Analysis of mode matched gyroscopes
Eşlenik modlu jiroskopların analizi
- Tez No: 698009
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. POLAT ŞENDUR, DR. GÖKSEN GÖKSENİN YARALIOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 171
Özet
Bu tezin amacı eşlenik modlu titreşimli jiroskopları gürültü ve stabilite açısından karakterize etmektir. Ayrıca, yeni jiroskop yapıları için bir temel sağlamak amacıyla Coriolis etkisine bağlı olarak dönen çubuk sistemlerinde eşlenik modlu dalga etkileşimi (wave coupling) araştırılmıştır. Bu tez iki bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, eşlenik modlu titreşimli jiroskopun gürültü analizi MEMS jiroskop vurgulanarak tartışılmıştır. MEMS (Mikro-elektromekanik Sistem) titreşimli jiroskopları son zamanlarda çok ilgi görmüştür ve bu jiroskoplar taşınabilir cihazlar ve akıllı telefonlar aracılığıyla kendilerine yer bulmuştur. Ancak, performansları kaba kompas hesabı gibi uygulamaların zorlu gereksinimlerini karşılamak için yeterli değildir. Eşlenik modlu jiroskopların bu soruna bir çözüm olduğu düşünülmektedir. Çeşitli eşlenik modlu jiroskop mimarileri önerilmiş ve literatürde gürültü performansları analiz edilmiştir. Bununla birlikte, bu analizlerin çoğunda statik durumlar dikkate alınmış ve dinamik durumlar için gürültü analizi göz ardı edilmiştir. İlk bölümde, spektral güç yoğunluğu (Powet Spectral Density) ve Allan sapma yöntemlerini kullanarak eşlenik modlu titreşimli jiroskopun gürültü analizini di namik durumlar için gösteriyoruz. Eşlenik modlu jiroskoplar için dönen bir jiroskopun gürültü performansının herhangi bir dönüş yaşamayan bir jiroskopunkinden önemli ölçüde farklı olabileceğini gösteriyoruz. Ayrıca bu farkın Coriolis kuvveti aracılığıyla sürücü ve algılama sistemleri arasındaki bağlantıdan kaynaklandığını da gösteriyoruz. Bu eşlenik modlu titreşimli jiroskopların gürültü performansı için temel bir sınır belirler; açı rastgele yürüme (Angle Random Walk) açık döngü ve yeniden dengeleme kapalı döngü çalışma modları için dönüş hızı ile orantılı olarak artar. İkinci bölümde dönmeye tabi tutulan çubukların titreşim analizi sunulmuştur. Bükülme-bükülme (flexural-flexural), uzunlamasına bükülme (longitudinal-flexural) ve burulma-bükülme (torsional-flexural) dalga etkileşimleri Coriolis etkisine bağlı olarak ortaya çıktığı gösterilmiştir. İlk olarak, dalga boyunun yarıçaptan çok daha büyük olduğu ince çubuklar için analizimizi gerçekleştirdik. Coriolis etkisine bağlı olarak dalga sayılarının (wavenumber) değiştiği gösterilmiştir. Ardından, her bir dalga türü için karşılık gelen dalga sayısı kaymalarını belirlemek için Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Element Method) kullanarak dönen çubuklardaki 3-D dalga yayılımını karakterize ettik. Farklı sürücü frekansı (ω0) ve dönüş hızı (Ω) için dalga etkileşimlerinin farklı özellikler sergilediğini gösteriyoruz. Bükülme-bükülme dalga etkileşimi için, dalga sayısı birincil bükülme dalgası için artar, buna karşılık dalga sayısı ikincil bükülme dalgası için azalır (Ω < ω0). Bükülme-uzunlamasına dalgalar arasındaki Coriolis etkileşimi için dalga sayısı bükülme dalgası için ar tar ve uzunlamasına dalga için azalır (Ω < ω0). Bükülme-burulma dalgaları arasındaki Coriolis etkileşimi için dalga sayısı hem bükülme hem de burulma dalgaları için artar. Birkaç vaka incelemesine dayanarak çubuk yapılarının boyutlarının bükülme-bükülme dalga etkileşimi durumu dışında sensör uygulamaları için yeterince uygun olmadığı bulunmuştur. Bu nedenle, eşlenik bükülme modu ile etkileşen bükülme dalgası yayılma yönü etrafında uygulanan dönme oranını ölçmek için kullanılabilir ve bu durumda jiroskop yapısı MEMS teknolojisi ile küçük ölçeklerde minyatürleştirilebilir. Bu gözleme dayanarak, etkileşen bükülme bükülme dalga yayılımını kullanan yeni bir silindirik çubuk jiroskop önerdik. Yeni jiroskop düz dairesel çubuk dalga kılavuzu ve piezoelektrik dönüştürücülerden oluşacak; bunlardan biri çubuğun bir ucundan bükülme dalgasını uyaracak ve diğeri karşılık gelen sinyali alacaktır. Dalga kılavuzu Coriolis kuvveti nedeniyle bir dönme hareketine maruz kaldığında, bükülme dalgası eşlenik bükülme modu tarafından modüle edilir. Bu iletilen sinyalde faz değişikliğine neden olur ve göreceli faz değişikliği dalga kılavuzunun açısal hızıyla orantılı olarak artacaktır. Diğer bir deyişle, modüle edilmiş sinyaldeki faz farkı ölçülerek dönme hareketinin hızı izlenebilir.
