La calibración trazable del soporte de empuje por fuerza electrostática

Resumen

La calibración de la trazabilidad de las características mecánicas del soporte de empuje es un requisito previo esencial para garantizar la trazabilidad de la medición del empuje. Aquí, describimos cómo calibrar el soporte de empuje por la fuerza electrostática generada por el condensador de placa paralela.

Resumen

Los micropropulsores tienen aplicaciones importantes en la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia, la formación de satélites y la comunicación láser entre satélites, por lo que es necesario medir con precisión el empuje de los micropropulsores con trazabilidad. Un soporte de empuje es un dispositivo de medición de micro empuje ampliamente utilizado con las ventajas de alta resolución y gran carga. La calibración de la trazabilidad de las características mecánicas del soporte de empuje es un requisito previo esencial para garantizar la trazabilidad de la medición del empuje. En este estudio, se utilizó un condensador de placa paralela para calibrar el soporte de empuje mediante la generación de una fuerza electrostática de micronewton, que podría rastrearse hasta el Sistema Internacional de Unidades (SI). El rango de gradiente de capacitancia constante se obtuvo mediante simulación y cálculo teórico. Además, la fuerza electrostática podría cambiarse mediante voltaje estándar con las ventajas de principio simple, disparo instantáneo y trazabilidad. El dispositivo podría utilizarse para la calibración de la trazabilidad del soporte de empuje de micro newton debido a su montaje sencillo y a su corta trayectoria de trazabilidad.

Introducción

El micro propulsor es indispensable para que la plataforma experimental espacial ultraestática y ultraestable proporcione un micro empuje para compensar la fuerza no conservativa sobre la nave espacial en tiempo real en la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia. La medición fiable del empuje del micropropulsor en el complejo entorno de ruido es la premisa para lograr un control sin arrastre. Por lo tanto, es esencial calibrar el soporte de empuje con alta precisión para establecer el modelo de respuesta mecánica. Los métodos de calibración del soporte de empuje incluyen principalmente dos tipos, métodos de calibración con y sin contacto.

Los métodos de calibración por contacto incluyen principalmente el sistema de peso de polea de cuerda, el martillo de impacto y el péndulo de impacto, que son métodos de calibración tradicionales. En 2002, Lake et ^al.1 utilizaron pesos y poleas para aplicar la fuerza de calibración en el rango de mN. En 2006, Polzin et ^al.2 también utilizaron un sistema automático similar para cargar cargas verticales en el basculante, pero tenía un gran error cuando la fuerza era inferior a 10 mN. En 2004, Koizumi et ^al.3 obtuvieron el momento generado integrando la fuerza registrada por el sensor de fuerza en el proceso de colisión. La resolución del sensor de fuerza fue de 90 mN, el impulso efectivo fue de 20-80 μNs y el error total fue de 2,6 μNs a 100 μNs. El péndulo de impacto solo es adecuado para la medición de grandes impulsos porque la vibración mecánica afecta seriamente la calibración. Aunque el método de calibración de contacto es fácil de configurar, no hay error de deriva y la fuerza calibrada es generalmente mayor que los métodos sin contacto. Por lo tanto, no es adecuado para calibrar el soporte de empuje de microfuerza.

Los métodos de calibración sin contacto incluyen principalmente la calibración dinámica de gases, la calibración electromagnética y la calibración electrostática. En 2002, Jamison et ^al.4 desarrollaron una tecnología de calibración dinámica de gases, que generó un rango de fuerza de 80 nN-1 μN, 86,2 nN de empuje con un error del 10,7% y 712 nN de empuje con un error del 2%. La tecnología de calibración dinámica de gases puede generar una fuerza nN y sub-μN de forma fiable y es fácil de implementar. Sin embargo, es un tipo de tecnología de calibración indirecta que no puede rastrearse hasta el Sistema Internacional de Unidades (SI). Además, la calibración dinámica de gases solo es adecuada en vacío.

La fuerza electromagnética puede ser tan pequeña como el orden de micronewton, y existe una buena relación lineal entre la fuerza electromagnética y la corriente, que tiene buena repetibilidad. Tang et ^al.5 desarrollaron una tecnología de calibración electromagnética utilizando un imán permanente y una bobina. El rango de medición fue de 10-1000 μNs, la fuerza de calibración fue inferior a 10 mN y la confiabilidad de calibración de 310 μN es del 95%. En 2013, He et ^al.6 utilizaron el electroimán de anillo con espacio de aire y el cable de cobre energizado para la calibración. La incertidumbre de calibración de una fuerza de 150 μN era de 4,17 μN, y la fuerza de calibración tenía un amplio rango y no era sensible al desplazamiento del brazo del soporte de empuje, pero existía el problema de que la corriente del cable de cobre magnetizaría el núcleo del electroimán. En 2019, Lam et ^al.7 utilizaron diferentes imanes y bobinas de voz comerciales para calibrar una amplia gama de fuerzas. La estructura era compacta y fácil de instalar. Además, el rango de fuerza era grande, con cuatro órdenes de magnitud de 30-23000 μN, y las incertidumbres de la fuerza estática y de pulso eran del 18,47% y del 11,38%, respectivamente. Sin embargo, para la calibración del marco de empuje, la fuerza electromagnética no es rastreable al SI.

La calibración de la fuerza electrostática es la técnica de calibración directa más utilizada. Selden y Ketsdever⁸ utilizaron un peine electrostático (ESC) como dispositivo de calibración con un rango de medición de docenas de micronewton con un error del 3%. La fuerza cambió un 2% a medida que el espaciado de la placa cambió 1 mm. Sin embargo, la distancia entre los dientes adyacentes debía ser la misma, lo que solo era aplicable al soporte de empuje con pequeño desplazamiento. En 2012, Pancotti et ^al.9 diseñaron un peine electrostático simétrico cuyo rango de pulso era de 0,01 mNs-20 mNs, que podía generar un pulso electrostático mayor. Sin embargo, es necesario resolver las desventajas de la estructura compleja y el daño fácil del peine electrostático.

