تأثير بيئة الضغط المنخفض على مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز

النقاط الرئيسية

يتميز مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز بحساسية عالية وضوضاء منخفضة، مما يجعله مناسبًا لقياس التسارع الساكن والديناميكي. ويمكن استخدامه كمستشعر حساس للتسارع لرصد بيئات الاهتزازات الدقيقة في مدارات المركبات الفضائية. تتناول هذه المقالة بشكل أساسي تأثير بيئة الضغط المنخفض على مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز.

تتعرض الغشاء الحساس لمقياس التسارع الكوارتزي لتأثيرات التخميد الغشائي عند تحركه في الهواء، مما قد يؤدي إلى تغييرات في أداء المستشعر (معامل المقياس والضوضاء) في بيئات الضغط المنخفض. وهذا بدوره قد يؤثر على دقة ووضوح قياس تسارع الاهتزازات الدقيقة في المدار. لذا، من الضروري تحليل هذا التأثير وتقديم دراسة جدوى لاستخدام مقاييس التسارع الكوارتزية المرنة على المدى الطويل في بيئات الفراغ العالي.

الشكل 1: مقاييس التسارع الكوارتزية في مدارات المركبات الفضائية

1. تحليل التخميد في بيئات الضغط المنخفض

كلما طالت مدة تشغيل مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز في المدار، زاد تسرب الهواء داخله، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط الهواء حتى يصل إلى حالة التوازن مع بيئة الفراغ الفضائي. سيزداد متوسط ​​المسار الحر لجزيئات الهواء باستمرار، ليقترب من 30 ميكرومتر أو حتى يتجاوزها، وستتحول حالة تدفق الهواء تدريجيًا من التدفق اللزج إلى التدفق الجزيئي اللزج. عندما ينخفض ​​الضغط إلى أقل من 102 باسكال، يدخل في حالة التدفق الجزيئي. يصبح تخميد الهواء أقل فأقل، وفي حالة التدفق الجزيئي، يكاد يكون معدومًا، ولا يتبقى سوى التخميد الكهرومغناطيسي لغشاء مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز.

بالنسبة لمقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز، والتي تتطلب العمل لفترات طويلة في بيئات منخفضة الضغط أو فراغ في الفضاء، فإن حدوث تسرب غازي كبير خلال فترة المهمة المطلوبة سيؤدي إلى انخفاض ملحوظ في معامل التخميد الغشائي. وهذا بدوره سيغير خصائص مقياس التسارع، مما يجعل الاهتزازات الحرة المتناثرة غير فعالة في التخميد. ونتيجة لذلك، قد يتغير عامل المقياس ومستوى الضوضاء في المستشعر، مما قد يؤثر على دقة القياس. لذا، من الضروري إجراء اختبارات جدوى على أداء مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز في بيئات منخفضة الضغط، ومقارنة نتائج الاختبارات لتقييم مدى تأثير هذه البيئات على دقة قياسها.

2. تأثير بيئات الضغط المنخفض على عامل المقياس لمقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز

استنادًا إلى تحليل مبادئ عمل وبيئات تطبيق منتجات مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز، يُعرف أن المنتج يُغلّف تحت ضغط جوي واحد، وأن بيئة التطبيق هي بيئة فراغ في مدار أرضي منخفض (درجة الفراغ تتراوح بين 10⁻⁵ و10⁻⁶ باسكال تقريبًا) على بُعد 500 كيلومتر من سطح الأرض. تستخدم مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز عادةً تقنية إحكام الإغلاق براتنج الإيبوكسي، مع ضمان معدل تسرب يبلغ 1.0 × 10⁻⁴ باسكال.لتر/ثانية. في بيئة الفراغ، يتسرب الهواء الداخلي ببطء، حيث ينخفض ​​الضغط إلى 0.1 ضغط جوي (تدفق لزج جزيئي) بعد 30 يومًا، وإلى 10⁻⁵ باسكال (تدفق جزيئي) بعد 330 يومًا.

يتجلى تأثير التخميد الهوائي على مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز بشكل رئيسي في جانبين: التأثير على عامل المقياس والتأثير على الضوضاء. وفقًا لتحليل التصميم، يبلغ تأثير التخميد الهوائي على عامل المقياس حوالي 0.0004 (عندما ينخفض ​​الضغط إلى مستوى الفراغ، ينعدم التخميد الهوائي). وفيما يلي عملية الحساب والتحليل:

يستخدم مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز طريقة الميل بفعل الجاذبية للمعايرة الثابتة. في مجموعة البندول الخاصة بمقياس التسارع، وفي بيئة هوائية، تكون القوة العمودية المؤثرة على مجموعة البندول: mg0، وقوة الطفو: ρVg0. القوة الكهرومغناطيسية المؤثرة على البندول تساوي الفرق بين القوة التي يتعرض لها بفعل الجاذبية وقوة الطفو، ويُعبر عنها بالمعادلة التالية:

f=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 مم³.
• g0 هو تسارع الجاذبية، g0=9.80665 م/ث².

نسبة قوة الطفو إلى قوة الجاذبية المؤثرة على مجموعة البندول نفسها هي:

ρVg0/mg0=ρV/m≈0.044%

في بيئة فراغية، عندما تكون كثافة الهواء صفرًا تقريبًا بسبب تسرب الغاز مما يؤدي إلى توازن الضغط داخل وخارج الجهاز، يكون التغير في عامل المقياس لمقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز 0.044%.

3. الخلاصة:

يمكن أن تؤثر بيئات الضغط المنخفض على عامل المقياس والضوضاء في مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز. وقد أظهرت الحسابات والتحليلات أن أقصى تأثير لبيئة الفراغ على عامل المقياس لا يتجاوز 0.044%. وتشير التحليلات النظرية إلى أن تأثير بيئات الضغط المنخفض على عامل مقياس المستشعر أقل من 0.1%، مع تأثير ضئيل على دقة القياس، يمكن إهماله. وهذا يدل على أن بيئات الضغط المنخفض أو الفراغ لها تأثيرات طفيفة على عامل المقياس والضوضاء في مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المدارية طويلة الأمد.

تجدر الإشارة إلى أن سلسلة مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز AC7 مصممة خصيصًا لتطبيقات الفضاء. يتميز مقياس AC7 بأعلى دقة، حيث تبلغ قابلية تكراره عند انعدام الانحياز ≤20 ميكروغرام، ومعامل قياسه 1.2 مللي أمبير/غرام، وقابلية تكراره عند معامل القياس ≤20 ميكروغرام. وهو مناسب تمامًا لرصد بيئات الاهتزازات الدقيقة للمركبات الفضائية في مداراتها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي وأنظمة قياس الزاوية الثابتة التي تتطلب دقة عالية.