Die rückführbare Kalibrierung des Schubstandes durch elektrostatische Kraft

Zusammenfassung

Die Rückverfolgbarkeit Die Kalibrierung der mechanischen Eigenschaften des Schubstandes ist eine wesentliche Voraussetzung, um die Rückverfolgbarkeit der Schubmessung zu gewährleisten. Hier beschreiben wir, wie der Schubstand durch die elektrostatische Kraft kalibriert wird, die vom Parallelplattenkondensator erzeugt wird.

Zusammenfassung

Mikrotriebwerke haben wichtige Anwendungen bei der Detektion niederfrequenter Gravitationswellen, der Satellitenbildung und der Laserkommunikation zwischen Satelliten, daher ist es notwendig, den Schub von Mikrotriebwerken genau und rückverfolgbar zu messen. Ein Schubständer ist ein weit verbreitetes Mikroschubmessgerät mit den Vorteilen einer hohen Auflösung und großen Last. Die Rückverfolgbarkeit Die Kalibrierung der mechanischen Eigenschaften des Schubstandes ist eine wesentliche Voraussetzung, um die Rückverfolgbarkeit der Schubmessung zu gewährleisten. In dieser Studie wurde ein Parallelplattenkondensator verwendet, um den Schubstand zu kalibrieren, indem eine elektrostatische Kraft im Mikronewton erzeugt wurde, die auf das Internationale Einheitensystem (SI) zurückgeführt werden konnte. Der konstante Kapazitätsgradientenbereich wurde durch Simulation und theoretische Berechnung ermittelt. Darüber hinaus kann die elektrostatische Kraft durch Standardspannung mit den Vorteilen des einfachen Prinzips, der sofortigen Auslösung und der Rückverfolgbarkeit geändert werden. Das Gerät kann aufgrund der einfachen Montage und des kurzen Rückverfolgbarkeitsweges für die Rückverfolgbarkeitskalibrierung von Mikro-Newton-Schubstativen verwendet werden.

Einleitung

Das Mikrotriebwerk ist für die ultrastatische und ultrastabile Weltraumexperimentierplattform unverzichtbar, um Mikroschub bereitzustellen, um die nicht-konservative Kraft auf das Raumfahrzeug in Echtzeit bei der Niederfrequenz-Gravitationswellendetektion auszugleichen. Eine zuverlässige Messung des Schubs des Mikrotriebwerks in der komplexen Geräuschumgebung ist die Voraussetzung für eine widerstandsfreie Regelung. Daher ist es unerlässlich, den Schubstand mit hoher Präzision zu kalibrieren, um das Modell des mechanischen Ansprechverhaltens zu etablieren. Die Kalibriermethoden des Schubständers umfassen hauptsächlich zwei Typen, die kontaktberührungslose und die berührungslose Kalibriermethode.

Zu den Kontaktkalibrierungsmethoden gehören hauptsächlich das Seilrollengewichtssystem, der Schlaghammer und das Schlagpendel, bei denen es sich um traditionelle Kalibriermethoden handelt. Im Jahr 2002 verwendeten Lake et ^al.1 Gewichte und Riemenscheiben, um eine Kalibrierkraft im Bereich von mN aufzubringen. Im Jahr 2006 verwendeten Polzin et ^al.2 ebenfalls ein ähnliches automatisches System, um vertikale Lasten in den Schwenkarm zu laden, aber es hatte einen großen Fehler, wenn die Kraft weniger als 10 mN betrug. Im Jahr 2004 erhielten Koizumi et ^al.3 den erzeugten Impuls, indem sie die vom Kraftsensor erfasste Kraft in den Kollisionsprozess integrierten. Die Auflösung des Kraftsensors betrug 90 mN, der effektive Impuls 20-80 μNs und der Gesamtfehler 2,6 μNs bei 100 μNs. Das Schlagpendel ist nur für die Messung großer Impulse geeignet, da mechanische Schwingungen die Kalibrierung stark beeinträchtigen. Obwohl die Kontaktkalibrierungsmethode einfach einzurichten ist, gibt es keinen Driftfehler, und die kalibrierte Kraft ist im Allgemeinen größer als bei den berührungslosen Methoden. Daher ist es nicht für die Kalibrierung des Mikrokraft-Schubständers geeignet.

Zu den berührungslosen Kalibriermethoden gehören hauptsächlich die dynamische Gaskalibrierung, die elektromagnetische Kalibrierung und die elektrostatische Kalibrierung. Im Jahr 2002 entwickelten Jamison et ^al.4 eine gasdynamische Kalibriertechnologie, die einen Kraftbereich von 80 nN-1 μN, 86,2 nN Schub mit 10,7 % Fehler und 712 nN Schub mit 2 % Fehler erzeugte. Die gasdynamische Kalibriertechnik kann nN- und sub-μN-Kräfte zuverlässig erzeugen und ist einfach zu implementieren. Es handelt sich jedoch um eine Art indirekte Kalibriertechnologie, die nicht auf das Internationale Einheitensystem (SI) zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus ist die gasdynamische Kalibrierung nur im Vakuum geeignet.

