تأثير بيئة الضغط المنخفض على مقياس التسارع المرن الكوارتز

النقاط الرئيسية

يتميز مقياس تسارع انثناء الكوارتز بخصائص الحساسية العالية والضوضاء المنخفضة، مما يجعله مناسبًا لقياس كل من التسارع الثابت والديناميكي. ويمكن استخدامه كمستشعر حساس للتسارع لمراقبة بيئات الاهتزازات الدقيقة في مدارات المركبات الفضائية. تقدم هذه المقالة تأثير بيئة الضغط المنخفض على مقياس التسارع المرن الكوارتز.

يتعرض الغشاء الحساس لمقياس تسارع الكوارتز لتأثيرات تخميد الغشاء عند الحركة في بيئة الهواء، مما قد يسبب تغييرات في أداء المستشعر (عامل القياس والضوضاء) في البيئات منخفضة الضغط. قد يؤثر هذا على دقة ودقة قياس تسارع الاهتزازات الدقيقة في المدار. ولذلك، فمن الضروري تحليل هذا التأثير وتقديم استنتاج تحليل الجدوى للاستخدام طويل المدى لمقاييس التسارع المرنة الكوارتز في البيئات عالية الفراغ.

الشكل 1: مقاييس تسارع الكوارتز في مدارات المركبات الفضائية

1. تحليل التخميد في بيئات الضغط المنخفض

كلما طالت مدة عمل مقياس تسارع انثناء الكوارتز في المدار، زاد تسرب الهواء داخل العبوة، مما أدى إلى انخفاض ضغط الهواء حتى يصل إلى التوازن مع بيئة الفراغ الفضائي. سوف يطول متوسط المسار الحر لجزيئات الهواء بشكل مستمر، ويقترب أو حتى يتجاوز 30 ميكرومتر، وسوف تنتقل حالة تدفق الهواء تدريجيًا من التدفق اللزج إلى التدفق الجزيئي اللزج. عندما ينخفض الضغط إلى أقل من 102Pa، فإنه يدخل في حالة التدفق الجزيئي. يصبح تخميد الهواء أصغر فأصغر، وفي حالة التدفق الجزيئي، يكون تخميد الهواء صفرًا تقريبًا، ولم يتبق سوى التخميد الكهرومغناطيسي لحجاب حاجز مقياس التسارع المرن الكوارتز.

بالنسبة لمقاييس تسارع انثناء الكوارتز التي تحتاج إلى العمل لفترة طويلة في بيئات منخفضة الضغط أو مفرغة في الفضاء، إذا كان هناك تسرب كبير للغاز خلال عمر المهمة المطلوب، فإن معامل تخميد الغشاء سينخفض بشكل كبير. سيؤدي هذا إلى تغيير خصائص مقياس التسارع، مما يجعل الاهتزازات الحرة المتفرقة غير فعالة في التوهين. وبالتالي، قد يتغير عامل القياس ومستوى الضوضاء الخاص بالمستشعر، مما قد يؤثر على دقة القياس وإحكامه. لذلك، من الضروري إجراء اختبارات جدوى على أداء مقاييس التسارع المرنة الكوارتز في بيئات الضغط المنخفض، ومقارنة نتائج الاختبار لتقييم مدى تأثير بيئات الضغط المنخفض على دقة قياس مقاييس التسارع المرنة الكوارتز.

2. تأثير بيئات الضغط المنخفض على عامل مقياس تسارع انثناء الكوارتز

استنادًا إلى تحليل مبادئ العمل وبيئات التطبيق لمنتجات مقياس التسارع المرن الكوارتز، من المعروف أن المنتج مغلف بضغط جوي واحد، وبيئة التطبيق عبارة عن بيئة فراغية منخفضة المدار الأرضي (درجة الفراغ حوالي 10-5 إلى 10 -6Pa) على مسافة 500 كيلومتر من الأرض. تستخدم مقاييس التسارع المرنة الكوارتز عادةً تقنية الختم باستخدام راتنجات الإيبوكسي، مع معدل تسرب مضمون عمومًا ليكون 1.0×10-4Pa·L/s. في بيئة مفرغة، سوف يتسرب الهواء الداخلي ببطء، مع انخفاض الضغط إلى 0.1 ضغط جوي (التدفق الجزيئي اللزج) بعد 30 يومًا، وينخفض إلى 10-5 باسكال (التدفق الجزيئي) بعد 330 يومًا.

يتجلى تأثير تخميد الهواء على مقاييس تسارع انثناء الكوارتز بشكل رئيسي في جانبين: التأثير على عامل القياس والتأثير على الضوضاء. وفقًا لتحليل التصميم، فإن تأثير تخميد الهواء على عامل المقياس يبلغ حوالي 0.0004 (عندما ينخفض الضغط إلى الفراغ، لا يوجد تخميد هوائي). عملية الحساب والتحليل هي كما يلي:

يستخدم مقياس تسارع انثناء الكوارتز طريقة إمالة الجاذبية للمعايرة الثابتة. في مجموعة بندول مقياس التسارع، في بيئة بها هواء، تكون القوة العمودية المؤثرة على مجموعة البندول هي: mg0، وقوة الطفو fb هي: ρVg0. القوة الكهرومغناطيسية المؤثرة على البندول تساوي الفرق بين القوة التي يتأثر بها بسبب الجاذبية وقوة الطفو، معبرًا عنها بالمعادلة التالية:

و=mg0-ρVg0

أين:

• m هي كتلة البندول، m=8.12×10−4 كجم.
• ρ هي كثافة الهواء الجاف، ρ=1.293 كجم/م3.
• V هو حجم الجزء المتحرك من مجموعة البندول، V = 280 مم مكعب.
• g0 هو تسارع الجاذبية، g0=9.80665 م/ث².

النسبة المئوية لقوة الطفو إلى قوة الجاذبية المؤثرة على مجموعة البندول نفسها هي:

ρVg0/mg0=ρV/m≈0.044%

في بيئة مفرغة، عندما تكون كثافة الهواء صفرًا تقريبًا بسبب تسرب الغاز مما يتسبب في توازن الضغط داخل الجهاز وخارجه، يكون التغير في عامل القياس لمقياس تسارع الكوارتز المرن 0.044%.

3.الخلاصة:

يمكن أن تؤثر بيئات الضغط المنخفض على عامل القياس والضوضاء الخاصة بمقياس التسارع المرن الكوارتز. ومن خلال الحساب والتحليل تبين أن التأثير الأقصى لبيئة الفراغ على عامل القياس لا يزيد عن 0.044%. يشير التحليل النظري إلى أن تأثير بيئات الضغط المنخفض على عامل قياس المستشعر أقل من 0.1%، مع تأثير ضئيل على دقة القياس، وهو ما يمكن إهماله. يوضح هذا أن البيئات ذات الضغط المنخفض أو الفراغ لها تأثيرات قليلة على عامل القياس والضوضاء لمقياس تسارع انثناء الكوارتز، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المدارية طويلة المدى.

تجدر الإشارة إلى أن مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز من سلسلة AC7 مصممة خصيصًا لتطبيقات الفضاء الجوي. من بينها، يتمتع AC7 بأعلى دقة، مع قابلية تكرار متحيزة صفر ≥20μg، وعامل قياس 1.2mA/g، وقابلية تكرار عامل القياس ≥20μg. إنها مناسبة تمامًا لمراقبة بيئات الاهتزازات الدقيقة للمركبات الفضائية في المدار. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيقه على أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي وأنظمة قياس الزاوية الثابتة بمتطلبات الدقة العالية.