De traceerbare kalibratie van de stuwkrachtstand door elektrostatische kracht

Samenvatting

Traceerbaarheidskalibratie van mechanische eigenschappen van de drukstandaard is een essentiële voorwaarde om de traceerbaarheid van de stuwkracht te garanderen. Hier beschrijven we hoe u de stuwkrachtstandaard kunt kalibreren aan de hand van de elektrostatische kracht die wordt gegenereerd door de parallelle plaatcondensator.

Samenvatting

Microstuwraketten hebben belangrijke toepassingen bij de detectie van laagfrequente zwaartekrachtgolven, satellietvorming en lasercommunicatie tussen satellieten, dus het is noodzakelijk om de stuwkracht van microstuwraketten nauwkeurig te meten met traceerbaarheid. Een stuwkrachtstandaard is een veelgebruikt micro- drukmeetapparaat met de voordelen van hoge resolutie en grote belasting. Traceerbaarheidskalibratie van mechanische eigenschappen van de drukstandaard is een essentiële voorwaarde om de traceerbaarheid van de stuwkracht te garanderen. In deze studie werd een parallelle plaatcondensator gebruikt om de stuwkrachtstand te kalibreren door een micronewton elektrostatische kracht op te wekken, die kon worden herleid tot het International System of Units (SI). Het constante capaciteitsgradiëntbereik werd verkregen door middel van simulatie en theoretische berekening. Bovendien kon de elektrostatische kracht worden gewijzigd door standaardspanning met de voordelen van een eenvoudig principe, onmiddellijke activering en traceerbaarheid. Het apparaat kan worden gebruikt voor traceerbaarheidskalibratie van micro-newton-stuwkrachtstandaard dankzij de eenvoudige montage en het korte traceerbaarheidspad.

Inleiding

De microstuwraket is onmisbaar voor het ultrastatische en ultrastabiele ruimte-experimentele platform om microstuwkracht te leveren om de niet-conservatieve kracht op het ruimtevaartuig in realtime te compenseren bij laagfrequente zwaartekrachtgolfdetectie. Betrouwbare meting van de stuwkracht van de microboegschroef in de complexe geluidsomgeving is het uitgangspunt om een weerstandsvrije regeling te bereiken. Daarom is het essentieel om de stuwkrachtstandaard met hoge precisie te kalibreren om het mechanische responsmodel vast te stellen. De kalibratiemethoden van de stuwkrachtstandaard omvatten voornamelijk twee typen, contact- en contactloze kalibratiemethoden.

Contactkalibratiemethoden omvatten voornamelijk het gewichtssysteem van de touwkatrol, de slaghamer en de slagslinger, dit zijn traditionele kalibratiemethoden. In 2002 gebruikten Lake et ^al.1 gewichten en katrollen om kalibratiekracht uit te oefenen in het bereik van mN. In 2006 gebruikten Polzin et ^al.2 ook een soortgelijk automatisch systeem om verticale belastingen in de achterbrug te laden, maar het had een grote fout toen de kracht minder dan 10 mN was. In 2004 verkregen Koizumi et ^al.3 het gegenereerde momentum door de kracht die door de krachtsensor werd geregistreerd te integreren in het botsingsproces. De resolutie van de krachtsensor was 90 mN, de effectieve impuls was 20-80 μNs en de totale fout was 2,6 μNs bij 100 μN. De slagslinger is alleen geschikt voor grote impulsmetingen, omdat mechanische trillingen de kalibratie ernstig beïnvloeden. Hoewel de contactkalibratiemethode eenvoudig in te stellen is, is er geen driftfout en is de gekalibreerde kracht over het algemeen groter dan bij de contactloze methoden. Daarom is het niet geschikt voor het kalibreren van de microforce-stuwkrachtstandaard.

Contactloze kalibratiemethoden omvatten voornamelijk gasdynamische kalibratie, elektromagnetische kalibratie en elektrostatische kalibratie. In 2002 ontwikkelden Jamison et ^al.4 een gasdynamische kalibratietechnologie, die een krachtbereik genereerde van 80 nN-1 μN, 86,2 nN stuwkracht met 10,7% fout en 712 nN stuwkracht met 2% fout. Gasdynamische kalibratietechnologie kan op betrouwbare wijze nN- en sub-μN-kracht genereren en is eenvoudig te implementeren. Het is echter een soort indirecte kalibratietechnologie die niet kan worden herleid tot het International System of Units (SI). Bovendien is gasdynamische kalibratie alleen geschikt in een vacuüm.

De elektromagnetische kracht kan zo klein zijn als de orde van micronewton, en er is een goede lineaire relatie tussen de elektromagnetische kracht en de stroom, die een goede herhaalbaarheid heeft. Tang et ^al.5 ontwikkelden een elektromagnetische kalibratietechnologie met behulp van een permanente magneet en spoel. Het meetbereik was 10-1000 μN, de kalibratiekracht was minder dan 10 mN en de kalibratiebetrouwbaarheid van 310 μN is 95%. In 2013 gebruikten He et ^al.6 de ringelektromagneet met luchtspleet en de bekrachtigde koperdraad voor kalibratie. De kalibratieonzekerheid van 150 μN was 4,17 μN, en de kalibratiekracht had een groot bereik en was niet gevoelig voor de verplaatsing van de stuwkrachtstandarm, maar er was een probleem dat de koperdraadstroom de elektromagnetische kern zou magnetiseren. In 2019 gebruikten Lam et ^al.7 verschillende magneten en commerciële spreekspoelen om een breed scala aan krachten te kalibreren. De structuur was compact en eenvoudig te installeren. Bovendien was het krachtbereik groot, met vier ordes van grootte van 30-23000 μN, en waren de onzekerheden van statische en pulskracht respectievelijk 18,47% en 11,38%. Voor de kalibratie van het stuwkrachtframe is de elektromagnetische kracht echter niet herleidbaar tot SI.

Elektrostatische krachtkalibratie is de meest gebruikte directe kalibratietechniek. Selden en Ketsdever⁸ gebruikten een elektrostatische kam (ESC) als kalibratieapparaat met een meetbereik van tientallen micronewton met een fout van 3%. De kracht veranderde 2% toen de plaatafstand 1 mm veranderde. De afstand tussen de aangrenzende tanden moest echter hetzelfde zijn, wat alleen van toepassing was op de drukstandaard met een kleine verplaatsing. In 2012 ontwierpen Pancotti et ^al.9 een symmetrische elektrostatische kam met een pulsbereik van 0,01 mNs-20 mNs, die een grotere elektrostatische puls zou kunnen genereren. De nadelen van een complexe structuur en gemakkelijke beschadiging van de elektrostatische kam moeten echter worden opgelost.

Het is een voorwaarde om de traceerbare micronewtonkracht te leveren als referentiekracht om de stuwkrachtstandaard te kalibreren. De elektrostatische kracht wordt veel gebruikt om de kracht te herleiden tot SI in het metrologie-instituut 10,11,12. De elektrostatische kracht heeft de voordelen van een eenvoudig principe, onmiddellijke activering en een kort traceerpad. In deze studie werd de parallelle plaatcondensator gebruikt om elektrostatische kracht op te wekken als referentiekracht om de stuwkrachtstandaard van de slinger te kalibreren, waarvan de verplaatsingsoutput evenredig is met de uitgeoefende stuwkracht. De verhouding van de stuwkracht en de verplaatsing is de stijfheid van de stuwkrachtstandaard. Door de capaciteitsgradiënt van de condensator te kalibreren, was het niet nodig om de positie van twee parallelle platen strikt te controleren. Het constante capaciteitsgradiëntbereik werd verkregen door middel van simulatie en theoretische berekening. Het bereik van de elektrostatische kracht kon worden aangepast door de afstand en het oppervlak van twee platen, wat geschikt was voor een efficiënte kalibratie van de stuwkrachtstandaard met verschillende stijfheid.

Protocol

1. Experimentele realisatie

1. Verzamel alle systeemcomponenten, inclusief de cirkelvormige parallelle plaatcondensator, de gemotoriseerde lineaire trap, de stuwkrachtstandaard, de capaciteitsbrug, het SMU-instrument, de laserinterferometer en andere componenten, weergegeven in afbeelding 1.
2. Bevestig plaat A op de gemotoriseerde lineaire tafel en bevestig plaat B op de arm van de drukstandaard, waardoor platen A en B evenwijdig aan elkaar worden gemaakt.
   OPMERKING: De platen worden verwerkt door zeer nauwkeurig slijpen van een aluminiumlegering. De diameter van plaat A is 6 cm en de diameter van plaat B is 4 cm, zodat de uitlijnfout kan worden genegeerd.
3. Regel de afstand D_ab tussen de twee platen door een gemotoriseerde lineaire tafel (resolutie 0,625 μm). Plaats de twee platen volledig en trek vervolgens een vaste afstand van 1 mm door de lineaire tafel.
4. Verbind de capaciteitsbrug (resolutie 0.8 aF, nauwkeurigheid ±5 PPM) met de twee platen om de capaciteit C_ab-variatie te meten met de verandering van de plaatafstand.
5. Pas een standaardspanning toe op de condensator door middel van een instrument van een hoogspanningsbronmeeteenheid (SMU) (precisie 0,012%, ±5 - ±1100 V) om een regelbare, zeer nauwkeurige elektrostatische kracht te genereren.
6. Stel de laserinterferometer (resolutie 10 nm) zo in dat deze direct naar de arm van de stuwkrachtstandaard is gericht en meet de verplaatsing x in realtime.

