The Traceable Calibration of Thrust Stand by Electrostatic Force

요약

추력 스탠드의 기계적 특성에 대한 추적성 교정은 추력의 추적성 측정을 보장하기 위한 필수 전제 조건입니다. 여기에서는 병렬 플레이트 커패시터에서 발생하는 정전기력에 의해 추력 스탠드를 보정하는 방법을 설명합니다.

초록

마이크로 스러스터는 저주파 중력파 감지, 위성 형성 및 위성 간 레이저 통신에 중요한 응용 분야를 가지고 있으므로 추적성을 통해 마이크로 스러스터의 추력을 정확하게 측정해야 합니다. 스러스트 스탠드는 고해상도와 큰 하중의 장점을 가진 널리 사용되는 마이크로 스러스트 측정 장치입니다. 추력 스탠드의 기계적 특성에 대한 추적성 교정은 추력의 추적성 측정을 보장하기 위한 필수 전제 조건입니다. 이 연구에서는 병렬 플레이트 커패시터를 사용하여 국제 단위계(SI)로 추적할 수 있는 마이크로뉴턴 정전기력을 생성하여 스러스트 스탠드를 보정했습니다. 일정한 커패시턴스 그라디언트 범위는 시뮬레이션과 이론적 계산을 통해 얻어졌습니다. 또한, 정전기력은 간단한 원리, 순간 트리거 및 추적 성의 장점으로 표준 전압에 의해 변경 될 수 있습니다. 이 장치는 간단한 조립과 짧은 추적 경로로 인해 마이크로 뉴턴 스러스트 스탠드의 추적성 보정에 사용할 수 있습니다.

서문

마이크로 스러스터는 저주파 중력파 감지에서 실시간으로 우주선에 가해지는 비보존력을 상쇄하는 마이크로 추력을 제공하기 위해 초정적 및 초안정 우주 실험 플랫폼에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 복잡한 소음 환경에서 마이크로 스러스터의 추력을 안정적으로 측정하는 것은 드래그 프리 제어를 달성하기 위한 전제입니다. 따라서 기계적 응답 모델을 설정하기 위해 높은 정밀도로 스러스트 스탠드를 보정하는 것이 필수적입니다. 스러스트 스탠드의 교정 방법에는 주로 접촉식 및 비접촉 교정 방법의 두 가지 유형이 있습니다.

접촉 교정 방법에는 주로 로프 풀리 중량 시스템, 임팩트 해머 및 임팩트 진자가 포함되며 이는 전통적인 교정 방법입니다. 2002년, Lake 등1은 분동과 풀리^{를 사용하여} mN 범위의 교정력을 적용했습니다. 2006년에 Polzin et ^al.2 도 유사한 자동 시스템을 사용하여 스윙 암에 수직 하중을 적재했지만 힘이 10mN 미만일 때 큰 오류가 발생했습니다. 2004년, Koizumi et ^al.3 은 충돌 과정에서 힘 센서에 의해 기록된 힘을 적분하여 생성된 운동량을 얻었습니다. 힘 센서의 분해능은 90mN, 유효 임펄스는 20-80μN, 총 오류는 100μN에서 2.6μN이었습니다. 충격 진자는 기계적 진동이 교정에 심각한 영향을 미치기 때문에 큰 임펄스 측정에만 적합합니다. 접촉 보정 방법은 설정하기 쉽지만 드리프트 오류가 없으며 보정된 힘은 일반적으로 비접촉 방법보다 큽니다. 따라서 micro force thrust stand를 교정하는 데 적합하지 않습니다.

비접촉 교정 방법에는 주로 가스 동적 교정, 전자기 교정 및 정전기 교정이 포함됩니다. 2002년 Jamison et ^al.4 은 80 nN-1 μN, 10.7% 오차로 86.2 nN 추력, 2% 오차로 712 nN 추력을 생성하는 가스 역학 보정 기술을 개발했습니다. 가스 동적 보정 기술은 nN 및 μN 미만의 힘을 안정적으로 생성할 수 있으며 구현하기 쉽습니다. 그러나 이는 국제 단위계(SI)를 추적할 수 없는 일종의 간접 교정 기술입니다. 또한 가스 동적 교정은 진공 상태에서만 적합합니다.

