mN. في عام 2004 ، حصل Koizumi et al.3 على الزخم المتولد من خلال دمج القوة المسجلة بواسطة مستشعر القوة في عملية الاصطدام. كانت دقة مستشعر القوة 90 mN ، وكان الدافع الفعال 20-80 μNs ، وكان الخطأ الكلي 2.6 μNs عند 100 μNs. بندول الصدمات مناسب فقط لقياس النبضات الكبيرة لأن الاهتزاز الميكانيكي يؤثر بشكل خطير على المعايرة. على الرغم من سهولة إعداد طريقة معايرة التلامس ، إلا أنه لا يوجد خطأ في الانجراف ، وتكون القوة المعايرة بشكل عام أكبر من طرق عدم الاتصال. لذلك ، فهي غير مناسبة لمعايرة حامل الدفع للقوة الدقيقة.

تشمل طرق المعايرة غير الملامسة بشكل أساسي المعايرة الديناميكية للغاز والمعايرة الكهرومغناطيسية والمعايرة الكهروستاتيكية. في عام 2002 ، طور Jamison et al.4 تقنية معايرة ديناميكية للغاز ، والتي ولدت نطاق قوة 80 nN-1 μN ، و 86.2 nN دفع مع خطأ 10.7٪ ، و 712 nN دفع مع خطأ 2٪. يمكن لتقنية المعايرة الديناميكية للغاز أن تولد قوة nN و sub-μN بشكل موثوق بها وسهلة التنفيذ. ومع ذلك ، فهو نوع من تكنولوجيا المعايرة غير المباشرة التي لا يمكن تتبعها إلى النظام الدولي للوحدات (SI). علاوة على ذلك ، فإن المعايرة الديناميكية للغاز مناسبة فقط في الفراغ.

يمكن أن تكون القوة الكهرومغناطيسية صغيرة مثل ترتيب الميكرونيوتن ، وهناك علاقة خطية جيدة بين القوة الكهرومغناطيسية والتيار ، والتي تتمتع بقابلية تكرار جيدة. طور Tang et al.5 تقنية معايرة كهرومغناطيسية باستخدام مغناطيس دائم ولفائف. كان نطاق القياس 10-1000 ميكرونيوتن ، وكانت قوة المعايرة أقل من 10 ميكرونيوتن ، وموثوقية المعايرة 310 ميكرونيوتن هي 95٪. في عام 2013 ، استخدم He et al.6 المغناطيس الكهربائي الدائري مع فجوة الهواء والأسلاك النحاسية النشطة للمعايرة. كان عدم اليقين في المعايرة لقوة 150 ميكرونيوتن 4.17 ميكرونيوتن ، وكان لقوة المعايرة نطاق كبير ولم تكن حساسة لإزاحة ذراع حامل الدفع ، ولكن كانت هناك مشكلة في أن تيار السلك النحاسي سيمغنط قلب المغناطيس الكهربائي. في عام 2019 ، استخدم Lam et al.7 مغناطيسات مختلفة وملفات صوتية تجارية لمعايرة مجموعة واسعة من القوى. كان الهيكل مضغوطا وسهل التركيب. علاوة على ذلك ، كان نطاق القوة كبيرا ، مع أربعة أوامر من حيث الحجم من 30-23000 ميكرونيوتن ، وكانت أوجه عدم اليقين في القوة الساكنة والنبضية 18.47٪ و 11.38٪ على التوالي. ومع ذلك ، من أجل معايرة إطار الدفع ، لا يمكن تتبع القوة الكهرومغناطيسية إلى SI.

معايرة القوة الكهروستاتيكية هي تقنية المعايرة المباشرة الأكثر استخداما. استخدم Selden و Ketsdever8 مشطا إلكتروستاتيكي (ESC) كجهاز معايرة بنطاق قياس يبلغ عشرات الميكرونيوتن مع خطأ 3٪. تغيرت القوة بنسبة 2٪ حيث تغير تباعد الألواح بمقدار 1 مم. ومع ذلك ، يجب أن تكون المسافة بين الأسنان المجاورة هي نفسها ، والتي تنطبق فقط على حامل الدفع مع إزاحة صغيرة. في عام 2012 ، صمم Pancotti et al.9 مشطا إلكتروستاتيكي متماثل كان نطاق نبضه 0.01 mNs -20 mNs ، والذي يمكن أن يولد نبضة إلكتروستاتيكية أكبر. ومع ذلك ، يجب حل عيوب الهيكل المعقد والتلف السهل للمشط الكهروستاتيكي.

