Artykuł metodologiczny

Identyfikowalna kalibracja stojaka oporowego za pomocą siły elektrostatycznej

DOI:

10.3791/63465

⸱

1 marca 2022

 ,  ,  , 
1Shanghai Engineering Center for Microsatellites, 2Innovation Academy for Microsatellites, Chinese Academy of Sciences, 3State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Identyfikowalność, kalibracja charakterystyk mechanicznych stojaka oporowego jest niezbędnym warunkiem do zapewnienia identyfikowalności pomiaru ciągu. Tutaj opisujemy, jak skalibrować stojak oporowy za pomocą siły elektrostatycznej generowanej przez równoległy kondensator płytkowy.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikrosilniki strumieniowe mają ważne zastosowania w wykrywaniu fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości, tworzeniu satelitów i międzysatelitarnej komunikacji laserowej, dlatego konieczne jest dokładne zmierzenie ciągu mikrosilników z możliwością śledzenia. Stojak oporowy jest szeroko stosowanym urządzeniem do pomiaru ciągu z zaletami wysokiej rozdzielczości i dużego obciążenia. Kalibracja identyfikowalności charakterystyk mechanicznych stojaka oporowego jest niezbędnym warunkiem wstępnym zapewnienia identyfikowalności pomiaru ciągu. W tym badaniu użyto równoległego kondensatora płytkowego do kalibracji stojaka oporowego poprzez generowanie siły elektrostatycznej w mikroniutonach, którą można było przypisać Międzynarodowemu Układowi Jednostek Miar (SI). Zakres stałego gradientu pojemności uzyskano za pomocą symulacji i obliczeń teoretycznych. Co więcej, siła elektrostatyczna może być zmieniana przez standardowe napięcie z zaletami prostej zasady, natychmiastowego wyzwalania i identyfikowalności. Urządzenie może być używane do kalibracji identyfikowalności stojaka o ciągu mikroniutona ze względu na prosty montaż i krótką ścieżkę identyfikowalności.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikro ster strumieniowy jest niezbędny dla ultra-statycznej i ultrastabilnej platformy eksperymentalnej w kosmosie, aby zapewnić mikro ciąg, aby zrównoważyć niekonserwatywną siłę działającą na statek kosmiczny w czasie rzeczywistym w wykrywaniu fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości. Niezawodny pomiar ciągu mikrostera strumieniowego w złożonym środowisku hałasu jest przesłanką do osiągnięcia kontroli bez oporu. Dlatego ważne jest, aby skalibrować stojak oporowy z dużą precyzją, aby ustalić model odpowiedzi mechanicznej. Metody kalibracji stojaka oporowego obejmują głównie dwa typy, metody kalibracji kontaktowej i bezkontaktowej.

Metody kalibracji kontaktowej obejmują głównie system obciążników kół linowych, młot udarowy i wahadło udarowe, które są tradycyjnymi metodami kalibracji. W 2002 roku Lake et al.1 użył odważników i kół pasowych do przyłożenia siły kalibracyjnej w zakresie mN. W 2006 roku Polzin i in.2 również używali podobnego automatycznego systemu do ładowania obciążeń pionowych do ramienia wahadłowego, ale miał on duży błąd, gdy siła była mniejsza niż 10 mN. W 2004 roku Koizumi et al.3 uzyskali wygenerowany pęd poprzez całkowanie siły zarejestrowanej przez czujnik siły w procesie zderzenia. Rozdzielczość czujnika siły wynosiła 90 mN, impuls skuteczny wynosił 20-80 μNs, a błąd całkowity wynosił 2,6 μNs przy 100 μNs. Wahadło udarowe nadaje się tylko do pomiaru dużych impulsów, ponieważ drgania mechaniczne poważnie wpływają na kalibrację. Chociaż metoda kalibracji styku jest łatwa do skonfigurowania, nie ma błędu dryftu, a skalibrowana siła jest na ogół większa niż w przypadku metod bezkontaktowych. Dlatego nie nadaje się do kalibracji stojaka z mikro siłą ciągu.

