aalto1 untyped-item.component.html
Fiber optic gyroscope system for characterization of inertial sensors
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58
Series
Abstract
Modern high-performance Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) inertial sensors are used across a wide range of industrial, automotive, and navigational applications. Characterizing such sensors requires high-accuracy test equipment. However, as sensor technology advances, the existing testing capabilities are increasingly challenged. The research problem of this thesis can be formulated as test equipment inaccuracies affecting inertial testing and limiting characterization accuracy. Thus, the objective of this thesis is to design a Fiber Optic Gyroscope (FOG) reference measurement system to improve the characterization performance of MEMS inertial sensors.
The theoretical section introduces the types of inertial sensors used in this study as well as the concepts of accelerometer and gyroscope rotational testing. In addition, the key aspects of sensor error sources and digital logging systems are covered. The research material and methods chapter focuses on the existing test equipment, including the motion simulator and the embedded test hardware, as well as the new reference system and tools purposely developed for this study.
A complete FOG reference system was designed and implemented, incorporating an interferometric FOG, a wireless logging unit, and LabVIEW-based logging software. Additionally, Python-based data-processing tools and test sequences were developed for accurate data synchronization of two datasets from independent logging systems. Finally, the characterization performance using the FOG reference system was evaluated through various laboratory tests.
The results can be summarized into three findings. Firstly, the accuracy of the FOG reference system was validated by measuring Earth’s rotation at the test location. Secondly, the proposed synchronization methodology enables repeatable synchronization with sample-level accuracy. Finally, the FOG reference successfully identified test equipment noise from MEMS gyroscope and accelerometer results, essentially improving the characterization performance.
The findings of this thesis proved the concept of using a FOG-based reference system for characterizing MEMS inertial sensors. Furthermore, the improved testing capability enables tighter sensor specifications as well as more accurate sensor modelling and performance comparisons among different sensor models.
Nykyaikaisia korkean suorituskyvyn mikro-elektromekaanisia (MEMS) inertia-antureita käytetään laajasti autoteollisuudessa, teollisuuden sovelluksissa sekä navigointijärjestelmissä. Näiden antureiden karakterisointi edellyttää huippuluokan tarkkuuden testauslaitteistoa. Anturiteknologian kehittyessä nykyiset testaustavat ja -laitteet ovat kuitenkin yhä useammin riittämättömiä. Tämän työn tavoitteena on kehittää kuituoptiseen gyroskooppiin (FOG) perustuva referenssimittausjärjestelmä MEMS-inertia-antureiden karakterisoinnin tarkkuuden parantamiseksi.
Työn teoreettinen osuus esittelee työssä käytetyt inertia-anturityypit sekä kiihtyvyysantureiden ja gyroskooppien pyöritystestauksen konseptit. Lisäksi osuus käsittelee keskeisiä antureiden virhelähteitä sekä digitaalisten tallennusjärjestelmien piirteitä. Tutkimusmateriaalit ja -menetelmät osio keskittyy sekä olemassa oleviin testauslaitteistoihin, kuten liikesimulaattoriin ja sulautettuun testijärjestelmään että työtä varten kehitettyihin työkaluihin ja referenssijärjestelmään.
Työssä suunniteltiin ja toteutettiin kokonainen FOG-referenssijärjestelmä, johon kuuluu interferometrinen FOG, langaton tallennusyksikkö sekä LabVIEW-pohjainen tallennusohjelmisto käyttöliittymällä. Lisäksi työssä kehitettiin Python-pohjaiset työkalut ja testisekvenssit kahden erillisen järjestelmän mittauksien synkronointia varten. Lopuksi FOG-referenssijärjestelmän suorituskykyä arvioitiin useilla laboratoriotesteillä.
Työn keskeiset tulokset voidaan tiivistää kolmeen havaintoon. Ensiksi FOG-referenssijärjestelmän tarkkuus varmistettiin mittaamalla Maan pyörimisnopeus testaussijainnissa. Toiseksi kehitetyt työkalut ja synkronointimenetelmä mahdollistivat toistettavan synkronoinnin yhden mittapisteen tarkkuudella. Viimeiseksi FOG-referenssi kykeni erottamaan testilaitteen kohinan MEMS-gyroskoopin ja -kiihtyvyysanturin tuloksista, olennaisesti parantaen karakterisoinnin tarkkuutta.
Työn tulokset osoittivat FOG-pohjaisen referenssijärjestelmän soveltuvuuden MEMS-inertia-antureiden karakterisointiin. Lisäksi parempi testaustarkkuus mahdollistaa tiukempien anturispesifikaatioiden määrittämisen sekä tarkemman anturimallinnuksen ja suorituskyvyn vertailun eri anturimallien välillä.