전자기력은 마이크로뉴턴 정도만큼 작을 수 있으며 전자기력과 전류 사이에는 좋은 선형 관계가 있어 반복성이 좋습니다. Tang et ^al.5 은 영구 자석과 코일을 사용하여 전자기 교정 기술을 개발했습니다. 측정 범위는 10-1000μN, 교정력은 10mN 미만, 310μN의 교정 신뢰도는 95%입니다. 2013년에 He et ^al.6 은 보정을 위해 에어 갭이 있는 링 전자석과 통전된 구리선을 사용했습니다. 150μN 힘의 교정 불확도는 4.17μN이었고 교정력은 범위가 넓고 스러스트 스탠드 암의 변위에 민감하지 않았지만 구리선 전류가 전자석 코어를 자화하는 문제가 있었습니다. 2019년, Lam et ^al.7 은 다양한 자석과 상용 음성 코일을 사용하여 광범위한 힘을 보정했습니다. 구조가 작고 설치가 쉬웠습니다. 또한, 힘 범위는 30-23000 μN의 4 자릿수로 컸고, 정적 및 펄스 힘의 불확실성은 각각 18.47 % 및 11.38 %였습니다. 그러나 스러스트 프레임의 교정을 위해 전자기력은 SI로 추적할 수 없습니다.

정전기력 교정은 가장 널리 사용되는 직접 교정 기술입니다. Selden과 Ketsdever⁸ 은 3%의 오차로 수십 마이크로뉴턴의 측정 범위를 가진 교정 장치로 정전기 빗(ESC)을 사용했습니다. 플레이트 간격이 2mm 변경됨에 따라 힘이 1% 변경되었습니다. 그러나 인접한 톱니 사이의 거리는 동일해야 하며, 이는 변위가 작은 스러스트 스탠드에만 적용되었습니다. 2012 년 Pancotti et ^al.9 은 펄스 범위가 0.01 mNs-20 mNs 인 대칭 정전기 빗을 설계하여 더 큰 정전기 펄스를 생성 할 수 있습니다. 그러나 구조가 복잡하고 정전기 빗이 쉽게 손상된다는 단점을 해결해야 합니다.

추력 스탠드를 보정하기 위한 기준 힘으로 추적 가능한 마이크로뉴턴 힘을 제공하는 것이 전제 조건입니다. 정전기력은 계측학 연구소^10,11,12에서 SI로 힘을 추적하는 데 널리 사용됩니다. 정전기력은 간단한 원리, 순간 방아쇠 및 짧은 추적 경로의 장점이 있습니다. 이 연구에서는 병렬 플레이트 커패시터를 사용하여 진자 추력 스탠드를 보정하기 위한 기준력으로 정전기력을 생성했으며, 그 변위 출력은 적용된 추력에 비례합니다. 추력과 변위의 비율은 추력 스탠드의 강성입니다. 커패시터의 커패시턴스 그라데이션을 교정함으로써 두 개의 병렬 플레이트의 위치를 엄격하게 제어할 필요가 없었습니다. 일정한 커패시턴스 그라디언트 범위는 시뮬레이션과 이론적 계산을 통해 얻어졌습니다. 정전기력의 범위는 2개의 판의 간격 그리고 지역에 의해 조정될 수 있었습니다, 다른 뻣뻣함을 가진 돌격 대의 능률적인 구경측정을 위해 적당한.

