ATALETSEL ÖLÇÜM TEST HİZMETLERİ INERTIAL SENSOR TESTS AND 5.CALIBRATION SERVICES Ataletsel Ölçüm Laboratuvarında, seyrüsefer ve güdüm sistemlerinde kullanılan Dönüölçer, İvmeölçer, Ataletsel Ölçüm Birimi (AÖB) ve Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (ANS) için gerekli test ve kalibrasyonlar laboratuar olanakları dahilinde yapılmaktadır. Inertial Sensor Laboratory serves to provide testing and calibration of Inertial Navigation System (INS), Inertial Measurement Unit (IMU), accelerometer and gyroscope used for navigation and guidance systems. 44 45
Ataletsel Ölçüm Laboratuvarı (AÖL) TÜBİTAK- SAGE nin en eski altyapılarından olup 1994 yılında Savunma Sanayi Müsteşarlığı nın katkılarıyla Orta Doğu Teknik Üniversitesi yerleşkesinde Güdüm Kontrol Laboratuarının (GKL) bir parçası olarak kurulmuştur. Bu altyapıda, Türkiye deki birçok firma ile çalışılmış ve bir çok projeye ait ataletsel ölçer veya birim testleri yapılmıştır. Altyapıda ISO 9001:2000 kalite yönetim sistemi uygulanmaktadır. Altyapıda Bulunan Cihazların Teknik Özellikleri Üç Eksenli Hareket Benzetimci Konum çözünürlüğü : 0.00001 Konum doğruluğu : < 1 arcsec (< 0.0003 ) Açısal hız çözünürlüğü : 0.00001 /s Açısal hız kararlılığı : 0.0001 % En yüksek hız : 1000 /s (iç eksen); 750 /s (orta eksen); 500 /s (dış eksen) En yüksek ivme : 1660 /s 2 (iç eksen); 590 /s 2 (orta eksen); 660 /s 2 (dış eksen) Sıcaklık kontrolü :-55 +85 C İki Eksenli Hareket Üreteci Konum çözünürlüğü 0.00001 Konum doğruluğu : < 1 arcsec (< 0.0003 ) Açısal hız çözünürlüğü : 0.0001 /s Açısal hız kararlılığı : ± 0.0002% < 400 /s; ± 0.0005% < 1000 /s En yüksek hız : 1000 /s (iç eksen); 400 /s (dış eksen) En yüksek ivme : 2700 /s 2 (iç eksen); 260 /s 2 (dış eksen) Maksimum test edilebilir yük : 40 kg Sıcaklık kontrolü : -60 +90 C Santrifüj Cihazı Konum çözünürlüğü : 0.00001 Konum doğruluğu : < 1 arcsec (< 0.0003 ) Açısal hız çözünürlüğü : 0.00001 /s Açısal hız kararlılığı : 0.0001 % Maksimum açısal hız : 4000 /s Doğrusal ivme aralığı : 0.5 200 g Maksimum test edilebilir yük : 10 kg Test odası sıcaklık aralığı : -60 C ile 125 C İndeks Tablası Konum doğruluğu : 0.25 arcsec Tekrarlanabilirliği : 0.05 arcsec Konum kararlılığı : 0.025 arcsec Ortogonallik : 2 arcsec Konum çözünürlüğü : 1.0 deg Yükleme Limiti : 10 lbs Yükseklik x en x çap : 2620 x 1755 x 1219 mm Ağırlık : 310 lbs Inertial Sensor Laboratory (AÖL) is the oldest infrastructure of TUBİTAK-SAGE, located in the campus of Middle East Technical University. Laboratory was founded in 1994 by Under Secretariat for Defense Industries as part of the Guidance and Control Laboratory. We have been collaborated with many companies in country and performed tests of various kinds of inertial sensors and inertial measurement units in the laboratory. Laboratory work has been carried out according to ISO 9001:2000 Quality Management System. Technical Specifications of Instruments Three axis motion simulator Positioning resolution : 0.00001 Positioning accuracy : < 1 arcsec (< 0.0003 ) Rate resolution : 0.00001 /s Rate stability : 0.0001 % Max. rate : 1000 /s (Inner axis); 750 /s (Middle axis); 500 /s (Outer axis) Max. acceleration : 1660 /s 2 (Inner axis); 590 /s 2 (Middle axis); 660 /s 2 (Outer axis) Temperature chamber range :-55 to +85 C. Two axis position / rate table Positioning resolution : 0.00001 Position accuracy : < 1 arcsec (< 0.0003 ) Rate resolution : 0.0001 /s Rate stability : ± 0.0002% < 400 /s; ± 0.0005% < 1000 /s Max. rate : 1000 /s (Inner axis); 400 /s (Outer axis) Max. acceleration : 2700 /s 2 (Inner axis); 260 / s 2 (Outer axis) Payload Capacity : 40 kg Temperature chamber range : -60 to +90 C Centrifuge Positioning resolution : 0.00001 Positioning accuracy : < 1 arcsec (< 0.0003 ) Rate resolution : 0.00001 /s Rate stability : 0.0001 % Rate range: 4000 /s Linear acceleration range : 0.5 200 g Payload Capacity : 10 kg Temperature chamber range : -60 C to 125 C. Manual index table Positioning accuracy : 0.25 arcsec Repeatability : 0.05 arcsec Position stability : 0.025 arcsec Orthogonality : 2 arcsec Positioning resolution : 1.0 deg Payload Capacity : 10 lbs Dimensions (HxWxD) : 2620 x 1755 x 1219 mm Weight : 310 lbs. 46 47
