Producto: Acelerómetro de flexión de cuarzo
Características clave:
El acelerómetro de flexión de cuarzo tiene las características de alta sensibilidad y bajo ruido, lo que lo hace adecuado para medir la aceleración tanto estática como dinámica. Puede utilizarse como sensor sensible a la aceleración para monitorear entornos de microvibración en órbitas de naves espaciales. Este artículo presenta principalmente el efecto del entorno de baja presión en el acelerómetro flexible de cuarzo.
El sensible diafragma del acelerómetro de cuarzo experimenta efectos de amortiguación de la membrana cuando está en movimiento en el ambiente del aire, lo que potencialmente podría causar cambios en el rendimiento del sensor (factor de escala y ruido) en ambientes de baja presión. Esto podría afectar la exactitud y precisión de la medición de la aceleración de las microvibraciones en órbita. Por lo tanto, es necesario analizar este efecto y proporcionar una conclusión del análisis de viabilidad para el uso a largo plazo de acelerómetros flexibles de cuarzo en entornos de alto vacío.
Fig.1 Acelerómetros de cuarzo en órbitas de naves espaciales
Cuanto más tiempo opera el acelerómetro de flexión de cuarzo en órbita, más fugas de aire se producen dentro del paquete, lo que resulta en una menor presión de aire hasta que alcanza el equilibrio con el entorno de vacío espacial. El camino libre promedio de las moléculas de aire se alargará continuamente, acercándose o incluso superando los 30 μm, y el estado del flujo de aire pasará gradualmente de un flujo viscoso a un flujo molecular viscoso. Cuando la presión cae por debajo de 102 Pa, entra en estado de flujo molecular. La amortiguación del aire se vuelve cada vez más pequeña y, en el estado de flujo molecular, la amortiguación del aire es casi nula, dejando solo la amortiguación electromagnética para el diafragma flexible del acelerómetro de cuarzo.
Para los acelerómetros de flexión de cuarzo que necesitan funcionar durante mucho tiempo en entornos de vacío o baja presión en el espacio, si hay una fuga de gas significativa durante la vida útil requerida de la misión, el coeficiente de amortiguación de la membrana disminuirá significativamente. Esto cambiará las características del acelerómetro, haciendo que las vibraciones libres dispersas sean ineficaces en la atenuación. En consecuencia, el factor de escala y el nivel de ruido del sensor pueden cambiar, lo que podría afectar la exactitud y precisión de la medición. Por lo tanto, es necesario realizar pruebas de viabilidad sobre el rendimiento de los acelerómetros flexibles de cuarzo en entornos de baja presión y comparar los resultados de las pruebas para evaluar el alcance del impacto de los entornos de baja presión en la precisión de las mediciones de los acelerómetros flexibles de cuarzo.
Según el análisis de los principios de funcionamiento y los entornos de aplicación de los productos de acelerómetro flexible de cuarzo, se sabe que el producto está encapsulado con 1 atmósfera de presión y el entorno de aplicación es un entorno de vacío de órbita terrestre baja (grado de vacío de aproximadamente 10-5 a 10). -6Pa) a una distancia de 500 km del suelo. Los acelerómetros flexibles de cuarzo suelen utilizar tecnología de sellado de resina epoxi, con una tasa de fuga generalmente garantizada de 1,0×10-4Pa·L/s. En un entorno de vacío, el aire interno se escapará lentamente, y la presión caerá a 0,1 atmósferas (flujo molecular viscoso) después de 30 días y a 10-5 Pa (flujo molecular) después de 330 días.
El impacto de la amortiguación del aire en los acelerómetros de flexión de cuarzo se manifiesta principalmente en dos aspectos: el impacto en el factor de escala y el impacto en el ruido. Según el análisis de diseño, el impacto de la amortiguación del aire en el factor de escala es aproximadamente 0,0004 (cuando la presión cae al vacío, no hay amortiguación del aire). El proceso de cálculo y análisis es el siguiente:
El acelerómetro de flexión de cuarzo utiliza el método de inclinación por gravedad para la calibración estática. En el conjunto del péndulo del acelerómetro, en un ambiente con aire, la fuerza normal sobre el conjunto del péndulo es: mg0, y la fuerza de flotación fb es: ρVg0. La fuerza electromagnética sobre el péndulo es igual a la diferencia entre la fuerza que experimenta debido a la gravedad y la fuerza de flotación, expresada como:
f=mg0-ρVg0
Dónde:
El porcentaje de la fuerza de flotación respecto de la fuerza gravitacional sobre el propio conjunto del péndulo es:
ρVg0/mg0=ρV/m≈0,044%
En un ambiente de vacío, cuando la densidad del aire es aproximadamente cero debido a una fuga de gas que hace que la presión dentro y fuera del instrumento se equilibre, el cambio en el factor de escala del acelerómetro flexible de cuarzo es del 0,044%.
Los entornos de baja presión pueden afectar el factor de escala y el ruido del acelerómetro flexible de cuarzo. Mediante cálculos y análisis, se demuestra que el impacto máximo del entorno de vacío en el factor de escala no es superior al 0,044%. El análisis teórico indica que la influencia de los entornos de baja presión en el factor de escala del sensor es inferior al 0,1%, con un impacto mínimo en la precisión de la medición, que puede despreciarse. Esto demuestra que los entornos de baja presión o vacío tienen efectos mínimos sobre el factor de escala y el ruido del acelerómetro de flexión de cuarzo, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en órbita a largo plazo.
Vale la pena señalar que los acelerómetros flexibles de cuarzo de la serie AC7 están diseñados específicamente para aplicaciones aeroespaciales. Entre ellos, el AC7 tiene la precisión más alta, con una repetibilidad de polarización cero ≤20 μg, un factor de escala de 1,2 mA/g y una repetibilidad del factor de escala ≤20 μg. Es totalmente adecuado para monitorear entornos de microvibración de naves espaciales en órbita. Además, se puede aplicar a sistemas de navegación inercial y sistemas estáticos de medición de ángulos con requisitos de alta precisión.
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