Optik fiberli ve mems jiroskopların elektronik devrelerinde elektromanyetik uyumluluk analizi ve modellenmesi

Abstract

Eylemsiz bir uzaya göre sabit bir eksen etrafındaki açısal hızı ölçmeyi sağlayan jiroskoplar, önemli bir sensör sınıfı olarak ortaya çıkmakta ve uygulamaları sürekli artmaktadır. Navigasyon, güdüm, kontrol ve stabilizasyon gibi birçok uygulamada açısal hızı algılamak için kullanılmaktadırlar. Jiroskoplar, Ataletsel Ölçüm Birimi, Tutum ve Yön Referans Sistemi ve Ataletsel Navigasyon Sistemi gibi karmaşık sistemlerin önemli bir parçasıdır. Bu sistemler havacılık, denizaltı, uzay araçları, uydular, füze sistemleri ve otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Mekanik, optik ve mikro-elektro-mekanik sistemler gibi farklı çalışma prensiplerine dayanan jiroskop türleri mevcuttur. Optik jiroskopların mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) jiroskoplara kıyasla düşük gürültü seviyeleri, hareketli parça içermeme, titreşim ve darbeye karşı dayanıklılık ve ayrıca tasarım ve konfigürasyonda esnekliği içeren birçok avantajı bulunmaktadır. Buna karşı MEMS jiroskopların küçük hacimli ve düşük maliyetli olmak gibi avantajları bulunmaktadır. Bu tezde, interferometrik fiber optik jiroskobun (IFOG) optik kaynağı için akım sürücü ve sıcaklık kontrolü devresi ile alıcı ve geribesleme işlemlerini yapan elektronik devre kartlarının tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bacaklı ve yüzey montaj devre elemanları ile yapılan iki farklı tasarım için IFOG’ların performansları Allan varyans yöntemi ile analiz edilmiş ve ticari sınıf bir MEMS jiroskop ile karşılaştırılmıştır. Tasarlanan elektronik devre kartlarının otomotiv ve askeri elektromanyetik uyumluluk standartlarına göre iletilen ışıma ve yayılan ışıma testlerinin benzetimleri gerçekleştirilerek karşılaştırmalı analizi yapılmıştır. Kart tasarımına bağlı akım ve güç yoğunluklarındaki değişimler ile termal kamera ölçümleri ile elde edilen ısınma problemleri karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Ayrıca sıcaklığın ölçülebilir minimum açısal hıza etkisi incelenmiştir.

Gyroscopes, which enable measuring the angular velocity around a fixed axis with respect to an inertial space, emerge as an important sensor class and their applications are constantly increasing. They are used to detect angular velocity in many applications such as navigation, guidance, control, and stabilization. Gyroscopes are an essential part of complex systems such as Inertial Measurement Unit, Attitude and Heading Reference System, and Inertial Navigation System. These systems are widely used in aviation, submarines, space vehicles, satellites, missile systems, and the automotive industry. There are types of gyroscopes based on different operating principles such as mechanical, optical, and micro-electro-mechanical systems. Optical gyroscopes have many advantages over micro-electro-mechanical system (MEMS) gyroscopes, including low noise levels, no moving parts, resistance to vibration and shock, as well as flexibility in design and configuration. On the other hand, MEMS gyroscopes have advantages such as small size and low cost. In this thesis, the design of the electronic circuit boards that operate as current driver and temperature control circuit for its optical source, as well as executing the receiver and feedback operations of the interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) has been achieved. IFOG performances for two different designs performed with through hole and surface mount technology circuit elements have been analyzed by the Allan variance method and compared with a commercial grade MEMS gyroscope. Comparative analysis of the designed electronic circuit boards has been carried out by simulating the conducted emission and radiated emission tests according to automotive and military electromagnetic compatibility standards. The changes in current and power densities due to the board design and the heating problems obtained by thermal camera measurements have been compared and analyzed. In addition, the effect of temperature on the detectable minimum rotation rate has been investigated.