Elektrostatik kuvvet ile itme standının izlenebilir kalibrasyonu

Özet

İtme standının mekanik özelliklerinin izlenebilirlik kalibrasyonu, itme kabiliyetinin izlenebilirlik ölçümünü sağlamak için önemli bir ön koşuldur. Burada, paralel plakalı kondansatör tarafından üretilen elektrostatik kuvvet ile itme standının nasıl kalibre edileceğini açıklıyoruz.

Özet

Mikro iticiler, düşük frekanslı yerçekimi dalgası algılama, uydu oluşumu ve uydular arası lazer iletişiminde önemli uygulamalara sahiptir, bu nedenle mikro iticilerin itme kuvvetini izlenebilirlik ile doğru bir şekilde ölçmek gerekir. İtme standı, yüksek çözünürlük ve büyük yük avantajlarına sahip, yaygın olarak kullanılan bir mikro itme ölçüm cihazıdır. İtme standının mekanik özelliklerinin izlenebilirlik kalibrasyonu, itme kabiliyetinin izlenebilirlik ölçümünü sağlamak için önemli bir ön koşuldur. Bu çalışmada, Uluslararası Birimler Sistemine (SI) kadar izlenebilen bir mikronewton elektrostatik kuvvet üreterek itme standını kalibre etmek için paralel plakalı bir kapasitör kullanıldı. Sabit kapasitans gradyan aralığı, simülasyon ve teorik hesaplama yoluyla elde edildi. Ayrıca, elektrostatik kuvvet, basit prensip, anlık tetikleme ve izlenebilirlik avantajları ile standart voltajla değiştirilebilir. Cihaz, basit montaj ve kısa izlenebilirlik yolu nedeniyle mikro newton itme standının izlenebilirlik kalibrasyonu için kullanılabilir.

Giriş

Mikro itici, düşük frekanslı yerçekimi dalgası tespitinde uzay aracı üzerindeki muhafazakar olmayan kuvveti gerçek zamanlı olarak dengelemek için mikro itme sağlamak için ultra statik ve ultra kararlı uzay deney platformu için vazgeçilmezdir. Karmaşık gürültü ortamında mikro iticinin itme kuvvetinin güvenilir bir şekilde ölçülmesi, sürtünmesiz kontrol elde etmenin öncülüdür. Bu nedenle, mekanik tepki modelini oluşturmak için itme standını yüksek hassasiyetle kalibre etmek önemlidir. İtme standının kalibrasyon yöntemleri esas olarak temaslı ve temassız kalibrasyon yöntemleri olmak üzere iki tip içerir.

Kontak kalibrasyon yöntemleri esas olarak geleneksel kalibrasyon yöntemleri olan halat kasnak ağırlık sistemi, darbeli çekiç ve darbe sarkacını içerir. 2002 yılında, Lake ve ^ark.1 , mN aralığında kalibrasyon kuvveti uygulamak için ağırlıklar ve kasnaklar kullandı. 2006 yılında Polzin ve ^ark.2 de dikey yükleri salıncak koluna yüklemek için benzer bir otomatik sistem kullandı, ancak kuvvet 10 mN'den az olduğunda büyük bir hata yaptı. 2004 yılında Koizumi ve ^ark.3 , kuvvet sensörü tarafından kaydedilen kuvveti çarpışma sürecine entegre ederek üretilen momentumu elde etti. Kuvvet sensörünün çözünürlüğü 90 mN, efektif dürtü 20-80 μNs ve toplam hata 100 μN'de 2,6 μN idi. Darbe sarkacı yalnızca büyük darbe ölçümü için uygundur çünkü mekanik titreşim kalibrasyonu ciddi şekilde etkiler. Temas kalibrasyon yönteminin kurulumu kolay olsa da, sıfır sapma hatası vardır ve kalibre edilen kuvvet genellikle temassız yöntemlerden daha büyüktür. Bu nedenle, mikro kuvvet itme standını kalibre etmek için uygun değildir.

Temassız kalibrasyon yöntemleri temel olarak gaz dinamik kalibrasyonu, elektromanyetik kalibrasyon ve elektrostatik kalibrasyonu içerir. 2002 yılında Jamison ve ^ark.4 , 80 nN-1 μN, %10,7 hata ile 86,2 nN itme kuvveti ve %2 hata ile 712 nN itme kuvveti aralığı üreten bir gaz dinamik kalibrasyon teknolojisi geliştirdi. Gaz dinamik kalibrasyon teknolojisi, nN ve μN altı kuvveti güvenilir bir şekilde üretebilir ve uygulanması kolaydır. Bununla birlikte, Uluslararası Birimler Sistemine (SI) kadar izlenemeyen bir tür dolaylı kalibrasyon teknolojisidir. Dahası, gaz dinamik kalibrasyonu sadece vakumda uygundur.

Elektromanyetik kuvvet, mikronewton mertebesi kadar küçük olabilir ve elektromanyetik kuvvet ile akım arasında iyi bir tekrarlanabilirliğe sahip olan iyi bir doğrusal ilişki vardır. Tang ve ^ark.5 , kalıcı bir mıknatıs ve bobin kullanarak bir elektromanyetik kalibrasyon teknolojisi geliştirdi. Ölçüm aralığı 10-1000 μNs idi, kalibrasyon kuvveti 10 mN'den azdı ve 310 μN'nin kalibrasyon güvenilirliği %95'ti. 2013 yılında, He ve ^ark.6 , kalibrasyon için hava boşluklu halka elektromıknatısı ve enerjili bakır teli kullandı. 150 μN kuvvetin kalibrasyon belirsizliği 4.17 μN idi ve kalibrasyon kuvveti geniş bir aralığa sahipti ve itme standı kolunun yer değiştirmesine duyarlı değildi, ancak bakır tel akımının elektromıknatıs çekirdeğini manyetize etmesi sorunu vardı. 2019'da Lam ve ^ark.7 , çok çeşitli kuvvetleri kalibre etmek için farklı mıknatıslar ve ticari ses bobinleri kullandı. Yapı kompakttı ve kurulumu kolaydı. Ayrıca, kuvvet aralığı büyüktü, 30-23000 μN'lik dört büyüklük sırası ile büyüktü ve statik ve darbe kuvvetinin belirsizlikleri sırasıyla %18.47 ve %11.38 idi. Bununla birlikte, itme çerçevesinin kalibrasyonu için elektromanyetik kuvvet SI'ya kadar izlenemez.

Elektrostatik kuvvet kalibrasyonu, en yaygın kullanılan doğrudan kalibrasyon tekniğidir. Selden ve Ketsdever⁸ , kalibrasyon cihazı olarak %3'lük bir hata ile düzinelerce mikronewton ölçüm aralığına sahip bir elektrostatik tarak (ESC) kullandı. Plaka aralığı 2 mm değiştikçe kuvvet %1 değişti. Bununla birlikte, bitişik dişler arasındaki mesafe aynı olmalıdır, bu sadece küçük yer değiştirmeli itme standı için geçerlidir. 2012 yılında Pancotti ve ^ark.9 , darbe aralığı 0.01 mNs-20 mNs olan ve daha büyük bir elektrostatik darbe üretebilen simetrik bir elektrostatik tarak tasarladı. Bununla birlikte, karmaşık yapının dezavantajları ve elektrostatik tarağın kolay hasar görmesi gerekir.

İtme standını kalibre etmek için izlenebilir mikronewton kuvvetini bir referans kuvveti olarak sağlamak bir ön koşuldur. Elektrostatik kuvvet, metroloji Enstitüsü^10,11,12'de SI'ya kuvveti izlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrostatik kuvvet, basit prensip, anlık tetikleme ve kısa izleme yolu avantajlarına sahiptir. Bu çalışmada, paralel plakalı kondansatör, yer değiştirme çıkışı uygulanan itme ile orantılı olan sarkaç itme standını kalibre etmek için bir referans kuvvet olarak elektrostatik kuvvet üretmek üzere servis edildi. İtme ve yer değiştirme oranı, itme standının sertliğidir. Kondansatörün kapasitans gradyanını kalibre ederek, iki paralel plakanın pozunu sıkı bir şekilde kontrol etmek gereksizdi. Sabit kapasitans gradyan aralığı, simülasyon ve teorik hesaplama yoluyla elde edildi. Elektrostatik kuvvet aralığı, farklı sertlikteki itme standının verimli kalibrasyonu için uygun olan iki plakanın aralığı ve alanı ile ayarlanabilir.