Die elektromagnetische Kraft kann so klein wie die Größenordnung von Mikronewton sein, und es besteht eine gute lineare Beziehung zwischen der elektromagnetischen Kraft und dem Strom, die eine gute Wiederholbarkeit aufweist. Tang et ^al.5 entwickelten eine elektromagnetische Kalibriertechnologie mit einem Permanentmagneten und einer Spule. Der Messbereich betrug 10-1000 μNs, die Kalibrierkraft betrug weniger als 10 mN und die Kalibrierzuverlässigkeit von 310 μN beträgt 95%. Im Jahr 2013 verwendeten He et ^al.6 den Ringelektromagneten mit Luftspalt und den unter Spannung stehenden Kupferdraht zur Kalibrierung. Die Kalibrierunsicherheit von 150 μN Kraft betrug 4,17 μN, und die Kalibrierkraft hatte einen großen Bereich und war nicht empfindlich gegenüber der Verschiebung des Schubständerarms, aber es gab ein Problem, dass der Kupferdrahtstrom den Elektromagnetkern magnetisieren würde. Im Jahr 2019 verwendeten Lam et ^al.7 verschiedene Magnete und kommerzielle Schwingspulen, um ein breites Spektrum an Kräften zu kalibrieren. Die Struktur war kompakt und einfach zu installieren. Darüber hinaus war der Kraftbereich mit vier Größenordnungen von 30-23000 μN groß, und die Unsicherheiten der statischen Kraft und der Impulskraft betrugen 18,47 % bzw. 11,38 %. Für die Kalibrierung des Schubrahmens ist die elektromagnetische Kraft jedoch nicht auf SI rückführbar.

Die elektrostatische Kraftkalibrierung ist die am weitesten verbreitete Technik der direkten Kalibrierung. Selden und Ketsdever⁸ verwendeten als Kalibriergerät einen elektrostatischen Kamm (ESC) mit einem Messbereich von Dutzenden Mikronewton mit einem Fehler von 3%. Die Kraft änderte sich um 2 %, wenn sich der Plattenabstand um 1 mm änderte. Der Abstand zwischen den Nachbarzähnen sollte jedoch gleich sein, was nur für den Schubständer mit geringer Verschiebung galt. Im Jahr 2012 entwarfen Pancotti et ^al.9 einen symmetrischen elektrostatischen Kamm mit einem Impulsbereich von 0,01 mNs-20 mNs, der einen größeren elektrostatischen Impuls erzeugen konnte. Die Nachteile der komplexen Struktur und der leichten Beschädigung des elektrostatischen Kamms müssen jedoch gelöst werden.

Voraussetzung ist es, die rückführbare Mikronewtonkraft als Referenzkraft zur Kalibrierung des Schubstandes zur Verfügung zu stellen. Die elektrostatische Kraft wird häufig verwendet, um die Kraft auf SI im Metrologieinstitut^{zurückzuverfolgen} 10,11,12. Die elektrostatische Kraft hat die Vorteile des einfachen Prinzips, der sofortigen Auslösung und des kurzen Verfolgungswegs. In dieser Studie diente der Parallelplattenkondensator zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft als Referenzkraft zur Kalibrierung des Pendelschubständers, dessen Auslenkungsabgabe proportional zum aufgebrachten Schub ist. Das Verhältnis von Schub und Verdrängung ist die Steifigkeit des Schubständers. Durch die Kalibrierung des Kapazitätsgradienten des Kondensators war es nicht erforderlich, die Pose von zwei parallelen Platten streng zu kontrollieren. Der konstante Kapazitätsgradientenbereich wurde durch Simulation und theoretische Berechnung ermittelt. Der Bereich der elektrostatischen Kraft konnte durch den Abstand und die Fläche von zwei Platten eingestellt werden, was für eine effiziente Kalibrierung des Schubstandes mit unterschiedlicher Steifigkeit geeignet war.

