Влияние среды низкого давления на кварцевый гибкий акселерометр

Ключевые моменты

Продукт: кварцевый гибкий акселерометр.

Основные особенности:

• Компоненты: использует технологию кварцевого гибкого элемента для высокой чувствительности и низкого шума при измерении ускорения.
• Функция: подходит как для статических, так и для динамических измерений ускорения при минимальном влиянии среды низкого давления.
• Применения: идеально подходит для мониторинга микровибраций на орбитах космических аппаратов и применим в инерциальных навигационных системах.
• Анализ характеристик: демонстрирует пренебрежимо малые изменения коэффициента масштаба (менее 0.1%) в вакуумных условиях, обеспечивая точность и надежность.
• Вывод: обеспечивает устойчивые характеристики для длительных орбитальных применений и подходит для высокоточных аэрокосмических требований.

Кварцевый гибкий акселерометр обладает характеристиками высокой чувствительности и низкого шума, что делает его подходящим для измерения как статического, так и динамического ускорения. Он может использоваться в качестве датчика, чувствительного к ускорению, для мониторинга микровибрационной среды на орбитах космических аппаратов. В данной статье главным образом рассматривается влияние среды низкого давления на кварцевый гибкий акселерометр.

Чувствительная мембрана кварцевого акселерометра при движении в воздушной среде испытывает эффект мембранного демпфирования, что потенциально может вызвать изменения характеристик датчика (коэффициента масштаба и шума) в условиях низкого давления. Это может повлиять на точность и прецизионность измерения орбитального микровибрационного ускорения. Поэтому необходимо проанализировать этот эффект и дать вывод о реализуемости длительного использования кварцевых гибких акселерометров в условиях высокого вакуума.

Рис. 1. Кварцевые акселерометры на орбитах космических аппаратов

1. Анализ демпфирования в среде низкого давления

Чем дольше кварцевый гибкий акселерометр работает на орбите, тем больше утечек воздуха происходит внутри корпуса, что приводит к снижению давления до достижения равновесия с вакуумной средой космоса. Средняя длина свободного пробега молекул воздуха будет непрерывно увеличиваться, приближаясь или даже превышая 30 μm, и режим течения воздуха будет постепенно переходить от вязкого течения к вязко-молекулярному. При падении давления ниже 10²Pa наступает режим молекулярного течения. Воздушное демпфирование становится все меньше и меньше, и в режиме молекулярного течения воздушное демпфирование практически равно нулю, остаётся лишь электромагнитное демпфирование мембраны кварцевого гибкого акселерометра.

Для кварцевых гибких акселерометров, которым необходимо длительно работать в среде низкого давления или вакуума в космосе, при наличии существенной утечки газа в пределах требуемого срока миссии коэффициент мембранного демпфирования значительно уменьшится. Это изменит характеристики акселерометра, и рассеянные свободные колебания будут неэффективны в затухании. В результате коэффициент масштаба и уровень шума датчика могут измениться, потенциально влияя на точность и прецизионность измерений. Поэтому необходимо провести проверочные испытания характеристик кварцевых гибких акселерометров в среде низкого давления и сравнить результаты испытаний, чтобы оценить степень влияния среды низкого давления на точность измерений кварцевых гибких акселерометров.

2. Влияние среды низкого давления на коэффициент масштаба кварцевых гибких акселерометров

Исходя из анализа принципа работы и условий применения кварцевого гибкого акселерометра, известно, что изделие герметизируется при давлении 1 атмосфера, а среда применения - вакуум низкой околоземной орбиты (степень вакуума примерно 10^-5 до 10^-6Pa) на высоте 500km над поверхностью Земли. Кварцевые гибкие акселерометры обычно используют технологию герметизации эпоксидной смолой; скорость утечки, как правило, гарантируется на уровне 1.0×10^-4Pa·L/s. В вакуумной среде внутренний воздух будет медленно выходить наружу: давление снизится до 0.1 атмосферы (вязко-молекулярный режим) через 30 дней и снизится до 10^-5Pa (молекулярный режим) через 330 дней.

Влияние воздушного демпфирования на кварцевые гибкие акселерометры проявляется главным образом в двух аспектах: влияние на коэффициент масштаба и влияние на шум. Согласно расчету по результатам проектного анализа, влияние отсутствия воздушного демпфирования (при падении давления до вакуума) на коэффициент масштаба составляет примерно 0.0004. Процесс расчета и анализа следующий:

Кварцевый гибкий акселерометр использует метод наклона по гравитации для статической калибровки. В маятниковом узле акселерометра в воздушной среде нормальная сила, действующая на маятниковый узел, равна: mg0, а архимедова сила fb равна: ρVg0. Электромагнитная сила, действующая на маятник, равна разности между силой тяжести и архимедовой силой и выражается как:

f=mg0-ρVg0

Где:

• m - масса маятника, m=8.12×10⁻⁴ kg.
• ρ - плотность сухого воздуха, ρ=1.293 kg/m³.
• V - объем подвижной части маятникового узла, V=280 mm³.
• g0 - ускорение свободного падения, g0=9.80665 m/s².

Доля архимедовой силы по отношению к силе тяжести, действующей на маятниковый узел, составляет:

ρVg0/mg0=ρV/m≈0.044%

В вакуумной среде, когда плотность воздуха примерно равна нулю из-за утечки газа и выравнивания давления внутри и вне прибора, изменение коэффициента масштаба кварцевого гибкого акселерометра составляет 0.044%.

3. Вывод

Среда низкого давления может влиять на коэффициент масштаба и шум кварцевого гибкого акселерометра. На основе расчета и анализа показано, что максимальное влияние вакуумной среды на коэффициент масштаба не превышает 0.044%. Теоретический анализ показывает, что влияние среды низкого давления на коэффициент масштаба датчика составляет менее 0.1%, влияние на точность измерений минимально и им можно пренебречь. Это демонстрирует, что среда низкого давления или вакуума оказывает минимальное влияние на коэффициент масштаба и шум кварцевого гибкого акселерометра, что делает его подходящим для длительных орбитальных применений.

Следует отметить, что кварцевые гибкие акселерометры серии AC7 разработаны специально для аэрокосмических применений. Среди них AC7 обладает наивысшей точностью: повторяемость нулевого смещения ≤20 μg, коэффициент масштаба 1.2mA/g и повторяемость коэффициента масштаба ≤20 μg. Он полностью подходит для мониторинга микровибрационной среды космических аппаратов на орбите. Кроме того, он может применяться в инерциальных навигационных системах и системах измерения статического угла с высокими требованиями к точности.