Прослеживаемая калибровка тягового стенда по электростатической силе

Резюме

Прослеживаемая калибровка механических характеристик упорной стойки является важным необходимым условием для обеспечения прослеживаемости измерения тяги. В этой статье мы опишем, как откалибровать упорный стенд по электростатической силе, создаваемой конденсатором с параллельной пластиной.

Аннотация

Микродвигатели имеют важное применение в обнаружении низкочастотных гравитационных волн, формировании спутников и межспутниковой лазерной связи, поэтому необходимо точно измерять тягу микродвигателей с отслеживаемостью. Упорный стенд – это широко используемый микроприбор для измерения тяги, обладающий такими преимуществами, как высокое разрешение и большая нагрузка. Прослеживаемая калибровка механических характеристик упорной стойки является важным необходимым условием для обеспечения прослеживаемости измерения тяги. В этом исследовании для калибровки упорного стенда использовался конденсатор с параллельной пластиной путем создания электростатической силы в микроньютоне, которую можно было проследить до Международной системы единиц (СИ). Постоянный диапазон градиента емкости был получен путем моделирования и теоретического расчета. Кроме того, электростатическая сила может быть изменена стандартным напряжением с такими преимуществами, как простой принцип, мгновенное срабатывание и отслеживаемость. Устройство может быть использовано для калибровки прослеживаемости микроньютоновской тяговой стойки благодаря простоте сборки и короткому пути прослеживаемости.

Введение

Микродвигатель незаменим для сверхстатической и сверхстабильной космической экспериментальной платформы для обеспечения микротяги для компенсации неконсервативной силы, действующей на космический корабль в режиме реального времени при обнаружении низкочастотных гравитационных волн. Надежное измерение тяги микроподруливающего устройства в сложной шумовой среде является предпосылкой для достижения контроля без сопротивления. Поэтому важно откалибровать упорный стенд с высокой точностью, чтобы установить модель механического отклика. Методы калибровки упорного стенда в основном включают два типа: контактный и бесконтактный методы калибровки.

Методы контактной калибровки в основном включают в себя систему взвешивания канатного шкива, ударный молот и ударный маятник, которые являются традиционными методами калибровки. В 2002 году Лейк и ^др.1 использовали грузы и шкивы для приложения калибровочного усилия в диапазоне мН. В 2006 году Polzin et ^al.2 также использовали аналогичную автоматическую систему для загрузки вертикальных нагрузок в поворотный рычаг, но она имела большую ошибку, когда сила составляла менее 10 мН. В 2004 году Koizumi et ^al.3 получили генерируемый импульс путем интегрирования силы, зарегистрированной датчиком силы, в процесс столкновения. Разрешающая способность датчика силы составила 90 мН, эффективный импульс – 20-80 мкН, а суммарная погрешность – 2,6 мкНс при 100 мкН. Ударный маятник подходит только для измерения больших импульсов, так как механическая вибрация серьезно влияет на калибровку. Несмотря на то, что метод контактной калибровки прост в настройке, погрешность дрейфа отсутствует, а калиброванная сила, как правило, больше, чем при бесконтактных методах. Поэтому он не подходит для калибровки стенда с микроусилием тяги.

Бесконтактные методы калибровки в основном включают газодинамическую калибровку, электромагнитную калибровку и электростатическую калибровку. В 2002 году Jamison et ^al.4 разработали технологию газодинамической калибровки, которая генерировала диапазон сил 80 нН-1 мкН, тягу 86,2 нН с погрешностью 10,7% и тягу 712 нН с погрешностью 2%. Технология газодинамической калибровки может надежно генерировать силу нН и субμН и проста в реализации. Тем не менее, это своего рода технология косвенной калибровки, которая не может быть прослежена до Международной системы единиц (СИ). Более того, газодинамическая калибровка подходит только в вакууме.

Электромагнитная сила может быть мала порядка микроньютона, и существует хорошая линейная зависимость между электромагнитной силой и током, которая имеет хорошую повторяемость. Tang et ^al.5 разработали технологию электромагнитной калибровки с использованием постоянного магнита и катушки. Диапазон измерений составлял 10-1000 μН, калибровочное усилие – менее 10 мН, а надежность калибровки 310 μН – 95%. В 2013 году He et ^al.6 использовали для калибровки кольцевой электромагнит с воздушным зазором и медную проволоку под напряжением. Погрешность калибровки силы 150 мкН составляла 4,17 мкН, а калибровочная сила имела большой диапазон и не была чувствительна к смещению рычага упорной стойки, но существовала проблема, заключавшаяся в том, что ток медной проволоки намагничивал сердечник электромагнита. В 2019 году Lam et ^al.7 использовали различные магниты и коммерческие звуковые катушки для калибровки широкого диапазона сил. Конструкция была компактной и простой в установке. Более того, диапазон сил был большим, с четырьмя порядками величины 30-23000 мкН, а неопределенности статической и импульсной силы составляли 18,47% и 11,38% соответственно. Однако для калибровки упорной рамы электромагнитная сила не может быть прослежена до СИ.

Калибровка электростатической силы является наиболее широко используемым методом прямой калибровки. Selden и Ketsdever⁸ использовали электростатический гребень (ESC) в качестве калибровочного устройства с диапазоном измерения в десятки микроньютонов с погрешностью 3%. Усилие изменилось на 2% при изменении расстояния между пластинами на 1 мм. Впрочем, расстояние между соседними зубьями должно быть таким же, что было применимо только к упорной стойке с малым водоизмещением. В 2012 году Pancotti et ^al.9 разработали симметричную электростатическую расческу с диапазоном импульсов 0,01 мН-20 мН, которая может генерировать больший электростатический импульс. Однако недостатки сложной структуры и легкого повреждения электростатической расчески необходимо решать.

Необходимым условием является предоставление отслеживаемой силы микроньютона в качестве опорной силы для калибровки стенда тяги. Электростатическая сила широко используется для отслеживания силы до СИ в метрологическом институте 10,11,12. Электростатическая сила имеет преимущества простого принципа, мгновенного срабатывания и короткого пути отслеживания. В этом исследовании конденсатор с параллельной пластиной использовался для создания электростатической силы в качестве опорной силы для калибровки маятниковой тяговой стойки, выходное смещение которой пропорционально приложенной тяге. Отношение тяги и смещения — это жесткость упорной стойки. При калибровке градиента емкости конденсатора отпала необходимость в строгом контроле положения двух параллельных пластин. Постоянный диапазон градиента емкости был получен путем моделирования и теоретического расчета. Диапазон электростатической силы можно было регулировать по расстоянию и площади двух пластин, что подходило для эффективной калибровки упорного стенда с различной жесткостью.

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

протокол

1. Экспериментальная реализация

1. Соберите все компоненты системы, включая круглый параллельный пластинчатый конденсатор, моторизованный линейный каскад, упорный стенд, емкостный мост, источник-измеритель, лазерный интерферометр и другие компоненты, показанные на рисунке 1.
2. Закрепите пластину А на моторизованной линейной сцене и закрепите пластину В на рычаге упорной стойки, сделав пластины А и В параллельными друг другу.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пластины обработаны высокоточной шлифовкой алюминиевого сплава. Диаметр пластины А составляет 6 см, а диаметр пластины В — 4 см, поэтому погрешность юстировки можно игнорировать.
3. Контролируйте расстояние D_ab между двумя пластинами с помощью моторизованного линейного столика (разрешение 0,625 мкм). Полностью подогнайте две пластины, а затем протяните фиксированное расстояние в 1 мм через линейный столик.
4. Соедините емкостный мост (разрешение 0,8 aF, точность ±5 ppm) с двумя пластинами для измерения изменения емкости C_ab с изменением расстояния между пластинами.
5. Подайте стандартное напряжение на конденсатор с помощью высоковольтного источника-измерителя (SMU) (точность 0,012%, ±5 - ±1100 В) для создания управляемой высокоточной электростатической силы.
6. Отрегулируйте лазерный интерферометр (разрешение 10 нм) так, чтобы он был прямо обращен к рычагу упорного стенда, и измерьте смещение x в режиме реального времени.

2. Калибровка градиента емкости

1. Привод пластины А отодвинуть в сторону от плиты Б с шагом 0,02 мм с помощью моторизованного линейного столика, и сделать начальное расстояние между пластинами равным 1 мм.
2. Измеряйте значение емкости двух параллельных пластин по емкостному мосту после каждого шага до тех пор, пока относительное изменение расстояния между пластинами не составит 0,12 мм.
3. Начните обратный шаг длиной 0,02 мм, чтобы вернуться в исходное положение.
4. Проведите в общей сложности пять повторяющихся экспериментов.
5. Подгонка результатов для получения взаимосвязи между градиентом емкости и расстоянием между пластинами конденсатора с параллельными пластинами, dC_ab/dd_ab.

3. Калибровка электростатической силы упорного стенда

1. Отсоедините мост конденсатора от конденсатора с параллельной пластиной.
2. Соедините две пластины с помощью источника-измерителя и сделайте расстояние между двумя пластинами равным 1 мм.
3. Пошагово увеличивайте напряжение U от нуля на обеих пластинах конденсатора с шагом 50 В до тех пор, пока приложенное напряжение не составит 300 В. Электростатическая сила F равна 1/2U² (dC_ab/dD_ab).
4. Используйте лазерный интерферометр для измерения смещения x рычага упорной стойки в режиме реального времени. Установите частоту дискретизации лазерного интерферометра на 50 Гц.
5. Постепенно снижайте напряжение U с 300 В на обеих пластинах конденсатора с шагом 50 В до тех пор, пока приложенное напряжение не станет нулевым.
6. Проведите в общей сложности пять повторяющихся экспериментов.
7. Подгоните результаты, чтобы получить соотношение между электростатической силой F и смещением x рычага упорной стойки. Рассчитайте жесткость k упорной стойки по закону Гука, k = F/x.

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

Результаты

В соответствии с протоколом калибруется градиент емкости и жесткость стенда тяги. Следует ввести принцип электростатической силы. Под действием внешней силы F между двумя заряженными пластинами будет наблюдаться относительное движение D_ab. Более того,...

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

Обсуждение

В этом протоколе параллельный пластинчатый конденсатор использовался для калибровки тягового стенда путем создания микроньютоновской электростатической силы, которую можно было проследить до СИ. На всех этапах крайне важно точно откалибровать градиент емкости. Мо...

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

Материалы

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