إنه شرط أساسي لتوفير قوة الميكرونيوتن التي يمكن تتبعها كقوة مرجعية لمعايرة حامل الدفع. تستخدم القوة الكهروستاتيكية على نطاق واسع لتتبع القوة إلى SI في معهد القياس10،11،12. تتميز القوة الكهروستاتيكية بمزايا المبدأ البسيط ، والزناد الفوري ، ومسار التتبع القصير. في هذه الدراسة ، تم تقديم مكثف اللوحة المتوازية لتوليد قوة إلكتروستاتيكية كقوة مرجعية لمعايرة حامل دفع البندول ، الذي يتناسب ناتج إزاحته مع الدفع المطبق. نسبة الدفع والإزاحة هي صلابة حامل الدفع. من خلال معايرة تدرج السعة للمكثف ، لم يكن من الضروري التحكم الصارم في وضع لوحين متوازيين. تم الحصول على نطاق تدرج السعة الثابت من خلال المحاكاة والحساب النظري. يمكن تعديل نطاق القوة الكهروستاتيكية من خلال تباعد ومساحة لوحين ، وهو ما كان مناسبا للمعايرة الفعالة لحامل الدفع بصلابة مختلفة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. الإدراك التجريبي

  1. اجمع جميع مكونات النظام ، بما في ذلك مكثف اللوحة المتوازية الدائرية ، والمرحلة الخطية الآلية ، وحامل الدفع ، وجسر السعة ، وأداة SMU ، ومقياس التداخل بالليزر ، والمكونات الأخرى ، كما هو موضح في الشكل 1.
  2. قم بتثبيت اللوحة A على المرحلة الخطية الآلية وقم بتثبيت اللوحة B على ذراع حامل الدفع ، مما يجعل اللوحين A و B متوازيين مع بعضهما البعض.
    ملاحظة: تتم معالجة الألواح عن طريق طحن عالي الدقة لسبائك الألومنيوم. يبلغ قطر اللوحة A 6 سم ، وقطر اللوحة B 4 سم ، لذلك يمكن تجاهل خطأ المحاذاة.
  3. تحكم في المسافة Dab بين الصفيحتين من خلال مرحلة خطية آلية (الدقة 0.625 ميكرومتر). تناسب اللوحين تماما ثم اسحب مسافة ثابتة تبلغ 1 مم من خلال المرحلة الخطية.
  4. قم بتوصيل جسر السعة (الدقة 0.8 aF ، الدقة ±5 جزء في المليون) باللوحين لقياس تباين السعة Cab مع تغيير تباعد اللوحة.
  5. قم بتطبيق جهد قياسي على المكثف بواسطة أداة وحدة قياس مصدر الجهد العالي (SMU) (الدقة 0.012٪ ، ±5 - ±1100 فولت) لتوليد قوة إلكتروستاتيكية عالية الدقة يمكن التحكم فيها.
  6. اضبط مقياس التداخل بالليزر (الدقة 10 نانومتر) لمواجهة ذراع حامل الدفع مباشرة ، وقياس الإزاحة x في الوقت الفعلي.

2. معايرة تدرج السعة

  1. لوحة القيادة A للانتقال إلى الجانب بعيدا عن اللوحة B بطول خطوة يبلغ 0.02 مم بواسطة المرحلة الخطية الآلية ، وجعل تباعد اللوحة الأولي يساوي 1 مم.
  2. قم بقياس قيمة السعة لللوحين المتوازيين بواسطة جسر السعة بعد كل خطوة حتى يصبح التغيير النسبي في تباعد اللوحة 0.12 مم.
  3. ابدأ خطوة عكسية بطول 0.02 مم للعودة إلى الموضع الأولي.
  4. قم بإجراء ما مجموعه خمس تجارب قابلة للتكرار.
  5. تناسب النتائج للحصول على العلاقة بين تدرج السعة وتباعد اللوحة لمكثف اللوحة المتوازية ، dCab / ddab.