Kapsadığı Standartlar / Şartnameler IEEE Std. 528 2001 : Standard for Inertial Sensor Terminology. IEEE Std. 1293 1998 : Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Linear Single-Axis, Nongyroscopic Accelerometers. IEEE Std. 836 2001 : Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers. IEEE Std. 952 1997 (R2002) : IEEE Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros. IEEE Std. 529 1980 (R2005) : IEEE Standart Supplement for Strapdown Applications to IEEE Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Degree-of-Freedom Rate-Integrating Gyros. IEEE Std. 674 1995 : IEEE Standart for Linear Single-Axis Laser Gyros. IEEE Std. 813 1988 (R2005) : IEEE Standart for Two-Degree-of-Freedom Dynamically Tuned Gyros. 5.1. İvmeölçer Test ve Kalibrasyonu Bu testler ile ivmeölçer teknik özellikleri doğrulanabilir ve her ivmeölçere ait kalibrasyon parametreleri bulunabilir. Bu parametrelerin kararlılığı ve değişen sıcaklığa bağlı olarak değişimi hesaplanabilir. Bu testler Allan Varyans Testleri ve Kalibrasyon Testleri olarak iki kısma ayrılır. Allan Varyans Testleri Bu testler durağan durumdaki ölçerlerden, uzun süreli (saatler seviyesinde) veri alınarak gerçekleştirilmektedir. Alınan bu ölçer verilerinin grup ortalamalarının farklarına dayalı işlem sonucunda çizilen grafikten, gürültü kaynaklı değişik hatalar hesaplanır. Hesaplanan hatalar şunlardır: nicemleme gürültüsü hız rastgele yürüme sabit kayma kararsızlığı uzun süre gürültüsü. Standards/Specifications IEEE Std. 528 2001 : Standard for Inertial Sensor Terminology. IEEE Std. 1293 1998 : Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Linear Single-Axis, Nongyroscopic Accelerometers. IEEE Std. 836 2001 : Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers. IEEE Std. 952 1997 (R2002) : IEEE Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros. IEEE Std. 529 1980 (R2005) : IEEE Standart Supplement for Strapdown Applications to IEEE Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Degree-of-Freedom Rate-Integrating Gyros. IEEE Std. 674 1995 : IEEE Standart for Linear Single-Axis Laser Gyros. IEEE Std. 813 1988 (R2005) : IEEE Standart for Two-Degree-of-Freedom Dynamically Tuned Gyros. 5.1. Accelerometer Tests and Calibration Technical specifications of accelerometer can be verified and calibration parameters can be found by accelerometer tests. Stability and temperature dependency of calibration parameters can be calculated also. These tests are divided into two parts. First part is Allan variance tests and second part is calibration tests. Allan Variance Tests Data should be taken for long time (for hours) without giving input to the accelerometer. Allan variance is the average of the variance of adjacent pairs of elements in a contiguous time series of data versus the averaging time used to generate the elements. Allan variance results are related to basic sensor noise terms given below: quantization noise velocity random walk bias instability rate ramp. Allan varyans testleri, indeks tablası, üç eksenli hareket benzetimci, iki eksenli hareket üreteci kullanılarak yapılabilmektedir. Allan variance tests are performed by using indexing table (or dividing head), two axis position/rate table, three axis motion simulator. 48 49
Kalibrasyon Testleri Her ivmeölçer ayrı ayrı kalibrasyon testlerine girer. Kalibrasyon testleri ihtiyaca göre indeks tablası, santrifüj cihazı, üç eksenli hareket benzetimci ve/ veya 2 eksenli hareket üreteci cihazlarından uygun olanlar kullanılarak ivmeölçere yüksek hassasiyetli ivme girdileri uygulanarak yapılır. Kalibrasyon testleri, konum testleri ve santrifüj testleri olarak ayrılabilir. Konum testleri; indeks tablası, üç eksenli hareket benzetimci, iki eksenli hareket üreteci cihazlarını kullanarak yapılabilmektedir. Konum testlerinde ivmeölçere ±1 g aralığında yerçekimi ivmesi bileşenleri uygulanmaktadır. Bu konum testleri sonucunda