L’étalonnage traçable de la résistance de poussée par la force électrostatique

Résumé

L’étalonnage de la traçabilité des caractéristiques mécaniques de la cage de poussée est une condition préalable essentielle pour assurer la mesure de la traçabilité de la poussée. Ici, nous décrivons comment calibrer le support de poussée par la force électrostatique générée par le condensateur à plaques parallèles.

Résumé

Les micro-propulseurs ont des applications importantes dans la détection des ondes gravitationnelles à basse fréquence, la formation de satellites et la communication laser inter-satellites, il est donc nécessaire de mesurer avec précision la poussée des micro-propulseurs avec traçabilité. Un support de poussée est un appareil de mesure de micro-poussée largement utilisé avec les avantages d’une haute résolution et d’une charge importante. L’étalonnage de la traçabilité des caractéristiques mécaniques de la cage de poussée est une condition préalable essentielle pour assurer la mesure de la traçabilité de la poussée. Dans cette étude, un condensateur à plaques parallèles a été utilisé pour calibrer le support de poussée en générant une force électrostatique de l’ordre du micronewton, qui a pu être attribuée au Système international d’unités (SI). La plage de gradient de capacité constante a été obtenue par simulation et calcul théorique. De plus, la force électrostatique peut être modifiée par une tension standard avec les avantages d’un principe simple, d’un déclenchement instantané et d’une traçabilité. L’appareil pourrait être utilisé pour l’étalonnage de la traçabilité du support de poussée du micro newton en raison d’un assemblage simple et d’un chemin de traçabilité court.

Introduction

Le micro-propulseur est indispensable pour que la plate-forme expérimentale spatiale ultra-statique et ultra-stable fournisse une micro-poussée pour compenser la force non conservatrice sur le vaisseau spatial en temps réel dans la détection des ondes gravitationnelles à basse fréquence. Une mesure fiable de la poussée du micropropulseur dans un environnement sonore complexe est la prémisse pour obtenir un contrôle sans traînée. Par conséquent, il est essentiel de calibrer le support de poussée avec une grande précision pour établir le modèle de réponse mécanique. Les méthodes d’étalonnage du support de poussée comprennent principalement deux types, les méthodes d’étalonnage avec contact et sans contact.

Les méthodes d’étalonnage de contact comprennent principalement le système de poids de poulie de câble, le marteau à percussion et le pendule à impact, qui sont des méthodes d’étalonnage traditionnelles. En 2002, Lake et ^al.1 ont utilisé des poids et des poulies pour appliquer une force d’étalonnage dans la gamme de mN. En 2006, Polzin et ^al.2 ont également utilisé un système automatique similaire pour charger des charges verticales dans le bras oscillant, mais il comportait une erreur importante lorsque la force était inférieure à 10 mN. En 2004, Koizumi et ^al.3 ont obtenu la quantité de mouvement générée en intégrant la force enregistrée par le capteur de force dans le processus de collision. La résolution du capteur de force était de 90 mN, l’impulsion effective était de 20 à 80 μNs et l’erreur totale était de 2,6 μNs à 100 μNs. Le pendule à impact ne convient que pour la mesure de grandes impulsions, car les vibrations mécaniques affectent sérieusement l’étalonnage. Bien que la méthode d’étalonnage par contact soit facile à configurer, il n’y a aucune erreur de dérive et la force calibrée est généralement plus grande que les méthodes sans contact. Par conséquent, il ne convient pas pour calibrer le support de poussée à micro-force.

Les méthodes d’étalonnage sans contact comprennent principalement l’étalonnage dynamique des gaz, l’étalonnage électromagnétique et l’étalonnage électrostatique. En 2002, Jamison et ^al.4 ont mis au point une technologie d’étalonnage de la dynamique des gaz, qui a généré une plage de force de 80 nN-1 μN, une poussée de 86,2 nN avec une erreur de 10,7 % et une poussée de 712 nN avec une erreur de 2 %. La technologie d’étalonnage dynamique des gaz peut générer une force nN et sub-μN de manière fiable et est facile à mettre en œuvre. Cependant, il s’agit d’une sorte de technologie d’étalonnage indirect qui ne peut pas être attribuée au Système international d’unités (SI). De plus, l’étalonnage dynamique des gaz ne convient que dans le vide.

La force électromagnétique peut être aussi petite que l’ordre du micronewton, et il existe une bonne relation linéaire entre la force électromagnétique et le courant, qui a une bonne répétabilité. Tang et ^al.5 ont développé une technologie d’étalonnage électromagnétique utilisant un aimant permanent et une bobine. La plage de mesure était de 10 à 1000 μNs, la force d’étalonnage était inférieure à 10 mN et la fiabilité d’étalonnage de 310 μN est de 95 %. En 2013, He et ^al.6 ont utilisé l’électroaimant annulaire avec entrefer et le fil de cuivre sous tension pour l’étalonnage. L’incertitude d’étalonnage de 150 μN était de 4,17 μN, et la force d’étalonnage avait une grande portée et n’était pas sensible au déplacement du bras de la béquille de poussée, mais il y avait un problème que le courant du fil de cuivre magnétiserait le noyau de l’électroaimant. En 2019, Lam et ^al.7 ont utilisé différents aimants et bobines mobiles commerciales pour calibrer un large éventail de forces. La structure était compacte et facile à installer. De plus, la gamme de force était large, avec quatre ordres de grandeur de 30 à 23000 μN, et les incertitudes de la force statique et de la force d’impulsion étaient respectivement de 18,47 % et 11,38 %. Cependant, pour l’étalonnage du cadre de poussée, la force électromagnétique n’est pas traçable au SI.

L’étalonnage de la force électrostatique est la technique d’étalonnage direct la plus utilisée. Selden et Ketsdever⁸ ont utilisé un peigne électrostatique (ESC) comme dispositif d’étalonnage avec une plage de mesure de dizaines de micronewtons avec une erreur de 3 %. La force a changé de 2 % lorsque l’espacement des plaques a changé de 1 mm. Cependant, la distance entre les dents adjacentes devait être la même, ce qui ne s’appliquait qu’au support de poussée à faible déplacement. En 2012, Pancotti et ^al.9 ont conçu un peigne électrostatique symétrique dont la plage d’impulsions était de 0,01 mNs-20 mNs, qui pourrait générer une impulsion électrostatique plus grande. Cependant, les inconvénients de la structure complexe et des dommages faciles du peigne électrostatique doivent être résolus.

Il est indispensable de fournir la force traçable du micronewton comme force de référence pour calibrer le support de poussée. La force électrostatique est largement utilisée pour retracer la force jusqu’au SI dans l’Institut de métrologie 10,11,12. La force électrostatique présente les avantages d’un principe simple, d’un déclenchement instantané et d’un chemin de traçage court. Dans cette étude, le condensateur à plaques parallèles a été utilisé pour générer une force électrostatique comme force de référence pour calibrer le support de poussée du pendule, dont la sortie de déplacement est proportionnelle à la poussée appliquée. Le rapport entre la poussée et le déplacement est la rigidité du support de poussée. En calibrant le gradient de capacité du condensateur, il n’était pas nécessaire de contrôler strictement la pose de deux plaques parallèles. La plage de gradient de capacité constante a été obtenue par simulation et calcul théorique. La plage de force électrostatique pouvait être ajustée par l’espacement et la surface de deux plaques, ce qui convenait à un étalonnage efficace de la position de poussée avec une rigidité différente.

