Efeito do ambiente de baixa pressão no acelerômetro flexível de quartzo

Pontos-chave

O acelerômetro de flexão de quartzo possui características de alta sensibilidade e baixo ruído, tornando-o adequado para medir aceleração estática e dinâmica. Ele pode ser usado como um sensor sensível à aceleração para monitorar ambientes de microvibração em órbitas de naves espaciais. Este artigo apresenta principalmente o efeito do ambiente de baixa pressão no acelerômetro flexível de quartzo.

O diafragma sensível do acelerômetro de quartzo experimenta efeitos de amortecimento de membrana quando em movimento no ambiente aéreo, o que poderia causar alterações no desempenho do sensor (fator de escala e ruído) em ambientes de baixa pressão. Isso pode afetar a exatidão e a precisão da medição da aceleração de microvibração em órbita. Portanto, é necessário analisar este efeito e fornecer uma conclusão de análise de viabilidade para o uso a longo prazo de acelerômetros flexíveis de quartzo em ambientes de alto vácuo.

Fig.1 Acelerômetros de quartzo em órbitas de espaçonaves

1.Análise de amortecimento em ambientes de baixa pressão

Quanto mais tempo o acelerômetro de flexão de quartzo opera em órbita, mais vazamento de ar ocorre dentro da embalagem, resultando em menor pressão do ar até atingir o equilíbrio com o ambiente de vácuo espacial. O caminho livre médio das moléculas de ar aumentará continuamente, aproximando-se ou mesmo excedendo 30μm, e o estado do fluxo de ar fará a transição gradual de fluxo viscoso para fluxo viscoso-molecular. Quando a pressão cai abaixo de 102Pa, ela entra no estado de fluxo molecular. O amortecimento do ar torna-se cada vez menor e, no estado de fluxo molecular, o amortecimento do ar é quase zero, deixando apenas o amortecimento eletromagnético para o diafragma flexível do acelerômetro de quartzo.

Para acelerômetros de flexão de quartzo que precisam operar por um longo período em ambientes de baixa pressão ou vácuo no espaço, se houver vazamento significativo de gás dentro da vida útil exigida da missão, o coeficiente de amortecimento da membrana diminuirá significativamente. Isso alterará 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 mudar, afetando potencialmente a exatidão e a precisão da medição. Portanto, é necessário realizar testes de viabilidade sobre o desempenho de acelerômetros flexíveis de quartzo em ambientes de baixa pressão e comparar os resultados dos testes para avaliar a extensão do impacto dos ambientes de baixa pressão na precisão da medição dos acelerômetros flexíveis de quartzo.

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

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

O impacto do amortecimento do ar nos 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 do 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 usa o método de inclinação por gravidade para calibração estática. No conjunto pendular do acelerômetro, em ambiente com ar, a força normal no conjunto pendular 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 experimenta 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, fazendo com que a pressão dentro e fora do instrumento se equilibre, a mudança 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, mostra-se que o impacto máximo do ambiente de vácuo no fator de escala não é superior a 0,044%. A análise teórica indica que a influência dos ambientes de baixa pressão no fator de escala do sensor é inferior a 0,1%, com impacto mínimo na precisão da medição, que pode ser desprezada. Isso demonstra que ambientes de baixa pressão ou vácuo têm efeitos mínimos no fator de escala e no ruído do acelerômetro de flexão de quartzo, tornando-o adequado para aplicações em órbita de longo prazo.

É importante notar que os acelerômetros flexíveis de quartzo da série AC7 são projetados especificamente para aplicações aeroespaciais. Entre eles, o AC7 possui a maior precisão, com repetibilidade de polarização zero ≤20μg, fator de escala de 1,2mA/g e repetibilidade de fator de escala ≤20μg. É totalmente adequado para monitorar ambientes de microvibração de espaçonaves em órbita. Além disso, pode ser aplicado a sistemas de navegação inercial e sistemas de medição de ângulos estáticos com requisitos de alta precisão.