A calibração rastreável do suporte de empuxo por força eletrostática

Resumo

A calibração de rastreabilidade das características mecânicas do suporte de empuxo é um pré-requisito essencial para garantir a medição de rastreabilidade do empuxo. Aqui, descrevemos como calibrar o suporte de empuxo pela força eletrostática gerada pelo capacitor de placa paralela.

Resumo

Os micropropulsores têm aplicações importantes na detecção de ondas gravitacionais de baixa frequência, formação de satélites e comunicação a laser entre satélites, por isso é necessário medir com precisão o empuxo dos micropropulsores com rastreabilidade. Um suporte de empuxo é um dispositivo de medição de micro empuxo amplamente utilizado com as vantagens de alta resolução e grande carga. A calibração de rastreabilidade das características mecânicas do suporte de empuxo é um pré-requisito essencial para garantir a medição de rastreabilidade do empuxo. Neste estudo, um capacitor de placa paralela foi usado para calibrar o suporte de empuxo, gerando uma força eletrostática de micronewton, que pode ser rastreada até o Sistema Internacional de Unidades (SI). A faixa de gradiente de capacitância constante foi obtida por meio de simulação e cálculo teórico. Além disso, a força eletrostática pode ser alterada pela tensão padrão com as vantagens de princípio simples, gatilho instantâneo e rastreabilidade. O dispositivo pode ser usado para calibração de rastreabilidade de suporte de impulso de micro newton devido à montagem simples e ao curto caminho de rastreabilidade.

Introdução

O micro propulsor é indispensável para a plataforma experimental espacial ultra-estática e ultra-estável para fornecer micro impulso para compensar a força não conservativa na espaçonave em tempo real na detecção de ondas gravitacionais de baixa frequência. A medição confiável do empuxo do micropropulsor no ambiente de ruído complexo é a premissa para obter um controle sem arrasto. Portanto, é essencial calibrar o suporte de empuxo com alta precisão para estabelecer o modelo de resposta mecânica. Os métodos de calibração do suporte de empuxo incluem principalmente dois tipos, métodos de calibração com e sem contato.

Os métodos de calibração de contato incluem principalmente sistema de peso de polia de corda, martelo de impacto e pêndulo de impacto, que são métodos tradicionais de calibração. Em 2002, Lake et ^al.1 utilizaram pesos e polias para aplicar a força de calibração na faixa de mN. Em 2006, Polzin et ^al.2 também utilizaram um sistema automático semelhante para carregar cargas verticais no braço oscilante, mas apresentou um grande erro quando a força era inferior a 10 mN. Em 2004, Koizumi et ^al.3 obtiveram o momento gerado integrando a força registrada pelo sensor de força no processo de colisão. A resolução do sensor de força foi de 90 mN, o impulso efetivo foi de 20-80 μNs e o erro total foi de 2,6 μNs a 100 μNs. O pêndulo de impacto só é adequado para medição de grandes impulsos porque a vibração mecânica afeta seriamente a calibração. Embora o método de calibração de contato seja fácil de configurar, não há erro de desvio e a força calibrada é geralmente maior do que os métodos sem contato. Portanto, não é adequado para calibrar o suporte de impulso de micro força.

Os métodos de calibração sem contato incluem principalmente calibração dinâmica de gás, calibração eletromagnética e calibração eletrostática. Em 2002, Jamison et ^al.4 desenvolveram uma tecnologia de calibração dinâmica de gases, que gerou uma faixa de força de 80 nN-1 μN, 86,2 nN de empuxo com 10,7% de erro e 712 nN de empuxo com 2% de erro. A tecnologia de calibração dinâmica de gás pode gerar força nN e sub-μN de forma confiável e é fácil de implementar. No entanto, é um tipo de tecnologia de calibração indireta que não pode ser rastreada até o Sistema Internacional de Unidades (SI). Além disso, a calibração dinâmica de gás só é adequada no vácuo.

A força eletromagnética pode ser tão pequena quanto a ordem de micronewton, e há uma boa relação linear entre a força eletromagnética e a corrente, que tem boa repetibilidade. Tang et ^al.5 desenvolveram uma tecnologia de calibração eletromagnética usando um ímã permanente e uma bobina. A faixa de medição foi de 10-1000 μNs, a força de calibração foi inferior a 10 mN e a confiabilidade de calibração de 310 μN é de 95%. Em 2013, He et ^al.6 utilizaram o eletroímã em anel com entreferro e o fio de cobre energizado para calibração. A incerteza de calibração da força de 150 μN era de 4,17 μN, e a força de calibração tinha um grande alcance e não era sensível ao deslocamento do braço do suporte de empuxo, mas havia um problema de que a corrente do fio de cobre magnetizaria o núcleo do eletroímã. Em 2019, Lam et ^al.7 usaram diferentes ímãs e bobinas de voz comerciais para calibrar uma ampla gama de forças. A estrutura era compacta e fácil de instalar. Além disso, a faixa de força foi grande, com quatro ordens de magnitude de 30-23000 μN, e as incertezas da força estática e de pulso foram de 18,47% e 11,38%, respectivamente. No entanto, para a calibração do quadro de empuxo, a força eletromagnética não é rastreável ao SI.

A calibração da força eletrostática é a técnica de calibração direta mais amplamente utilizada. Selden e Ketsdever⁸ usaram um pente eletrostático (ESC) como dispositivo de calibração com uma faixa de medição de dezenas de micronewton com um erro de 3%. A força mudou 2% à medida que o espaçamento da placa mudou 1 mm. No entanto, a distância entre os dentes adjacentes deve ser a mesma, o que só era aplicável ao suporte de impulso com pequeno deslocamento. Em 2012, Pancotti et ^al.9 projetaram um pente eletrostático simétrico cuja faixa de pulso era de 0,01 mNs-20 mNs, o que poderia gerar um pulso eletrostático maior. No entanto, as desvantagens da estrutura complexa e o fácil dano do pente eletrostático precisam ser resolvidos.

É um pré-requisito fornecer a força de micronewton rastreável como uma força de referência para calibrar o suporte de empuxo. A força eletrostática é amplamente utilizada para rastrear a força para IS no Instituto de Metrologia 10,11,12. A força eletrostática tem as vantagens de princípio simples, gatilho instantâneo e caminho de rastreamento curto. Neste estudo, o capacitor de placa paralela foi servido para gerar força eletrostática como força de referência para calibrar o suporte de empuxo do pêndulo, cuja saída de deslocamento é proporcional ao empuxo aplicado. A relação entre o empuxo e o deslocamento é a rigidez do suporte de empuxo. Ao calibrar o gradiente de capacitância do capacitor, era desnecessário controlar estritamente a pose de duas placas paralelas. A faixa de gradiente de capacitância constante foi obtida por meio de simulação e cálculo teórico. A faixa de força eletrostática pode ser ajustada pelo espaçamento e área de duas placas, o que era adequado para calibração eficiente do suporte de empuxo com rigidez diferente.

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Protocolo

1. Realização experimental

1. Reúna todos os componentes do sistema, incluindo o capacitor de placa paralela circular, o estágio linear motorizado, o suporte de empuxo, a ponte de capacitância, o instrumento SMU, o interferômetro a laser e outros componentes, mostrados na Figura 1.
2. Fixe a placa A no estágio linear motorizado e fixe a placa B no braço do suporte de empuxo, tornando as placas A e B paralelas entre si.
   NOTA: As placas são processadas por moagem de alta precisão de liga de alumínio. O diâmetro da placa A é de 6 cm e o diâmetro da placa B é de 4 cm, portanto, o erro de alinhamento pode ser ignorado.
3. Controle a distância D_ab entre as duas placas por um estágio linear motorizado (Resolução 0,625 μm). Encaixe completamente as duas placas e, em seguida, puxe uma distância fixa de 1 mm através do estágio linear.
4. Conecte a ponte de capacitância (Resolução 0.8 aF, Precisão ±5 PPM) com as duas placas para medir a variação da capacitância C_ab com a mudança do espaçamento da placa.
5. Aplique uma tensão padrão ao capacitor por um instrumento de unidade de medição de fonte de alta tensão (SMU) (precisão 0,012%, ±5 - ±1100 V) para gerar uma força eletrostática de alta precisão controlável.
6. Ajuste o interferômetro a laser (resolução de 10 nm) para ficar de frente para o braço do suporte de empuxo e meça o deslocamento x em tempo real.

2. Calibração do gradiente de capacitância

1. Acione a placa A para se mover para o lado longe da placa B com um comprimento de passo de 0,02 mm pelo estágio linear motorizado e faça o espaçamento inicial da placa igual a 1 mm.
2. Meça o valor da capacitância das duas placas paralelas pela ponte de capacitância após cada etapa até que a mudança relativa do espaçamento da placa seja de 0,12 mm.
3. Comece um passo reverso com um comprimento de 0,02 mm para retornar à posição inicial.
4. Realize um total de cinco experimentos repetíveis.
5. Ajuste os resultados para obter a relação entre o gradiente de capacitância e o espaçamento da placa do capacitor de placa paralela, dC_ab / dD_ab.

3. Calibração da força eletrostática do suporte de impulso

1. Desconecte a ponte do capacitor do capacitor de placa paralela.
2. Conecte as duas placas com o instrumento SMU e faça o espaço entre as duas placas igual a 1 mm.
3. Aumente a tensão U de zero passo a passo em ambas as placas do capacitor com um valor de passo de 50 V até que a tensão aplicada seja de 300 V. A força eletrostática F é igual a 1/2U²(dC_ab/dD_ab).
4. Use o interferômetro a laser para medir o deslocamento x do braço do suporte de empuxo em tempo real. Defina a frequência de amostragem do interferômetro laser para 50 Hz.
5. Diminua a tensão U de 300 V passo a passo em ambas as placas do capacitor com um valor de passo de 50 V até que a tensão aplicada seja zero.
6. Realize um total de cinco experimentos repetíveis.
7. Ajuste os resultados para obter a relação entre a força eletrostática F e o deslocamento x do braço do suporte de empuxo. Calcule a rigidez k do suporte de empuxo de acordo com a lei de Hooke, k = F / x.

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Resultados

Seguindo o protocolo, o gradiente de capacitância e a rigidez do suporte de empuxo são calibrados. O princípio da força eletrostática deve ser introduzido. Haverá movimento relativo D_ab entre duas placas carregadas sob a ação da força externa F. Além disso, o trabalho W por força externa será convertido em energia elétrica E armazenada no capacitor. A diferença de potencial U, a carga de ambas as placas Q e ca...

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Discussão

Neste protocolo, um capacitor de placa paralela foi usado para calibrar o suporte de empuxo, gerando uma força eletrostática de micro-newton, que pode ser rastreada até o SI. É fundamental para todas as etapas calibrar o gradiente de capacitância com precisão. O estágio linear motorizado fez o espaçamento inicial da placa deste capacitor de placa paralela igual a 1 mm e moveu a placa A em um passo de 0,02 mm. A ponte de capacitância foi usada para medir a capacitância para cali...

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Materiais

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