Es un requisito previo proporcionar la fuerza de micronewton trazable como fuerza de referencia para calibrar el soporte de empuje. La fuerza electrostática es ampliamente utilizada para rastrear la fuerza al SI en el Instituto de Metrología 10,11,12. La fuerza electrostática tiene las ventajas de un principio simple, un disparo instantáneo y una trayectoria de trazado corta. En este estudio, el condensador de placa paralela sirvió para generar fuerza electrostática como fuerza de referencia para calibrar el soporte de empuje del péndulo, cuya salida de desplazamiento es proporcional al empuje aplicado. La relación entre el empuje y el desplazamiento es la rigidez del soporte de empuje. Al calibrar el gradiente de capacitancia del condensador, no era necesario controlar estrictamente la posición de dos placas paralelas. El rango de gradiente de capacitancia constante se obtuvo mediante simulación y cálculo teórico. El rango de fuerza electrostática se podía ajustar mediante el espacio y el área de dos placas, lo que era adecuado para una calibración eficiente del soporte de empuje con diferente rigidez.

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Protocolo

1. Realización experimental

1. Reúna todos los componentes del sistema, incluido el condensador de placa paralela circular, la etapa lineal motorizada, el soporte de empuje, el puente de capacitancia, el instrumento SMU, el interferómetro láser y otros componentes, que se muestran en la Figura 1.
2. Fije la placa A en la plataforma lineal motorizada y fije la placa B en el brazo del soporte de empuje, haciendo que las placas A y B sean paralelas entre sí.
   NOTA: Las placas se procesan mediante molienda de alta precisión de aleación de aluminio. El diámetro de la placa A es de 6 cm y el diámetro de la placa B es de 4 cm, por lo que se puede ignorar el error de alineación.
3. Controle la distancia D_ab entre las dos placas mediante una platina lineal motorizada (Resolución 0,625 μm). Coloque completamente las dos placas y luego tire de una distancia fija de 1 mm a través de la etapa lineal.
4. Conecte el puente de capacitancia (Resolución 0.8 aF, Precisión ±5 PPM) con las dos placas para medir la variación de capacitancia C_ab con el cambio de espaciado de placas.
5. Aplique un voltaje estándar al condensador mediante un instrumento de unidad de medida de fuente de voltaje (SMU) (precisión 0.012%, ±5 - ±1100 V) para generar una fuerza electrostática de alta precisión controlable.
6. Ajuste el interferómetro láser (resolución de 10 nm) para que mire directamente hacia el brazo del soporte de empuje y mida el desplazamiento x en tiempo real.

2. Calibración del gradiente de capacitancia

1. La placa de accionamiento A se mueve hacia el lado opuesto a la placa B con una longitud de paso de 0,02 mm por la etapa lineal motorizada, y hace que el espaciado inicial de la placa sea igual a 1 mm.
2. Mida el valor de capacitancia de las dos placas paralelas por el puente de capacitancia después de cada paso hasta que el cambio relativo del espaciado de la placa sea de 0,12 mm.
3. Comience un paso inverso con una longitud de 0,02 mm para volver a la posición inicial.
4. Realiza un total de cinco experimentos repetibles.
5. Ajuste los resultados para obtener la relación entre el gradiente de capacitancia y el espaciado de placas del condensador de placas paralelas, dC_ab/dD_ab.

3. Calibración de la fuerza electrostática del soporte de empuje

1. Desconecte el puente del condensador del condensador de placa paralela.
2. Conecte las dos placas con el instrumento SMU y haga que el espacio entre las dos placas sea igual a 1 mm.
3. Aumente el voltaje U desde cero paso a paso en ambas placas del condensador con un valor de paso de 50 V hasta que el voltaje aplicado sea de 300 V. La fuerza electrostática F es igual a 1/2U²(dC_ab/dD_ab).
4. Utilice el interferómetro láser para medir el desplazamiento x del brazo del soporte de empuje en tiempo real. Ajuste la frecuencia de muestreo del interferómetro láser a 50 Hz.
5. Disminuya el voltaje U de 300 V paso a paso en ambas placas del condensador con un valor de paso de 50 V hasta que el voltaje aplicado sea cero.
6. Realiza un total de cinco experimentos repetibles.
7. Ajuste los resultados para obtener la relación entre la fuerza electrostática F y el desplazamiento x del brazo del soporte de empuje. Calcule la rigidez k del soporte de empuje según la ley de Hooke, k = F / x.

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Resultados

Siguiendo el protocolo, se calibra el gradiente de capacitancia y la rigidez del soporte de empuje. Debe introducirse el principio de la fuerza electrostática. Habrá un movimiento relativo D_ab entre dos placas cargadas bajo la acción de la fuerza externa F. Además, el trabajo W por fuerza externa se convertirá en energía eléctrica E almacenada en el condensador. Se puede obtener la diferencia de potencial U, la carga de ambas...

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Discusión

En este protocolo, se utilizó un condensador de placa paralela para calibrar el soporte de empuje mediante la generación de una fuerza electrostática de micro-newton, que podría rastrearse hasta el SI. Es fundamental que todos los pasos calibren el gradiente de capacitancia con precisión. La etapa lineal motorizada hizo que el espaciado inicial de la placa de este condensador de placa paralela fuera igual a 1 mm y movió la placa A a un paso de 0,02 mm. El puente de capacitancia se ...

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Materiales

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