Efeito de um ambiente de baixa pressão em um acelerômetro flexível de quartzo

Pontos-chave

O acelerômetro flexível de quartzo apresenta alta sensibilidade e baixo ruído, sendo adequado para medir acelerações estáticas e dinâmicas. Pode ser utilizado como sensor sensível à aceleração para monitorar ambientes de microvibração em órbitas de espaçonaves. Este artigo aborda principalmente o efeito de ambientes de baixa pressão sobre o acelerômetro flexível de quartzo.

O diafragma sensível do acelerômetro de quartzo sofre efeitos de amortecimento da membrana quando em movimento no ar, o que pode causar alterações no desempenho do sensor (fator de escala e ruído) em ambientes de baixa pressão. Isso pode afetar a acurácia e a precisão da medição da aceleração de microvibrações em órbita. Portanto, é necessário analisar esse efeito e apresentar uma conclusão sobre a viabilidade do uso a longo prazo de acelerômetros flexíveis de quartzo em ambientes de alto vácuo.

Figura 1: Acelerômetros de quartzo em órbitas de espaçonaves

1. Análise de amortecimento em ambientes de baixa pressão

Quanto mais tempo o acelerômetro flexível de quartzo opera em órbita, maior é o vazamento de ar dentro da embalagem, resultando em menor pressão do ar até que atinja o equilíbrio com o vácuo espacial. O livre percurso médio das moléculas de ar aumenta continuamente, aproximando-se ou mesmo ultrapassando 30 μm, e o estado do fluxo de ar transita gradualmente de fluxo viscoso para fluxo viscoso-molecular. Quando a pressão cai abaixo de 10² Pa, entra no estado de fluxo molecular. O amortecimento do ar torna-se cada vez menor e, no estado de fluxo molecular, é quase zero, restando apenas o amortecimento eletromagnético para o diafragma flexível de quartzo do acelerômetro.

Para acelerômetros flexíveis de quartzo que precisam operar por longos períodos em ambientes de baixa pressão ou vácuo no espaço, vazamentos significativos de gás durante a vida útil da missão podem reduzir consideravelmente o coeficiente de amortecimento da membrana. Isso altera as características do acelerômetro, tornando as vibrações livres dispersas ineficazes na atenuação. Consequentemente, o fator de escala e o nível de ruído do sensor podem sofrer alterações, afetando potencialmente a precisão e a exatidão das medições. Portanto, é necessário realizar testes de viabilidade para avaliar o desempenho de acelerômetros flexíveis de quartzo em ambientes de baixa pressão e comparar os resultados para determinar o impacto dessas condições na precisão das medições.

2. Impacto de ambientes de baixa pressão no fator de escala de acelerômetros de flexão de quartzo

Com base na análise dos princípios de funcionamento e ambientes de aplicação de acelerômetros flexíveis de quartzo, sabe-se que o produto é encapsulado a uma pressão de 1 atmosfera e que o ambiente de aplicação é um vácuo orbital terrestre baixo (grau de vácuo de aproximadamente 10⁻⁵ a 10⁻⁶ Pa) a uma distância de 500 km do solo. Os acelerômetros flexíveis de quartzo normalmente utilizam tecnologia de vedação com resina epóxi, com uma taxa de vazamento geralmente garantida de 1,0 × 10⁻⁴ Pa·L/s. Em um ambiente de vácuo, o ar interno vaza lentamente, com a pressão caindo para 0,1 atmosfera (fluxo viscoso-molecular) após 30 dias e para 10⁻⁵ Pa (fluxo molecular) após 330 dias.

O impacto do amortecimento do ar em acelerômetros de flexão de quartzo se manifesta principalmente em dois aspectos: o impacto no fator de escala e o impacto no ruído. De acordo com a análise de projeto, o impacto do amortecimento do ar no fator de escala é de aproximadamente 0,0004 (quando a pressão cai para o vácuo, não há amortecimento do ar). O processo de cálculo e análise é o seguinte:

O acelerômetro de flexão de quartzo utiliza o método de inclinação gravitacional para calibração estática. No conjunto do pêndulo do acelerômetro, em um ambiente com ar, a força normal sobre o pêndulo é: mg0, e a força de empuxo fb é: ρVg0. A força eletromagnética sobre o pêndulo é igual à diferença entre a força que ele sofre devido à gravidade e a força de empuxo, expressa como:

f=mg0-ρVg0

Onde:

• m é a massa do pêndulo, m=8,12×10−4 kg.
• ρ é a densidade do ar seco, ρ=1,293 kg/m³.
• V é o volume da parte móvel do conjunto do pêndulo, V=280 mm³.
• g0 é a aceleração gravitacional, g0=9,80665 m/s².

A porcentagem da força de empuxo em relação à força gravitacional no próprio conjunto do pêndulo é:

ρVg0/mg0=ρV/m≈0,044%

Em um ambiente de vácuo, quando a densidade do ar é aproximadamente zero devido ao vazamento de gás que faz com que a pressão dentro e fora do instrumento se equilibre, a variação no fator de escala do acelerômetro flexível de quartzo é de 0,044%.

3. Conclusão:

Ambientes de baixa pressão podem afetar o fator de escala e o ruído do acelerômetro flexível de quartzo. Através de cálculos e análises, demonstrou-se que o impacto máximo do ambiente de vácuo no fator de escala não ultrapassa 0,044%. A análise teórica indica que a influência de ambientes de baixa pressão no fator de escala do sensor é inferior a 0,1%, com impacto mínimo na precisão da medição, podendo ser negligenciada. Isso demonstra que ambientes de baixa pressão ou vácuo têm efeitos mínimos no fator de escala e no ruído do acelerômetro flexível de quartzo, tornando-o adequado para aplicações orbitais de longa duração.

Vale ressaltar que os acelerômetros flexíveis de quartzo da série AC7 foram projetados especificamente para aplicações aeroespaciais. Dentre eles, o AC7 possui a maior precisão, com repetibilidade de polarização zero ≤20μg, fator de escala de 1,2mA/g e repetibilidade do fator de escala ≤20μg. É totalmente adequado para o monitoramento de ambientes de microvibração de espaçonaves em órbita. Além disso, pode ser aplicado em sistemas de navegação inercial e sistemas de medição de ângulo estático com altos requisitos de precisão.