הכיול הניתן למעקב של הדחף עומד על ידי כוח אלקטרוסטטי

Summary

כיול עקיבות של מאפיינים מכניים של מעמד דחף הוא תנאי הכרחי להבטחת מדידת עקיבות של הדחף. כאן, אנו מתארים כיצד לכייל את עמדת הדחף על ידי הכוח האלקטרוסטטי שנוצר על ידי קבל הלוח המקביל.

Abstract

למיקרו דחפים יש יישומים חשובים בזיהוי גלי כבידה בתדר נמוך, היווצרות לוויינים ותקשורת לייזר בין-לוויינית, ולכן יש צורך למדוד במדויק את הדחף של מיקרו דחפים עם עקיבות. מעמד דחף הוא מכשיר למדידת דחף מיקרו בשימוש נרחב עם היתרונות של רזולוציה גבוהה ועומס גדול. כיול עקיבות של מאפיינים מכניים של מעמד דחף הוא תנאי הכרחי להבטחת מדידת עקיבות של הדחף. במחקר זה, נעשה שימוש בקבל לוח מקביל לכיול מעמד הדחף על ידי יצירת כוח אלקטרוסטטי מיקרו-ניוטון, שניתן לייחס אותו למערכת היחידות הבינלאומית (SI). טווח שיפוע הקיבול הקבוע הושג באמצעות סימולציה וחישוב תיאורטי. יתר על כן, ניתן לשנות את הכוח האלקטרוסטטי על ידי מתח סטנדרטי עם היתרונות של עיקרון פשוט, טריגר מיידי ועקיבות. המכשיר יכול לשמש לכיול עקיבות של מעמד דחף מיקרו ניוטון עקב הרכבה פשוטה ונתיב עקיבות קצר.

Introduction

המיקרו דחף הכרחי עבור פלטפורמת ניסוי החלל האולטרה-סטטית והאולטרה-יציבה כדי לספק מיקרו דחף כדי לקזז את הכוח הלא שמרני על החללית בזמן אמת בזיהוי גלי כבידה בתדר נמוך. מדידה אמינה של הדחף של המיקרו-דחף בסביבת הרעש המורכבת היא הנחת היסוד להשגת שליטה ללא גרר. לכן, חיוני לכייל את מעמד הדחף בדיוק גבוה כדי לבסס את מודל התגובה המכנית. שיטות הכיול של עמדת דחף כוללות בעיקר שני סוגים, שיטות כיול מגע וללא מגע.

שיטות כיול מגע כוללות בעיקר מערכת משקל גלגלת חבל, פטיש פגיעה ומטוטלת פגיעה, שהן שיטות כיול מסורתיות. בשנת 2002, לייק ואחרים ^השתמשו במשקולות וגלגלות כדי להפעיל כוח כיול בטווח של mN. ב-2006, Polzin et ^al.2 השתמשו גם במערכת אוטומטית דומה כדי להעמיס עומסים אנכיים לזרוע הנדנדה, אך הייתה לה שגיאה גדולה כאשר הכוח היה פחות מ-10 mN. בשנת 2004, Koizumi et ^al.3 השיגו את התנע שנוצר על ידי שילוב הכוח שנרשם על ידי חיישן הכוח בתהליך ההתנגשות. הרזולוציה של חיישן הכוח הייתה 90 mN, הדחף האפקטיבי היה 20-80 μNs, והשגיאה הכוללת הייתה 2.6 μNs ב-100 μNs. מטוטלת ההשפעה מתאימה רק למדידת דחפים גדולים מכיוון שרטט מכני משפיע ברצינות על הכיול. למרות ששיטת כיול המגעים קלה להגדרה, יש אפס שגיאת סחיפה, והכוח המכויל בדרך כלל גדול יותר מהשיטות ללא מגע. לכן, הוא אינו מתאים לכיול מעמד דחף המיקרו כוח.

שיטות כיול ללא מגע כוללות בעיקר כיול דינמי גז, כיול אלקטרומגנטי וכיול אלקטרוסטטי. בשנת 2002, ג'יימיסון ואחרים ^פיתחו טכנולוגיית כיול דינמי של גז, שיצרה תחום כוח של 80 nN-1 μN, דחף של 86.2 nN עם שגיאה של 10.7% ודחף של 712 nN עם שגיאה של 2%. טכנולוגיית כיול דינמי גז יכולה לייצר כוח nN ותת-μN באופן אמין והיא קלה ליישום. עם זאת, מדובר במעין טכנולוגיית כיול עקיפה שאינה יכולה להתחקות אחר מערכת היחידות הבינלאומית (SI). יתרה מכך, כיול דינמי של גז מתאים רק בוואקום.

הכוח האלקטרומגנטי יכול להיות קטן כמו סדר הגודל של מיקרוניוטון, ויש קשר ליניארי טוב בין הכוח האלקטרומגנטי לזרם, שיש לו יכולת חזרה טובה. טאנג ואחרים ^פיתחו טכנולוגיית כיול אלקטרומגנטית באמצעות מגנט וסליל קבועים. טווח המדידה היה 10-1000 μNs, כוח הכיול היה פחות מ-10 mN, ואמינות הכיול של 310 μN היא 95%. בשנת 2013, He et ^al.6 השתמשו באלקטרומגנט הטבעת עם מרווח אוויר ובחוט הנחושת המופעל לכיול. אי הוודאות בכיול של כוח של 150 μN הייתה 4.17 μN, ולכוח הכיול היה טווח גדול ולא היה רגיש לתזוזה של זרוע מעמד הדחף, אך הייתה בעיה שזרם חוט הנחושת ימגנט את ליבת האלקטרומגנט. בשנת 2019, Lam et ^al.7 השתמשו במגנטים שונים ובסלילי קול מסחריים כדי לכייל מגוון רחב של כוחות. המבנה היה קומפקטי וקל להתקנה. יתר על כן, טווח הכוח היה גדול, עם ארבעה סדרי גודל של 30-23000 מיקרון, ואי הוודאות של כוח סטטי ופולס היו 18.47% ו-11.38%, בהתאמה. עם זאת, עבור כיול מסגרת הדחף, לא ניתן לייחס את הכוח האלקטרומגנטי ל- SI.

כיול כוח אלקטרוסטטי הוא טכניקת הכיול הישיר הנפוצה ביותר. Selden ו-Ketsdever⁸ השתמשו במסרק אלקטרוסטטי (ESC) כמכשיר הכיול עם טווח מדידה של עשרות מיקרוניוטון עם שגיאה של 3%. הכוח השתנה ב-2% כאשר מרווח הלוחות השתנה ב-1 מ"מ. עם זאת, המרחק בין השיניים הסמוכות צריך להיות זהה, מה שהיה חל רק על מעמד הדחף עם תזוזה קטנה. בשנת 2012, פנקוטי ואחרים ^עיצבו מסרק אלקטרוסטטי סימטרי שטווח הדופק שלו היה 0.01 mNs-20 mNs, שיכול ליצור פולס אלקטרוסטטי גדול יותר. עם זאת, יש לפתור את החסרונות של מבנה מורכב ונזק קל של מסרק אלקטרוסטטי.

זהו תנאי מוקדם לספק את כוח המיקרוניוטון הניתן למעקב ככוח ייחוס לכיול עמדת הדחף. הכוח האלקטרוסטטי נמצא בשימוש נרחב כדי לעקוב אחר כוח ל-SI במכון המטרולוגיה 10,11,12. לכוח האלקטרוסטטי יש את היתרונות של עיקרון פשוט, טריגר מיידי ונתיב מעקב קצר. במחקר זה, קבל הלוח המקביל שימש ליצירת כוח אלקטרוסטטי ככוח ייחוס לכיול מעמד דחף המטוטלת, שתפוקת התזוזה שלו פרופורציונלית לדחף המופעל. היחס בין הדחף לתזוזה הוא קשיחות מעמד הדחף. על ידי כיול שיפוע הקיבול של הקבל, לא היה צורך לשלוט בקפדנות על התנוחה של שתי לוחות מקבילים. טווח שיפוע הקיבול הקבוע הושג באמצעות סימולציה וחישוב תיאורטי. ניתן היה לכוונן את טווח הכוח האלקטרוסטטי על ידי המרווח והשטח של שתי לוחות, מה שהתאים לכיול יעיל של מעמד הדחף עם קשיחות שונה.