3. معايرة القوة الكهروستاتيكية لحامل الدفع

  1. افصل جسر المكثف عن مكثف اللوحة المتوازية.
  2. قم بتوصيل اللوحين بأداة SMU واجعل المسافة بين اللوحين تساوي 1 مم.
  3. قم بزيادة الجهد U من الصفر خطوة بخطوة في كلا لوحين المكثف بقيمة خطوة 50 فولت حتى يصبح الجهد المطبق 300 فولت. القوة الكهروستاتيكية F تساوي 1 / 2U2 (dCab / dd ab).
  4. استخدم مقياس التداخل بالليزر لقياس الإزاحة x لذراع حامل الدفع في الوقت الفعلي. اضبط تردد أخذ العينات لمقياس التداخل بالليزر على 50 هرتز.
  5. قم بتقليل الجهد U من 300 فولت خطوة بخطوة في كلا لوحي المكثف بقيمة خطوة 50 فولت حتى يصبح الجهد المطبق صفرا.
  6. قم بإجراء ما مجموعه خمس تجارب قابلة للتكرار.
  7. تناسب النتائج للحصول على العلاقة بين القوة الكهروستاتيكية F والإزاحة x لذراع حامل الدفع. احسب صلابة k لحامل الدفع وفقا لقانون هوك ، k = F / x.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

باتباع البروتوكول ، تتم معايرة تدرج السعة وصلابة حامل الدفع. يجب إدخال مبدأ القوة الكهروستاتيكية. ستكون هناك حركة نسبية Dab بين لوحين مشحونين تحت تأثير القوة الخارجية F. علاوة على ذلك ، سيتم تحويل العمل W بالقوة الخارجية إلى طاقة كهربائية E مخزنة ف?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

في هذا البروتوكول ، تم استخدام مكثف لوحة متوازية لمعايرة حامل الدفع عن طريق توليد قوة إلكتروستاتيكية ميكرو نيوتن ، والتي يمكن إرجاعها إلى SI. من الأهمية بمكان لجميع الخطوات معايرة تدرج السعة بدقة. جعلت المرحلة الخطية الآلية التباعد الأولي بين الألواح لمكثف اللوحة المتوا...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

نشكر المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 11772202) على تمويل هذا العمل.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Motorized linear stageZolixTSA50-CResolution 0.625 μm
Capacitance bridgeAndeen-HagerlingAH2550AResolution 0.8 aF, Accuracy ±5 PPM
High voltage source measure unit (SMU) instrumentKeithley2410Precision 0.012%, ±5 μV– ±1100 V
Laser interferometerRenishawRLE10Resolution 10 nm
Circular parallel plate capacitorProcessed by high precision grindingThe plates are processed by high precision grinding of aluminum alloy. The diameter of plate A is 6 cm, and the diameter of plate B is 4 cm.
Thrust standProcessed by high precision grindingPendulum type thrust stand

References

  1. Lake, J. P., et al. Resonant Operation of a Micro-Newton Thrust Stand[C]. AIAA,38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 3821, (2002).
  2. Polzin, K. A., Markusic, T. E., Stanojev, B. J., DeHoyos, A., Spaun, B. Thrust stand for electric propulsion performance evaluation. Review of Scientific Instruments. 77 (10), 105108(2008).
  3. Koizumi, H., Komurasaki, K., Arakawa, Y. Development of thrust stand for low impulse measurement from microthrusters. Review of Scientific Instruments. 75 (10), 3185(2004).
  4. Jamison, A. J., Ketsdever, A. D., Muntz, E. P. Gas dynamic calibration of a nano-Newton thrust stand. Review of Scientific Instruments. 73 (10), 3629(2002).
  5. Tang, H., Shi, C., Zhang, X., Zhang, Z., Cheng, J. Pulsed thrust measurements using electromagnetic calibration techniques. Review of Scientific Instruments. 82 (3), 035118(2011).
  6. He, Z., et al. Precision electromagnetic calibration technique for micro-Newton thrust stands. Review of Scientific Instruments. 84 (5), 055107(2013).
  7. Lam, J. K., Koay, S. C., Lim, C. H., Cheah, K. H. A voice coil based electromagnetic system for calibration of a sub-micronewton torsional thrust stand. Measurement. 131, 597-604 (2019).
  8. Selden, N. P., Ketsdever, A. D. Comparison of force balance calibration techniques for the nano-Newton range. Review of Scientific Instruments. 74 (12), 5249(2003).
  9. Pancotti, A. P., Gilpin, M., Hilario, M. S. Comparison of electrostatic fins with piezoelectric impact hammer techniques to extend impulse calibration range of a torsional thrust stand. Review of Scientific Instruments. 83 (3), 035109(2012).
  10. Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).
  11. Zheng, Y., et al. Elegant shadow making tiny force visible for water-walking arthropods and updated Archimedes' principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  12. Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), (2015).
  13. Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
  14. Zheng, Y., Zhao, M., Sun, P., Song, L. Optimization of electrostatic force system based on Newton interpolation method. Journal of Sensors. 2018, 1-7 (2018).
  15. Zheng, Y., et al. A multiposition method of viscous measurement for small-volume samples with high viscous. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 69 (7), 4995-5001 (2020).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

SI

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved