Brits apparaat meet de trilling door een vallende veer

Een meetinstrument ontwikkeld door het National Physical Laboratory (VK) stelt het European Space Agency in staat om extreem kleine trillingen in satellietcomponenten te detecteren. De microtrillingssensor, die zelfs de kracht van een vallende veer kan meten, wordt gebruikt om te bepalen of mechanismen aan boord van een satelliet een negatief effect kunnen hebben op gevoelige instrumenten en sensoren.

Zelfs microtrillingen afkomstig van draaiende onderdelen kunnen beelden van satellieten voor aardobservatie, wetenschap of ruimtemissies vervagen of metingen verstoren. Met de nieuwe testopstelling kan ESA vooraf op de grond simuleren welke trillingen optreden en hoe die eventueel geneutraliseerd moeten worden, nog voordat de satelliet wordt gelanceerd.

Twee lagen isolatie en hoge gevoeligheid

Het instrument bestaat uit twee delen:

• Een onderste isolatieplatform dat trillingen dempt van de grond, bijvoorbeeld veroorzaakt door voetstappen, of seismische verstoringen door de golven van de Noordzee. Dat is nodig om een stabiele basis te creëren.
• Een bovenste meetplatform waarop het te testen onderdeel wordt bevestigd. Dit platform kan krachten en momenten meten op micronewton-schaal.

Dankzij deze opbouw kan het systeem microtrillingen tot zeer lage frequenties detecteren, tot circa 0,1 Hz, wat essentieel is om ook lage-frequentietrillingen te meten die traditionele trillingsmetingen niet oppikken.

Indien nodig wordt de opstelling in een vacuümkamer geplaatst om de omstandigheden in de ruimte na te bootsen, of in een afgesloten tent om luchtstromen en externe luchtverstoringen uit te sluiten.

Trillingsisolatieplatform

Het trillingsisolatieplatform maakt gebruik van een passieve trillingsdemper met negatieve stijfheid, gekoppeld aan drie zeer gevoelige actieve seismometers die actuatoren aansturen om grondtrillingen te detecteren die het systeem binnenkomen. De seismometers zijn ontworpen om te meten tot 0,3 hertz. In combinatie met de trillingsdempers met negatieve stijfheid maakt het passieve/actieve systeem trillingsisolatie mogelijk tot 0,1 Hz.

“We hebben het lagere trillingsisolatieplatform ontwikkeld rond de trillingsdempers met negatieve stijfheid van Minus K, omdat deze in staat zijn om trillingen passief te isoleren tot 0,5 Hz”, zegt onderzoeker Dan Veal van NPL in Techbriefs. “Dit was erg belangrijk voor onze toepassing met lage frequenties. Maar we hebben ook gekozen voor negatieve stijfheid omdat deze vacuümcompatibel is.”

“In essentie hebben we de trillingsdempers met negatieve stijfheid teruggebracht tot hun kernsystemen en deze vervolgens aangevuld met actieve seismometers die via een aangepaste interface zijn verbonden. Hierdoor konden we een isolatie van 0,1 Hz bereiken.”

Negatieve Stijfheid

Trillingsisolatie met negatieve stijfheid is ontwikkeld door Minus K Technology, een OEM-leverancier voor toonaangevende fabrikanten van scanning probe microscopen, microhardheidsmeters en andere trillingsgevoelige instrumenten en apparatuur, zoals voor het testen van gewichtloosheidssimulaties van ruimtevaartuigen. De isolatoren van het bedrijf worden gebruikt door meer dan 300 universiteiten en overheidslaboratoria in 50 landen.

Deze trillingsisolatoren zijn compact en hebben geen elektriciteit of perslucht nodig, waardoor gevoelige instrumenten overal in een productiefaciliteit of laboratorium geplaatst kunnen worden. Er zijn geen motoren, pompen of kamers en ze vereisen geen onderhoud omdat er niets kan slijten. Ze werken puur passief mechanisch.

Een groot voordeel van isolatoren met negatieve stijfheid is dat ze een hoge mate van isolatie in meerdere richtingen bereiken. Deze isolatoren bieden de flexibiliteit om de resonantiefrequenties op maat aan te passen tot 0,5 Hz* verticaal en horizontaal (sommige versies zelfs tot 1,5 Hz horizontaal).