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Protokoll

1. Experimentelle Umsetzung

1. Sammeln Sie alle Systemkomponenten, einschließlich des kreisförmigen Parallelplattenkondensators, des motorisierten Lineartisches, des Schubständers, der Kapazitätsbrücke, des SMU-Instruments, des Laserinterferometers und anderer Komponenten, die in Abbildung 1 gezeigt sind.
2. Befestigen Sie die Platte A auf dem motorisierten Lineartisch und die Platte B auf dem Arm des Schubständers, so dass die Platten A und B parallel zueinander sind.
   HINWEIS: Die Platten werden durch hochpräzises Schleifen von Aluminiumlegierungen verarbeitet. Der Durchmesser von Platte A beträgt 6 cm und der Durchmesser von Platte B 4 cm, sodass der Ausrichtungsfehler ignoriert werden kann.
3. Den Abstand D_ab zwischen den beiden Platten wird durch einen motorisierten Lineartisch (Auflösung 0,625 μm) geregelt. Montieren Sie die beiden Platten vollständig und ziehen Sie dann einen festen Abstand von 1 mm durch den Lineartisch.
4. Verbinden Sie die Kapazitätsbrücke (Auflösung 0,8 aF, Genauigkeit ±5 PPM) mit den beiden Platten, um die Kapazitätsabweichung C_ab mit der Änderung des Plattenabstands zu messen.
5. Anlegen einer Standardspannung an den Kondensator mit einem SMU-Instrument (Precision 0,012 %, ±5 - ±1100 V), um eine steuerbare, hochpräzise elektrostatische Kraft zu erzeugen.
6. Stellen Sie das Laserinterferometer (Auflösung 10 nm) so ein, dass es direkt auf den Arm des Schubständers zeigt, und messen Sie die Verschiebung x in Echtzeit.

2. Kalibrierung des Kapazitätsgradienten

1. Treiben Sie die Platte A so an, dass sie sich mit einer Schrittlänge von 0,02 mm von der Platte B weg durch den motorisierten Lineartisch zur Seite bewegt und den anfänglichen Plattenabstand auf 1 mm erhöht.
2. Messen Sie den Kapazitätswert der beiden parallelen Platten nach jedem Schritt an der Kapazitätsbrücke, bis die relative Änderung des Plattenabstands 0,12 mm beträgt.
3. Beginnen Sie einen Rückwärtsschritt mit einer Länge von 0,02 mm, um in die Ausgangsposition zurückzukehren.
4. Führen Sie insgesamt fünf wiederholbare Experimente durch.
5. Passen Sie die Ergebnisse an, um die Beziehung zwischen dem Kapazitätsgradienten und dem Plattenabstand des parallelen Plattenkondensators, dC_ab/dD_ab, zu erhalten.

3. Kalibrierung der elektrostatischen Kraft des Schubständers

1. Trennen Sie die Kondensatorbrücke vom Parallelplattenkondensator.
2. Verbinden Sie die beiden Platten mit dem SMU-Instrument und machen Sie einen Abstand zwischen den beiden Platten auf 1 mm.
3. Erhöhen Sie die Spannung U an beiden Platten des Kondensators schrittweise von Null mit einem Schrittwert von 50 V, bis die angelegte Spannung 300 V beträgt. Die elektrostatische Kraft F ist gleich 1/2U²(dC_ab/dD_ab).
4. Verwenden Sie das Laserinterferometer, um die Verschiebung x des Schubstandarms in Echtzeit zu messen. Stellen Sie die Abtastfrequenz des Laserinterferometers auf 50 Hz ein.
5. Verringern Sie die Spannung U von 300 V an beiden Platten des Kondensators schrittweise mit einem Schrittwert von 50 V, bis die angelegte Spannung Null ist.
6. Führen Sie insgesamt fünf wiederholbare Experimente durch.
7. Passen Sie die Ergebnisse an, um das Verhältnis zwischen der elektrostatischen Kraft F und der Verschiebung x des Schubstandarms zu erhalten. Berechnen Sie die Steifigkeit k des Schubständers nach dem Hookeschen Gesetz, k = F/x.

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Ergebnisse

Gemäß dem Protokoll werden der Kapazitätsgradient und die Steifigkeit des Schubstandes kalibriert. Das Prinzip der elektrostatischen Kraft sollte eingeführt werden. Zwischen zwei geladenen Platten findet unter Einwirkung der äußeren Kraft F eine Relativbewegung D_ab statt. Darüber hinaus wird die Arbeit W durch äußere Kraft in elektrische Energie E umgewandelt, die im Kondensator gespeichert ist. Die Potentialdifferenz U, di...

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Diskussion

In diesem Protokoll wurde ein Plattenkondensator verwendet, um den Schubstand zu kalibrieren, indem eine elektrostatische Mikronewton-Kraft erzeugt wurde, die auf SI zurückgeführt werden konnte. Für alle Schritte ist es entscheidend, den Kapazitätsgradienten genau zu kalibrieren. Der motorisierte Lineartisch stellte den anfänglichen Plattenabstand dieses parallelen Plattenkondensators auf 1 mm ein und bewegte die Platte A in einem Schritt von 0,02 mm. Die Kapazitätsbrücke wurde zu...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Motorized linear stage	Zolix	TSA50-C	Resolution 0.625 μm
Capacitance bridge	Andeen-Hagerling	AH2550A	Resolution 0.8 aF, Accuracy ±5 PPM
High voltage source measure unit (SMU) instrument	Keithley	2410	Precision 0.012%, ±5 μV– ±1100 V
Laser interferometer	Renishaw	RLE10	Resolution 10 nm
Circular parallel plate capacitor	Processed by high precision grinding		The 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 stand	Processed by high precision grinding		Pendulum type thrust stand