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

Protokol

1. Deneysel gerçekleştirme

1. Şekil 1'de gösterilen dairesel paralel plakalı kondansatör, motorlu doğrusal aşama, itme standı, kapasitans köprüsü, SMU cihazı, lazer interferometre ve diğer bileşenler dahil olmak üzere tüm sistem bileşenlerini toplayın.
2. Plaka A'yı motorlu lineer kademeye sabitleyin ve Plaka B'yi itme standının koluna sabitleyin, Plaka A ve B'yi birbirine paralel hale getirin.
   NOT: Plakalar, alüminyum alaşımının yüksek hassasiyetle taşlanmasıyla işlenir. A plakasının çapı 6 cm'dir ve B plakasının çapı 4 cm'dir, bu nedenle hizalama hatası göz ardı edilebilir.
3. Motorlu bir doğrusal kademe ile iki plaka arasındaki D_ab mesafesini kontrol edin (Çözünürlük 0.625 μm). İki plakayı tamamen oturtun ve ardından doğrusal aşama boyunca 1 mm'lik sabit bir mesafe çekin.
4. Kapasitans köprüsünü (Çözünürlük 0.8 aF, Doğruluk ±5 PPM) plaka aralığının değişmesiyle kapasitans C_ab varyasyonunu ölçmek için iki plakaya bağlayın.
5. Kontrol edilebilir yüksek hassasiyetli bir elektrostatik kuvvet oluşturmak için yüksek voltajlı bir kaynak ölçüm birimi (SMU) cihazı (Hassasiyet %0,012, ±5 - ±1100 V) ile kondansatöre standart bir voltaj uygulayın.
6. Lazer interferometreyi (Çözünürlük 10 nm) doğrudan itme standının koluna bakacak şekilde ayarlayın ve yer değiştirmeyi x gerçek zamanlı olarak ölçün.

2. Kapasitans gradyanının kalibrasyonu

1. Motorlu lineer kademe ile 0,02 mm'lik bir adım uzunluğuna sahip plaka B'den uzağa doğru hareket etmek için tahrik plakası A'yı sürün ve ilk plaka aralığını 1 mm'ye eşit hale getirin.
2. Plaka aralığının nispi değişimi 0,12 mm olana kadar her adımdan sonra kapasitans köprüsü ile iki paralel plakanın kapasitans değerini ölçün.
3. Başlangıç konumuna geri dönmek için 0,02 mm uzunluğunda bir ters adıma başlayın.
4. Toplam beş tekrarlanabilir deney yapın.
5. Kapasitans gradyanı ile paralel plakalı kondansatörün plaka aralığı arasındaki ilişkiyi elde etmek için sonuçları eşleştirin, dcab / dD_ab.

3. İtme standının elektrostatik kuvvet kalibrasyonu

1. Kondansatör köprüsünü paralel plakalı kondansatörden ayırın.
2. İki plakayı SMU cihazıyla bağlayın ve iki plaka arasındaki boşluğu 1 mm'ye eşit hale getirin.
3. Uygulanan voltaj 300 V olana kadar 50 V'luk bir adım değeri ile kondansatörün her iki plakasında U voltajını sıfırdan adım adım artırın. Elektrostatik kuvvet F , 1/^2U2(dC_ab/dD_ab)'ye eşittir.
4. İtme dayanağı kolunun yer değiştirmesini x gerçek zamanlı olarak ölçmek için lazer interferometreyi kullanın. Lazer interferometrenin örnekleme frekansını 50 Hz'e ayarlayın.
5. Uygulanan voltaj sıfır olana kadar 50 V'luk bir adım değeri ile kondansatörün her iki plakasında U voltajını adım adım 300 V'tan azaltın.
6. Toplam beş tekrarlanabilir deney yapın.
7. Elektrostatik kuvvet F ile itme dayanağı kolunun yer değiştirmesi x arasındaki ilişkiyi elde etmek için sonuçları eşleştirin. Hooke yasasına göre itme standının sertliğini k hesaplayın, k = F/x.

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

Sonuçlar

Protokolü takiben, kapasitans gradyanı ve itme standının sertliği kalibre edilir. Elektrostatik kuvvet prensibi tanıtılmalıdır. Dış kuvvet F'nin etkisi altında iki yüklü plaka arasında bağıl hareket D_ab olacaktır. Ayrıca, dış kuvvet tarafından W işi, kondansatörde depolanan elektrik enerjisine E dönüştürülecektir. Potansiyel fark U, hem Q plakalarının yükü hem de kapasitans C elde e...

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

Tartışmalar

Bu protokolde, SI'ya kadar izlenebilen bir mikro-newton elektrostatik kuvvet üreterek itme standını kalibre etmek için bir paralel plaka kondansatörü kullanıldı. Kapasitans gradyanını hassas bir şekilde kalibre etmek tüm adımlar için kritik öneme sahiptir. Motorlu lineer aşama, bu paralel plakalı kondansatörün ilk plaka aralığını 1 mm'ye eşit hale getirdi ve plaka A'yı 0,02 mm'lik bir adımla hareket ettirdi. Kapasitans köprüsü, kapasitans gradyanını doğru ...

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

Malzemeler

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