Методическая статья

Прослеживаемая калибровка тягового стенда по электростатической силе

DOI:

10.3791/63465

⸱

1 марта 2022 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

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

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

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

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

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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

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 Dab 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 Cab 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, dCab/ddab.

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 (dCab/dDab).
  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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

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 Dab. Более того, работа W под действием внешней силы будет преобразована в электрическую энергию E, накопленную в конденсаторе. Можно получить разность потенциалов U, заряд обеих пластин Q и емкость C. Накопленная эне...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

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. Моторизованный линейный каскад сделал начальное расстояние между пластинами этого конденсатора с параллельными пластинами равным 1 мм и переместил пластину А с шагом 0,02 мм. Емкостный мост использовался для измерения емкости для т...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Благодарим Национальный фонд естественных наук Китая (грант No 11772202) за финансирование этой работы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Моторизованная линейная сценаZolixTSA50-CРазрешение 0,625 μ m
Емкостный мостАндина-ХагерлингаAH2550Aразрешением 0,8 aF, точностью + 5 ppm
Высоковольтный источник-измеритель (SMU) приборKeithley2410Точность 0,012%, ± 5 μ V– ±
Лазерный интерферометрRenishawRLE10Разрешение 10 нм
Круглый параллельный пластинчатый конденсаторОбработан высокоточным шлифованиемПластины обработаны высокоточным шлифованием алюминиевого сплава. Диаметр пластины А составляет 6 см, а диаметр пластины В – 4 см.
Упорная стойкаОбработана высокоточным шлифованиемУпорная стойка маятникового типа
1100 В

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Видео скоро будет доступно

Похожие статьи