Влияние среды низкого давления на кварцевый гибкий акселерометр

Ключевые моменты

Кварцевый изгибный акселерометр обладает высокой чувствительностью и низким уровнем шума, что делает его пригодным для измерения как статического, так и динамического ускорения. Его можно использовать в качестве датчика, чувствительного к ускорению, для мониторинга микровибрационной среды на орбитах космических кораблей. В этой статье в основном рассказывается о влиянии среды низкого давления на кварцевый гибкий акселерометр.

Чувствительная диафрагма кварцевого акселерометра испытывает эффект мембранного демпфирования при движении в воздушной среде, что потенциально может вызвать изменения в характеристиках датчика (масштабный коэффициент и шум) в средах с низким давлением. Это может повлиять на точность и точность измерения микровибрационного ускорения на орбите. Поэтому необходимо проанализировать этот эффект и предоставить технико-экономическое заключение по долгосрочному использованию кварцевых гибких акселерометров в условиях высокого вакуума.

Рис.1 Кварцевые акселерометры на орбитах космических аппаратов

1. Анализ демпфирования в условиях низкого давления.

Чем дольше кварцевый акселерометр работает на орбите, тем больше утечка воздуха происходит внутри корпуса, что приводит к снижению давления воздуха до тех пор, пока он не достигнет равновесия с окружающей средой космического вакуума. Средний свободный пробег молекул воздуха будет постоянно удлиняться, приближаясь или даже превышая 30 мкм, а состояние воздушного потока будет постепенно переходить от вязкого потока к вязко-молекулярному потоку. Когда давление падает ниже 102 Па, он переходит в состояние молекулярного потока. Воздушное демпфирование становится все меньше и меньше, и в состоянии молекулярного потока воздушное демпфирование практически равно нулю, оставляя только электромагнитное демпфирование для кварцевой гибкой диафрагмы акселерометра.

Для кварцевых акселерометров, которым необходимо длительное время работать в условиях низкого давления или вакуума в космосе, при наличии значительной утечки газа в течение требуемого срока службы коэффициент демпфирования мембраны значительно снизится. Это изменит характеристики акселерометра, сделав рассеянные свободные вибрации неэффективными для ослабления. Следовательно, масштабный коэффициент и уровень шума датчика могут измениться, что потенциально влияет на точность и точность измерений. Поэтому необходимо провести технико-экономические испытания работоспособности кварцевых гибких акселерометров в средах низкого давления и сравнить результаты испытаний для оценки степени влияния сред низкого давления на точность измерений кварцевых гибких акселерометров.

2.Влияние сред низкого давления на масштабный коэффициент кварцевых изгибных акселерометров.

На основании анализа принципов работы и условий применения кварцевых гибких акселерометров известно, что изделие заключено в капсулу с давлением в 1 атмосферу, а среда применения представляет собой вакуумную среду на низкой околоземной орбите (степень вакуума примерно от 10-5 до 10 -6Па) на расстоянии 500км от земли. В кварцевых гибких акселерометрах обычно используется технология герметизации из эпоксидной смолы, при этом скорость утечки обычно гарантированно составляет 1,0×10-4Па·л/с. В вакуумной среде внутренний воздух будет медленно вытекать, при этом давление упадет до 0,1 атмосферы (вязкостно-молекулярный поток) через 30 дней и до 10-5Па (молекулярный поток) через 330 дней.

Влияние воздушного демпфирования на кварцевые акселерометры в основном проявляется в двух аспектах: влияние на масштабный коэффициент и влияние на шум. Согласно расчетному анализу влияние воздушного демпфирования на масштабный коэффициент составляет примерно 0,0004 (при падении давления до вакуума воздушное демпфирование отсутствует). Процесс расчета и анализа выглядит следующим образом:

Кварцевый акселерометр на изгиб использует метод гравитационного наклона для статической калибровки. В маятниковом узле акселерометра, в среде с воздухом, нормальная сила, действующая на маятниковый узел, равна: mg0, а выталкивающая сила fb равна: ρVg0. Электромагнитная сила, действующая на маятник, равна разнице между силой, которую он испытывает вследствие гравитации, и силой плавучести, выражаемой как:

f=mg0-ρVg0

Где:

• m – масса маятника, m=8,12×10–4 кг.
• ρ – плотность сухого воздуха, ρ=1,293 кг/м³.
• V – объем подвижной части маятникового узла, V=280 мм³.
• g0 – ускорение свободного падения, g0=9,80665 м/с².

Процент выталкивающей силы к силе гравитации, действующей на сам маятник, составляет:

ρВг0/мг0=ρВ/м≈0,044%

В условиях вакуума, когда плотность воздуха равна примерно нулю из-за утечки газа, приводящей к уравновешиванию давления внутри и снаружи прибора, изменение масштабного коэффициента кварцевого гибкого акселерометра составляет 0,044%.

3.Вывод:

Среда низкого давления может повлиять на масштабный коэффициент и шум кварцевого гибкого акселерометра. Путем расчета и анализа показано, что максимальное влияние вакуумной среды на масштабный коэффициент составляет не более 0,044%. Теоретический анализ показывает, что влияние сред низкого давления на масштабный коэффициент датчика составляет менее 0,1% при минимальном влиянии на точность измерений, которым можно пренебречь. Это демонстрирует, что среда низкого давления или вакуума оказывает минимальное влияние на масштабный коэффициент и шум кварцевого акселерометра, что делает его пригодным для длительного использования на орбите.

Стоит отметить, что кварцевые гибкие акселерометры серии AC7 разработаны специально для аэрокосмической отрасли. Среди них AC7 имеет самую высокую точность: повторяемость нулевого смещения ≤20 мкг, масштабный коэффициент 1,2 мА/г и повторяемость масштабного коэффициента ≤20 мкг. Он полностью пригоден для мониторинга микровибрационной среды космических аппаратов на орбите. Кроме того, его можно применять в инерциальных навигационных системах и системах измерения статических углов с высокими требованиями к точности.