Bezkontaktowe metody kalibracji obejmują głównie kalibrację dynamiczną gazu, kalibrację elektromagnetyczną i kalibrację elektrostatyczną. W 2002 roku Jamison i wsp.4 opracowali technologię dynamicznej kalibracji gazu, która wygenerowała zakres siły 80 nN-1 μN, ciąg 86,2 nN z błędem 10,7% i ciąg 712 nN z błędem 2%. Technologia kalibracji dynamicznej gazu może niezawodnie generować siłę nN i sub-μN i jest łatwa do wdrożenia. Jest to jednak rodzaj technologii kalibracji pośredniej, która nie może pochodzić z Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI). Co więcej, dynamiczna kalibracja gazu jest odpowiednia tylko w próżni.

Siła elektromagnetyczna może być tak mała jak rząd mikroniutonów, a między siłą elektromagnetyczną a prądem istnieje dobra liniowa zależność, która ma dobrą powtarzalność. Tang et al.5 opracowali technologię kalibracji elektromagnetycznej z wykorzystaniem magnesu trwałego i cewki. Zakres pomiarowy wynosił 10-1000 μN, siła kalibracji była mniejsza niż 10 mN, a niezawodność kalibracji 310 μN wynosi 95%. W 2013 roku He i in.6 wykorzystali do kalibracji elektromagnes pierścieniowy ze szczeliną powietrzną i drut miedziany pod napięciem. Niepewność kalibracji siły 150 μN wynosiła 4,17 μN, a siła kalibracyjna miała duży zakres i nie była wrażliwa na przemieszczenie ramienia stojaka oporowego, ale pojawił się problem polegający na tym, że prąd drutu miedzianego namagnesowałby rdzeń elektromagnesu. W 2019 roku Lam i in.7 wykorzystali różne magnesy i komercyjne cewki drgające do kalibracji szerokiego zakresu sił. Konstrukcja była zwarta i łatwa w montażu. Ponadto zakres sił był duży, z czterema rzędami wielkości 30-23000 μN, a niepewności siły statycznej i impulsowej wynosiły odpowiednio 18,47% i 11,38%. Jednak w przypadku kalibracji ramy oporowej siła elektromagnetyczna nie jest identyfikowalna w układzie SI.

Kalibracja siły elektrostatycznej jest najczęściej stosowaną techniką bezpośredniej kalibracji. Selden i Ketsdever8 użyli grzebienia elektrostatycznego (ESC) jako urządzenia kalibracyjnego o zakresie pomiarowym kilkudziesięciu mikroniutonów z błędem 3%. Siła zmieniała się o 2% wraz ze zmianą odstępu między płytami o 1 mm. Jednak odległość między sąsiednimi zębami powinna być taka sama, co dotyczyło tylko stojaka oporowego o małym przemieszczeniu. W 2012 roku Pancotti i in.9 zaprojektowali symetryczny grzebień elektrostatyczny, którego zakres impulsów wynosił 0,01 mNs-20 mNs, który mógł generować większy impuls elektrostatyczny. Należy jednak rozwiązać wady złożonej konstrukcji i łatwego uszkodzenia grzebienia elektrostatycznego.

Jest to warunek wstępny, aby dostarczyć identyfikowalną siłę mikroniutonową jako siłę odniesienia do kalibracji stojaka oporowego. Siła elektrostatyczna jest szeroko stosowana do śledzenia siły do SI w Instytucie Metrologii10,11,12. Siła elektrostatyczna ma zalety prostej zasady, natychmiastowego wyzwalania i krótkiej ścieżki śledzenia. W tym badaniu kondensator z równoległą płytą posłużył do wytworzenia siły elektrostatycznej jako siły odniesienia do kalibracji wahadłowego stojaka oporowego, którego przemieszczenie jest proporcjonalne do przyłożonego ciągu. Stosunek ciągu do przemieszczenia to sztywność stojaka oporowego. Kalibrując gradient pojemności kondensatora, nie było konieczne ścisłe kontrolowanie ułożenia dwóch równoległych płyt. Zakres stałego gradientu pojemności uzyskano za pomocą symulacji i obliczeń teoretycznych. Zakres siły elektrostatycznej można było regulować za pomocą rozstawu i powierzchni dwóch płyt, co było odpowiednie do efektywnej kalibracji stojaka oporowego o różnej sztywności.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Realizacja eksperymentalna

