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.

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.

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 capacitância C podem ser obtidas. A energ...

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 calibrar com p...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Estágio linear motorizado	Zolix	TSA50-C	Resolução 0,625 μ m
Ponte de capacitância	Andeen-Hagerling	AH2550A	Resolução 0,8 aF, Precisão ± 5 PPM
Instrumento de unidade de medição de fonte de alta tensão (SMU)	Keithley	2410	Precisão 0,012%, ± 5 μ V– ± Interferômetro a laser de 1100 V
	Renishaw	RLE10	Resolução 10 nm
Capacitor de placa paralela circular	Processado por moagem		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.
Suporte de impulso	Processado por moagem		Suporte de impulso tipo pêndulo