Protocol

1. מימוש ניסויי

1. אסוף את כל רכיבי המערכת, כולל קבל הלוח המקביל העגול, השלב הליניארי הממונע, מעמד הדחף, גשר הקיבול, מכשיר ה-SMU, אינטרפרומטר הלייזר ורכיבים אחרים, המוצגים באיור 1.
2. תקן את לוחית A על הבמה הליניארית הממונעת וקבע את לוחית B על זרוע מעמד הדחף, מה שהופך את לוחות A ו-B למקבילים זה לזה.
   הערה: הלוחות מעובדים על ידי השחזה ברמת דיוק גבוהה של סגסוגת אלומיניום. קוטר לוח A הוא 6 ס"מ, וקוטר לוח B הוא 4 ס"מ כך שניתן להתעלם משגיאת היישור.
3. שלוט במרחק D_ab בין שתי הלוחות על ידי שלב ליניארי ממונע (רזולוציה 0.625 מיקרומטר). התאם לחלוטין את שתי הלוחות ואז משוך מרחק קבוע של 1 מ"מ דרך השלב הליניארי.
4. חבר את גשר הקיבול (רזולוציה 0.8 aF, דיוק ±5 עמודים לדקה) עם שתי הלוחות כדי למדוד את וריאציה של קיבול C_ab עם שינוי מרווח הלוחות.
5. הפעל מתח סטנדרטי על הקבל על ידי מכשיר יחידת מדידת מקור מתח גבוה (SMU) (דיוק 0.012%, ±5 - ±1100 V) כדי ליצור כוח אלקטרוסטטי דיוק גבוה הניתן לשליטה.
6. כוונן את אינטרפרומטר הלייזר (רזולוציה 10 ננומטר) כך שיפנה ישירות לזרוע מעמד הדחף, ומדוד את התזוזה x בזמן אמת.

2. כיול שיפוע הקיבול

1. לוחית הנעה A כדי לנוע לצד הרחק מלוח B באורך מדרגה של 0.02 מ"מ על ידי השלב הליניארי הממונע, ולהפוך את מרווח הלוח הראשוני לשווה ל-1 מ"מ.
2. מדוד את ערך הקיבול של שתי הלוחות המקבילים על ידי גשר הקיבול לאחר כל שלב עד שהשינוי היחסי של מרווח הלוחות הוא 0.12 מ"מ.
3. התחל צעד הפוך באורך של 0.02 מ"מ כדי לחזור למצב ההתחלתי.
4. ערכו בסך הכל חמישה ניסויים חוזרים.
5. התאם את התוצאות כדי לקבל את הקשר בין שיפוע הקיבול למרווח הלוחות של קבל הלוח המקביל, dC_ab/dD_ab.

3. כיול כוח אלקטרוסטטי של מעמד הדחף

1. נתק את גשר הקבל מקבל הלוח המקביל.
2. חבר את שתי הלוחות עם מכשיר ה-SMU והפוך את המרווח בין שתי הלוחות לשווה ל-1 מ"מ.
3. הגדל את המתח U מאפס צעד אחר צעד בשתי לוחות הקבל עם ערך צעד של 50 וולט עד שהמתח המופעל הוא 300 וולט. הכוח האלקטרוסטטי F שווה ל-1/2U²(dC_ab/dD_ab).
4. השתמש באינטרפרומטר הלייזר כדי למדוד את התזוזה x של זרוע מעמד הדחף בזמן אמת. הגדר את תדירות הדגימה של אינטרפרומטר הלייזר ל-50 הרץ.
5. הפחת את המתח U מ -300 וולט צעד אחר צעד בשתי לוחות הקבל עם ערך צעד של 50 וולט עד שהמתח המופעל הוא אפס.
6. ערכו בסך הכל חמישה ניסויים חוזרים.
7. התאם את התוצאות כדי לקבל את הקשר בין הכוח האלקטרוסטטי F לתזוזה x של זרוע מעמד הדחף. חשב את הנוקשות k של מעמד הדחף על פי חוק הוק, k = F/x.

תוצאות

בהתאם לפרוטוקול, שיפוע הקיבול והקשיחות של מעמד הדחף מכוילים. יש להציג את עקרון הכוח האלקטרוסטטי. תהיה תנועה יחסית D_ab בין שתי לוחות טעונים תחת פעולת כוח חיצוני F. יתר על כן, העבודה W בכוח חיצוני תומר לאנרגיה חשמלית E המאוחסנת בקבל. ניתן להשיג את הפרש ...

Discussion

בפרוטוקול זה, נעשה שימוש בקבל לוח מקביל לכיול מעמד הדחף על ידי יצירת כוח אלקטרוסטטי מיקרו-ניוטון, שניתן לייחס אותו ל-SI. זה קריטי עבור כל השלבים כדי לכייל את שיפוע הקיבול במדויק. השלב הליניארי הממונע הפך את מרווח הלוחות הראשוני של קבל צלחת מקביל זה לשווה ל-1 מ"מ והזיז את הצלח...

Materials

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