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프로토콜

1. 실험적 실현

1. 그림 1과 같이 원형 병렬 플레이트 커패시터, 전동 선형 스테이지, 스러스트 스탠드, 커패시턴스 브리지, SMU 기기, 레이저 간섭계 및 기타 구성 요소를 포함한 모든 시스템 구성 요소를 수집합니다.
2. 전동 선형 스테이지에 플레이트 A를 고정하고 스러스트 스탠드의 암에 플레이트 B를 고정하여 플레이트 A와 B를 서로 평행하게 만듭니다.
   참고: 플레이트는 알루미늄 합금의 고정밀 연삭으로 가공됩니다. 플레이트 A의 지름은 6cm이고 플레이트 B의 지름은 4cm이므로 정렬 오류를 무시할 수 있습니다.
3. 두 플레이트 사이의 거리 D_ab 를 전동 선형 스테이지(분해능 0.625μm)로 제어합니다. 두 개의 플레이트를 완전히 끼운 다음 선형 스테이지를 통해 1mm의 고정 거리를 당깁니다.
4. 커패시턴스 브리지(분해능 0.8 aF, 정확도 ±5 PPM)를 두 플레이트에 연결하여 플레이트 간격 변화에 따른 커패시턴스 C_ab 변화를 측정합니다.
5. 고전압 SMU(Source Measure Unit) 기기(Precision 0.012%, ±5 - ±1100V)를 통해 커패시터에 표준 전압을 적용하여 제어 가능한 고정밀 정전기력을 생성합니다.
6. 레이저 간섭계(해상도 10nm)를 스러스트 스탠드의 암을 직접 향하도록 조정하고 변위 x 를 실시간으로 측정합니다.

2. 커패시턴스 구배의 교정

1. 전동 선형 스테이지에 의해 0.02mm의 보폭 길이로 플레이트 B에서 멀어지는 쪽으로 이동하도록 플레이트 A를 구동하고 초기 플레이트 간격을 1mm로 만듭니다.
2. 판 간격의 상대적 변화가 0.12mm가 될 때까지 각 단계 후에 커패시턴스 브리지로 두 평행판의 커패시턴스 값을 측정합니다.
3. 0.02mm 길이로 역단계를 시작하여 초기 위치로 돌아갑니다.
4. 총 5개의 반복 가능한 실험을 수행합니다.
5. 병렬 플레이트 커패시터의 커패시턴스 구배와 플레이트 간격 (dC_ab / dD_ab) 사이의 관계를 구하기 위해 결과를 맞추십시오.

3. 돌격 대의 정전기력 구경측정

1. 병렬 플레이트 커패시터에서 커패시터 브리지를 분리합니다.
2. 두 플레이트를 SMU 기기에 연결하고 두 플레이트 사이의 공간을 1mm로 만듭니다.
3. 적용된 전압이 300V가 될 때까지 50V의 단계 값으로 커패시터의 두 플레이트에서 전압 U 를 0에서 단계적으로 증가시킵니다. 정전기력 F 는 1/2U²(dC_ab/dD_ab)와 같습니다.
4. 레이저 간섭계를 사용하여 스러스트 스탠드 암의 변위 x를 실시간으로 측정합니다. 레이저 간섭계의 샘플링 주파수를 50Hz로 설정합니다.
5. 인가 전압이 0이 될 때까지 50V의 단계 값으로 커패시터의 두 플레이트에서 전압 U 를 300V에서 단계적으로 줄입니다.
6. 총 5개의 반복 가능한 실험을 수행합니다.
7. 결과를 피팅하여 정전기력 F와 스러스트 스탠드 암의 변위 x 사이의 관계를 구합니다. Hooke의 법칙 k = F/x에 따라 추력 스탠드의 강성 k를 계산합니다.

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결과

프로토콜에 따라 커패시턴스 구배와 스러스트 스탠드의 강성이 보정됩니다. 정전기력의 원리를 도입해야 합니다. 외력 F의 작용으로 두 개의 대전된 판 사이에 상대 운동 D_ab가 있을 것입니다. 또한, 외력에 의한 작업 W는 커패시터에 저장된 전기 에너지 E로 변환됩니다. 전위차 U, 두 플레이트 Q의 전하 및 커패시턴스 C

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토론

이 프로토콜에서는 병렬 플레이트 커패시터를 사용하여 SI로 추적할 수 있는 마이크로 뉴턴 정전기력을 생성하여 스러스트 스탠드를 보정했습니다. 모든 단계에서 커패시턴스 기울기를 정확하게 보정하는 것이 중요합니다. 전동 선형 스테이지는 이 병렬 플레이트 커패시터의 초기 플레이트 간격을 1mm로 만들고 플레이트 A를 0.02mm 단계로 이동시켰습니다. 커패시턴스 브?...

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자료

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