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

Protocole

1. Réalisation expérimentale

1. Rassemblez tous les composants du système, y compris le condensateur à plaque parallèle circulaire, la platine linéaire motorisée, le support de poussée, le pont de capacité, l’instrument SMU, l’interféromètre laser et d’autres composants, illustrés à la figure 1.
2. Fixez la plaque A sur la platine linéaire motorisée et fixez la plaque B sur le bras du support de poussée, en rendant les plaques A et B parallèles l’une à l’autre.
   REMARQUE : Les plaques sont traitées par meulage de haute précision de l’alliage d’aluminium. Le diamètre de la plaque A est de 6 cm et le diamètre de la plaque B est de 4 cm, de sorte que l’erreur d’alignement peut être ignorée.
3. Contrôlez la distance D_ab entre les deux plaques par une platine linéaire motorisée (Résolution 0,625 μm). Ajustez complètement les deux plaques, puis tirez sur une distance fixe de 1 mm à travers la platine linéaire.
4. Connectez le pont de capacité (résolution 0,8 aF, précision ±5 PPM) avec les deux plaques pour mesurer la variation de capacité C_ab avec le changement d’espacement des plaques.
5. Appliquez une tension standard au condensateur à l’aide d’un instrument d’unité de source et de mesure (SMU) haute tension (précision 0,012 %, ±5 - ±1100 V) pour générer une force électrostatique de haute précision contrôlable.
6. Ajustez l’interféromètre laser (résolution 10 nm) pour qu’il fasse face directement au bras du support de poussée et mesurez le déplacement x en temps réel.

2. Calibrage du gradient de capacité

1. Entraînez la plaque A pour qu’elle se déplace sur le côté opposé à la plaque B avec une longueur de pas de 0,02 mm par la platine linéaire motorisée, et rendez l’espacement initial des plaques égal à 1 mm.
2. Mesurez la valeur de capacité des deux plaques parallèles par le pont de capacité après chaque étape jusqu’à ce que le changement relatif de l’espacement des plaques soit de 0,12 mm.
3. Commencez un pas de marche arrière d’une longueur de 0,02 mm pour revenir à la position initiale.
4. Effectuez un total de cinq expériences reproductibles.
5. Ajustez les résultats pour obtenir la relation entre le gradient de capacité et l’espacement des plaques du condensateur à plaques parallèles, dC_ab/dD_ab.

3. Étalonnage de la force électrostatique de la cage de poussée

1. Déconnectez le pont de condensateur du condensateur à plaque parallèle.
2. Connectez les deux plaques avec l’instrument SMU et faites en sorte que l’espace entre les deux plaques soit égal à 1 mm.
3. Augmentez la tension U de zéro étape par étape sur les deux plaques du condensateur avec une valeur de pas de 50 V jusqu’à ce que la tension appliquée soit de 300 V. La force électrostatique F est égale à 1/2U²(dC_ab/dD ab).
4. Utilisez l’interféromètre laser pour mesurer le déplacement x du bras de béquille de poussée en temps réel. Réglez la fréquence d’échantillonnage de l’interféromètre laser sur 50 Hz.
5. Diminuez la tension U de 300 V pas à pas au niveau des deux plaques du condensateur avec une valeur de pas de 50 V jusqu’à ce que la tension appliquée soit nulle.
6. Effectuez un total de cinq expériences reproductibles.
7. Ajustez les résultats pour obtenir la relation entre la force électrostatique F et le déplacement x du bras de la béquille de poussée. Calculez la rigidité k du support de poussée selon la loi de Hooke, k = F/x.

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

Résultats

Selon le protocole, le gradient de capacité et la rigidité du support de poussée sont calibrés. Le principe de la force électrostatique devrait être introduit. Il y aura un mouvement relatif D_ab entre deux plaques chargées sous l’action de la force externe F. De plus, le travail W par force externe sera converti en énergie électrique E stockée dans le condensateur. La différence de potentiel U, la charge des deux plaque...

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

Discussion

Dans ce protocole, un condensateur à plaques parallèles a été utilisé pour calibrer le support de poussée en générant une force électrostatique de l’ordre du micro-newton, qui pouvait être attribuée au SI. Il est essentiel pour toutes les étapes de calibrer avec précision le gradient de capacité. La platine linéaire motorisée a rendu l’espacement initial des plaques de ce condensateur à plaques parallèles égal à 1 mm et a déplacé la plaque A sur un pas de 0,02 m...

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

matériels

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