  1. Zbierz wszystkie elementy systemu, w tym okrągły kondensator płytowy równoległy, zmotoryzowany stopień liniowy, stojak oporowy, mostek pojemnościowy, przyrząd SMU, interferometr laserowy i inne elementy, pokazane na Rysunek 1.
  2. Zamocuj płytę A na zmotoryzowanym stoliku liniowym i zamocuj płytę B na ramieniu stojaka oporowego, tak aby płyty A i B były do siebie równoległe.
    UWAGA: Płyty są obrabiane przez precyzyjne szlifowanie stopu aluminium. Średnica płyty A wynosi 6 cm, a średnica płyty B wynosi 4 cm, więc błąd wyrównania można zignorować.
  3. Kontroluj odległość Dab między dwiema płytami za pomocą zmotoryzowanego stolika liniowego (rozdzielczość 0,625 μm). Całkowicie dopasuj dwie płyty, a następnie przeciągnij stałą odległość 1 mm przez stolik liniowy.
  4. Połącz mostek pojemnościowy (rozdzielczość 0,8 aF, dokładność ±5 PPM) z dwiema płytkami, aby zmierzyć zmienność pojemności Cab ze zmianą odstępów między płytkami.
  5. Przyłóż standardowe napięcie do kondensatora za pomocą przyrządu do pomiaru źródła wysokiego napięcia (SMU) (precyzja 0,012%, ±5 - ±1100 V), aby wygenerować kontrolowaną, precyzyjną siłę elektrostatyczną.
  6. Ustaw interferometr laserowy (rozdzielczość 10 nm) tak, aby był skierowany bezpośrednio w stronę ramienia stojaka oporowego i zmierz przemieszczenie x w czasie rzeczywistym.

2. Kalibracja gradientu pojemności

  1. Napędzać płytę A, aby przesunąć się na bok od płyty B o długości kroku 0,02 mm za pomocą zmotoryzowanego stolika liniowego i sprawić, aby początkowy odstęp między płytami był równy 1 mm.
  2. Zmierz wartość pojemności dwóch równoległych płytek za pomocą mostka pojemnościowego po każdym kroku, aż względna zmiana odstępu między płytkami wyniesie 0,12 mm.
  3. Rozpocznij krok wsteczny o długości 0,02 mm, aby powrócić do pozycji wyjściowej.
  4. Przeprowadź w sumie pięć powtarzalnych eksperymentów.
  5. Dopasuj wyniki, aby uzyskać zależność między gradientem pojemności a odstępami między płytami równoległego kondensatora płytkowego, dCab / dDab.

3. Kalibracja siły elektrostatycznej stojaka oporowego

  1. Odłącz mostek kondensatora od równoległego kondensatora płytkowego.
  2. Połącz dwie płytki z instrumentem SMU i spraw, aby odstęp między dwiema płytkami był równy 1 mm.
  3. Zwiększaj napięcie U od zera krok po kroku na obu płytach kondensatora o wartości kroku 50 V, aż przyłożone napięcie osiągnie 300 V. Siła elektrostatyczna F jest równa 1/2U2 (dCab / dDab).
  4. Użyj interferometru laserowego, aby zmierzyć przemieszczenie x ramienia stojaka oporowego w czasie rzeczywistym. Ustaw częstotliwość próbkowania interferometru laserowego na 50 Hz.
  5. Zmniejszaj napięcie U od 300 V krok po kroku na obu płytach kondensatora o wartości kroku 50 V, aż przyłożone napięcie spadnie do zera.
  6. Przeprowadź w sumie pięć powtarzalnych eksperymentów.
  7. Dopasuj wyniki, aby uzyskać zależność między siłą elektrostatyczną F a przemieszczeniem x ramienia stojaka oporowego. Oblicz sztywność k stojaka oporowego zgodnie z prawem Hooke'a, k = F/x.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zgodnie z protokołem, gradient pojemności i sztywność stojaka oporowego są kalibrowane. Należy wprowadzić zasadę siły elektrostatycznej. Pod wpływem siły zewnętrznej F wystąpi ruch względny Dab między dwiema naładowanymi płytami. Co więcej, praca W pod wpływem siły zewnętrznej zostanie zamieniona na energię elektryczną E zmagazynowaną w kondensatorze. Można uzyskać różnicę potencjałów U, ładunek obu płytek Q i pojemność C. Energię zmagazynowaną mię...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym protokole równoległy kondensator płytkowy został użyty do kalibracji stojaka oporowego poprzez generowanie siły elektrostatycznej w postaci mikroniutonów, którą można było prześledzić do SI. Bardzo ważne jest, aby na wszystkich etapach precyzyjnie skalibrować gradient pojemności. Zmotoryzowany stopień liniowy osiągnął początkowy odstęp między płytami tego równoległego kondensatora płytowego równy 1 mm i przesunął płytkę A w kroku 0,02 mm. Mostek pojemnościowy został wykorzystany do pomiaru pojemności w celu dokładn...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (Grant nr 11772202) za sfinansowanie tej pracy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Zmotoryzowany stolik liniowyZolixTSA50-CRozdzielczość 0,625 μ m
Mostek pojemnościowyAndeen-HagerlingAH2550ARozdzielczość 0,8 aF, Dokładność ± 5 PPM
Przyrząd do pomiaru źródła wysokiego napięcia (SMU)Keithley2410Precyzja 0,012%, ± 5 μ V– ±
Interferometr laserowyRenishawRLE10Rozdzielczość 10 nm
Okrągły kondensator płytowyrównoległy Przetwarzane przez precyzyjne szlifowaniePłyty są przetwarzane przez precyzyjne szlifowanie stopu aluminium. Średnica talerza A wynosi 6 cm, a średnica talerza B wynosi 4 cm.
Stojak oporowyPrzetwarzany przez precyzyjne szlifowanieStojak oporowy typu wahadłowego
1100 V

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lake, J. P., et al. Resonant Operation of a Micro-Newton Thrust Stand[C]. AIAA,38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 3821, (2002).
  2. Polzin, K. A., Markusic, T. E., Stanojev, B. J., DeHoyos, A., Spaun, B. Thrust stand for electric propulsion performance evaluation. Review of Scientific Instruments. 77 (10), 105108(2008).
  3. Koizumi, H., Komurasaki, K., Arakawa, Y. Development of thrust stand for low impulse measurement from microthrusters. Review of Scientific Instruments. 75 (10), 3185(2004).
  4. Jamison, A. J., Ketsdever, A. D., Muntz, E. P. Gas dynamic calibration of a nano-Newton thrust stand. Review of Scientific Instruments. 73 (10), 3629(2002).
  5. Tang, H., Shi, C., Zhang, X., Zhang, Z., Cheng, J. Pulsed thrust measurements using electromagnetic calibration techniques. Review of Scientific Instruments. 82 (3), 035118(2011).
  6. He, Z., et al. Precision electromagnetic calibration technique for micro-Newton thrust stands. Review of Scientific Instruments. 84 (5), 055107(2013).
  7. Lam, J. K., Koay, S. C., Lim, C. H., Cheah, K. H. A voice coil based electromagnetic system for calibration of a sub-micronewton torsional thrust stand. Measurement. 131, 597-604 (2019).
  8. Selden, N. P., Ketsdever, A. D. Comparison of force balance calibration techniques for the nano-Newton range. Review of Scientific Instruments. 74 (12), 5249(2003).
  9. Pancotti, A. P., Gilpin, M., Hilario, M. S. Comparison of electrostatic fins with piezoelectric impact hammer techniques to extend impulse calibration range of a torsional thrust stand. Review of Scientific Instruments. 83 (3), 035109(2012).
  10. Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).
  11. Zheng, Y., et al. Elegant shadow making tiny force visible for water-walking arthropods and updated Archimedes' principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  12. Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), (2015).
  13. Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
  14. Zheng, Y., Zhao, M., Sun, P., Song, L. Optimization of electrostatic force system based on Newton interpolation method. Journal of Sensors. 2018, 1-7 (2018).
  15. Zheng, Y., et al. A multiposition method of viscous measurement for small-volume samples with high viscous. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 69 (7), 4995-5001 (2020).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Kalibracja stanowiska pomiarowego ci gumikrop dnikikondensator p ytkowygradient pojemno cisi a rz du mikroniutonamierzalno SIformacja satelitarnadetekcja fal grawitacyjnych
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły