低压环境对石英柔性加速度计的影响

要点

石英柔性加速度计具有高灵敏度和低噪声的特点，适用于测量静态和动态加速度。它可以作为加速度敏感传感器，用于监测航天器轨道上的微振动环境。本文主要介绍低压环境对石英柔性加速度计的影响。

石英加速度计的敏感膜片在空气环境中运动时会受到膜片阻尼效应的影响，这可能导致传感器在低压环境下的性能（比例因子和噪声）发生变化。这可能会影响在轨微振动加速度测量的准确性和精确度。因此，有必要分析这种效应，并为石英柔性加速度计在高真空环境下的长期应用提供可行性分析结论。

图1 航天器轨道中的石英加速度计

1.低压环境下的阻尼分析

石英柔性加速度计在轨道上运行时间越长，封装内部的空气泄漏就越严重，导致内部气压降低，直至与太空真空环境达到平衡。空气分子的平均自由程会持续延长，接近甚至超过30μm，气流状态也会逐渐从粘性流过渡到粘性分子流。当压力降至102Pa以下时，气流进入分子流状态。空气阻尼越来越小，在分子流状态下，空气阻尼几乎为零，石英柔性加速度计膜片仅受电磁阻尼的影响。

对于需要在太空低压或真空环境下长时间工作的石英柔性加速度计，如果在任务寿命期间发生显著的气体泄漏，薄膜阻尼系数将显著降低。这将改变加速度计的特性，使散射的自由振动无法有效衰减。因此，传感器的比例因子和噪声水平可能会发生变化，进而影响测量精度。所以，有必要对石英柔性加速度计在低压环境下的性能进行可行性测试，并通过对比测试结果，评估低压环境对石英柔性加速度计测量精度的影响程度。

2.低压环境对石英挠性加速度计比例因子的影响

通过对石英柔性加速度计产品的工作原理和应用环境的分析可知，该产品采用1个大气压封装，应用环境为距地面500公里的近地轨道真空环境（真空度约为10⁻⁵至10⁻⁶Pa）。石英柔性加速度计通常采用环氧树脂密封技术，泄漏率一般保证在1.0×10⁻⁴Pa·L/s以内。在真空环境下，内部空气会缓慢泄漏，30天后压力降至0.1个大气压（粘性分子流），330天后降至10⁻⁵Pa（分子流）。

空气阻尼对石英挠性加速度计的影响主要体现在两个方面：对比例因子和噪声的影响。根据设计分析，空气阻尼对比例因子的影响约为0.0004（当压力降至真空时，空气阻尼为零）。计算分析过程如下：

石英挠性加速度计采用重力倾斜法进行静态校准。在加速度计的摆锤组件中，在空气环境中，摆锤组件所受的法向力为 mg0，浮力为 fb = ρVg0。摆锤所受的电磁力等于其所受重力与浮力之差，表示为：

f=mg0-ρVg0

在哪里：

• m 是摆的质量，m=8.12×10−4 kg。
• ρ 是干燥空气的密度，ρ=1.293 kg/m³。
• V 是摆锤组件运动部分的体积，V=280 mm³。
• g0 是重力加速度，g0=9.80665 米/秒²。

摆锤组件所受浮力与重力之比为：

ρVg0/mg0=ρV/m≈0.044%

在真空环境中，由于气体泄漏导致仪器内外压力平衡，空气密度接近于零，此时石英柔性加速度计的比例因子变化为 0.044%。

3.结论：

低压环境会影响石英柔性加速度计的比例因子和噪声。经计算分析表明，真空环境对比例因子的最大影响不超过0.044%。理论分析表明，低压环境对传感器比例因子的影响小于0.1%，对测量精度的影响极小，可以忽略不计。这表明低压或真空环境对石英柔性加速度计的比例因子和噪声影响甚微，使其适用于长期在轨应用。

值得注意的是，AC7系列石英柔性加速度计专为航空航天应用而设计。其中，AC7精度最高，零点偏差重复性≤20μg，比例因子为1.2mA/g，比例因子重复性≤20μg。它完全适用于监测在轨航天器的微振动环境。此外，它还可应用于对精度要求较高的惯性导航系统和静态角度测量系统。