2. Kalibratie van de capaciteitsgradiënt

1. Aandrijfplaat A om naar de zijkant weg van plaat B te bewegen met een staplengte van 0,02 mm door de gemotoriseerde lineaire trap, en maak de initiële plaatafstand gelijk aan 1 mm.
2. Meet de capaciteitswaarde van de twee parallelle platen door de capaciteitsbrug na elke stap totdat de relatieve verandering van de plaatafstand 0,12 mm is.
3. Begin een omgekeerde stap met een lengte van 0,02 mm om terug te keren naar de beginpositie.
4. Voer in totaal vijf herhaalbare experimenten uit.
5. Pas de resultaten aan om de relatie tussen capaciteitsgradiënt en plaatafstand van parallelle plaatcondensator te krijgen, dC_ab/dD_ab.

3. Elektrostatische krachtkalibratie van stuwkrachtstandaard

1. Koppel de condensatorbrug los van de parallelle plaatcondensator.
2. Verbind de twee platen met het SMU-instrument en maak de ruimte tussen de twee platen gelijk aan 1 mm.
3. Verhoog de spanning U stap voor stap vanaf nul op beide platen van de condensator met een stapwaarde van 50 V totdat de toegepaste spanning 300 V is. De elektrostatische kracht F is gelijk aan 1/2U²(dC_ab/dD_ab).
4. Gebruik de laserinterferometer om de verplaatsing x van de stuwkrachtstandarm in realtime te meten. Stel de bemonsteringsfrequentie van de laserinterferometer in op 50 Hz.
5. Verlaag de spanning U van 300 V stap voor stap op beide platen van de condensator met een stapwaarde van 50 V totdat de toegepaste spanning nul is.
6. Voer in totaal vijf herhaalbare experimenten uit.
7. Pas de resultaten aan om de relatie te krijgen tussen de elektrostatische kracht F en de verplaatsing x van de stuwkracht-arm. Bereken de stijfheid k van de stuwkrachtstandaard volgens de wet van Hooke, k = F/x.

Resultaten

Volgens het protocol worden de capaciteitsgradiënt en de stijfheid van de stuwkrachtstandaard gekalibreerd. Het principe van elektrostatische kracht moet worden ingevoerd. Er zal relatieve beweging D_ab zijn tussen twee geladen platen onder invloed van externe kracht F. Bovendien wordt de arbeid W door externe kracht omgezet in elektrische energie E die in de condensator wordt opgeslagen. Het potentiaalverschil U, de lading van beide...

Discussie

In dit protocol werd een parallelle plaatcondensator gebruikt om de stuwkrachtstand te kalibreren door een micro-newton elektrostatische kracht op te wekken, die kon worden herleid tot SI. Het is van cruciaal belang voor alle stappen om de capaciteitsgradiënt nauwkeurig te kalibreren. De gemotoriseerde lineaire trap maakte de initiële plaatafstand van deze parallelle plaatcondensator gelijk aan 1 mm en bewoog de plaat A in een stap van 0,02 mm. De capaciteitsbrug werd gebruikt om de capa...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Motorized linear stage	Zolix	TSA50-C	Resolutie 0.625 µm
Capacitance bridge	Andeen-Hagerling	AH2550A	Resolutie 0.8 aF, Nauwkeurigheid ±5 PPM
High voltage source measure unit (SMU) instrument	Keithley	2410	Precisie 0.012%, ±5 µV– ±1100 V
Laser interferometer	Renishaw	RLE10	Resolutie 10 nm
Circular parallel plate capacitor	Verwerkt door hoogprecisieschuren		De platen worden verwerkt door hoogprecisieschuren van aluminiumlegering. De diameter van plaat A is 6 cm en de diameter van plaat B is 4 cm.
Thrust stand	Verwerkt door hoogprecisieschuren		Pendule type thrust stand