Özet (Çeviri)
The aim of this thesis is to characterize the mode matched vibratory gyroscopes in terms of noise and stability. Furthermore, the mode matched wave coupling in rotating rod systems due to the Coriolis Effect is explored in order to provide a basis for novel gyroscope structures. This thesis is composed of two parts. In the first part, the noise analysis of the mode matched vibratory gyroscope is discussed with emphasis on MEMS gyroscope. MEMS (Micro-electromechanical System) vibratory gyroscopes have attracted a lot of interest recently and these gyroscopes made their way through portable devices and smart phones. However, their performance is not enough to cope with the demanding requirements of applications such as dead reckoning. Mode-matched gyroscopes are considered to be a solution for this problem. Various mode-matched gyroscope architectures have been proposed and their noise performances have been analyzed in the literature. However, in most of these analyses zero-rate output was considered and the noise analysis for dynamic cases were ignored. In the first part, we demonstrate the noise analysis of mode-matched vibratory gyroscope using the power spectral density (PSD) and the Allan deviation methods while non-zero rate is applied to the gyroscope. We show that for mode-matched gyros the noise performance of a rotating gyro can be significantly different from that of a gyro that does not experience any rotation. We also show that this difference is due to the coupling between the drive and sense systems via Coriolis force. This sets a fundamental limit for the noise performance of mode-matched vibratory gyroscopes where ARW (Angle Random Walk) increases proportionally with the rotation rate for the open loop and the force to rebalance operation modes. In the second part, vibration analysis of rods that are subjected to rotation is presented. It is shown that flexural-flexural, longitudinal-flexural and torsional-flexural wave coupling occur due to the Coriolis Effect. First, we carried out our analysis for thin rods where the wavelength is much larger than the radius. It is shown that the wavenumbers change due to the Coriolis Effect. Then, we characterize the 3-D wave propagation in rotating rods by using the Finite Element Method (FEM) in order to determine the corresponding wavenumber shifts for each type of wave. We show that for different drive frequency (ω0) and rotation rate (Ω), wave couplings exhibit different characteristics. For flexural-flexural wave coupling, the wavenumber increases for the primary flexural wave whereas the wave number decreases for the coupled flexural wave where Ω < ω0. For the Coriolis coupling between flexural-longitudinal waves, the wavenumber increases for the flexural wave and decreases for the longitudinal wave where Ω < ω0. For the Coriolis coupling between flexural-torsional waves, the wavenumber increases for both flexural and torsional waves. Based on the several case studies, it is found that the sizes of the rod structures are not suitable enough for the sensor applications, except for the case of flexural-flexural wave coupling. Thus, the flexural wave that couples with its conjugate flexural mode can be used to measure the rotation rate applied about the direction of propagation, where the gyro structure can be miniaturized in small scales by the MEMS technology. Based on this observation, we proposed a novel cylindrical rod gyroscope using the coupled flexural-flexural wave propagation. The new gyroscope will consist of a straight circular rod waveguide and piezoelectric transducers; one of which will excite the flexural wave from one end of the rod and the other will receive the corresponding signal. When the waveguide is subjected to a rotational motion, due to the Coriolis force the flexural wave is modulated by its conjugate flexural mode. This causes phase change in the transmitted signal and the relative phase change will increase in proportional to the angular velocity of the waveguide. In other words, by measuring the phase difference in the modulated signal, one can monitor the rate of rotational motion.
Benzer Tezler
- Gyroscopes based on acoustic waveguides
Akustik dalga kılavuzu tabanlı dönüölçerler
HAKAN ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKSEN GÖKSENİN YARALIOĞLU
- Demiryolu araçları için yeniden tutunma kontrolünün ve kararlılık analizlerinin yapılması
Re-adhesion control and stability analysis for a railway vehicle
ÇAĞLAR UYULAN
Doktora
Türkçe
2017
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
- Mod yönelimli grup şema terapinin madde kullanım bozukluğu olan çocuğa sahip anneler ve onların çocukları üzerindeki etkilerinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi
A comparative investigation of the effects of mode-oriented group schema therapy on mothers of children with substance use disorder and their substance-using children
MUHAMMED ARIKAN
- İnsan alt ekstremitesinin incelenmesi ve aktif dizüstü protezi tasarımı
The analysis of the human lower limb structure and the design of a new active above knee prosthesis
AKIN OĞUZ KAPTI
- Doğum şeklinin cinsel yaşam kalitesi üzerine etkisi
The effects of delivery method on postpartum sexual functions
İSMAİL BAĞLAR
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2019
Kadın Hastalıkları ve DoğumSağlık Bilimleri ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RAHİME NİDA BAYIK