ivmeölçerler için sabit kayma, orantı katsayısı ve açı kayması değerleri hesaplanır. Santrifüj testleri ile ise yüksek ivme değerleri altında orantı katsayısı ve orantı katsayısı doğrusallığı ivmeölçer ölçme aralığı boyunca hesaplanır. Hesaplanan bu katsayılar ile ölçerlere ait kalibrasyon matrisi oluşturulur. Bu matris AÖB veya seyrüsefer yazılımlarına girdi olmaktadır. Bu testlerin ardından ayrıntılı olarak farklı sıcaklıklarda kalibrasyon testleri tekrar edilebilir. Böylelikle parametrelerin sıcaklığa bağlı olarak değişimi ve tekrarlanabilirliği test edilir. Uygulamalar MEMs (Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler) yapılı veya sarkaç yapılı quartz ivmeölçerlere bu testler uygulanabilmektedir. Gerekli Örnek Özellikleri ve Örnek Teslim Şartları Test edilecek ivmeölçerlerin test edileceği uygun cihaz seçildikten sonra uygun test düzeneğinin kurulması gerekmektedir. Bu test düzeneği, ölçerin cihazın içine yerleşimini sağlayacak mekanik arayüzü, ölçer verilerinin bilgisayara slipringler üzerinden veya başka bir yolla aktarılmasını sağlayacak elektriksel arayüzü ve/veya gerekli yazılımı içermektedir. Gerekli test düzeneği kurulduktan sonra ölçere uygun test planı hazırlanıp ölçümler yapılır. Yapılan testler Test Sonuç Raporu ile raporlanmaktadır. Calibration Tests Each accelerometer is calibrated separately by these tests. Calibration tests can be performed by using index table, centrifuge, two axis position/rate table and three axis motion simulator. Highly sensitive inputs can be given to the accelerometer using those equipments. Calibration tests are divided into two parts as position tests and centrifuge tests. Position tests can be performed by using index table, two axis position/rate table or three axis motion simulator. Table is tumbled through a series of positions to apply components of local gravity vector in the range of ±1 g. Bias, scale factor and misalignments can be calculated as a result of position tests. Scale factor can be calculated during centrifuge tests for all measurement range of the accelerometer. Accelerometer calibration matrix is constituted with these calculated parameters and this matrix can be used by navigation process and IMU software. Calibration tests can be repeated to find the temperature dependence of the calibration parameters. Applications Accelerometer tests can be applied to quartz pendulum type and MEMs (Micro-Electro- Mechanical Systems) type accelerometers. Sample Requirements Suitable test setup for accelerometer testing should be selected and configured. This test setup should mainly include sensor mounting fixture, software and electronic equipment required to operate accelerometer and measure its output. After the test setup is complete, test plan is prepared and the results of all measurements are reported. 50 51
5.2. Dönüölçer Test ve Kalibrasyonu Bu testler ile dönüölçer teknik özellikleri doğrulanabilir ve her dönüölçere ait kalibrasyon parametreleri bulunabilir. Bu parametrelerin kararlılığı ve değişen sıcaklığa bağlı olarak parametrelerin değişimi hesaplanabilir. Bu testler Allan Varyans Testleri ve Kalibrasyon Testleri olarak iki kısma ayrılır. Allan Varyans Testleri Bu testler durağan durumdaki ölçerlerden, uzun süreli (saatler seviyesinde) veri alınarak gerçekleştirilmektedir. Alınan bu ölçer verilerinin grup ortalamalarının farklarına dayalı işlem sonucunda çizilen grafikten, gürültü kaynaklı değişik hatalar hesaplanır. Hesaplanan hatalar şunlardır: nicemleme gürültüsü açı rastgele yürüme sabit kayma kararsızlığı uzun süre gürültüsü. Dönüölçer Allan Varyans testleri, indeks tablası, üç eksenli hareket benzetimci, iki eksenli hareket üreteci kullanılarak yapılabilmektedir. Kalibrasyon Testleri Her dönüölçer ayrı ayrı kalibrasyon testlerine girer. Kalibrasyon testleri ile her dönüölçere ait parametreler hesaplanmaktadır. Kalibrasyon testleri, üç eksenli hareket benzetimci veya iki eksenli hareket üreteci kullanılarak yapılabilmektedir. Bu testler sırasında dönüölçere yüksek hassasiyetli dönü girdileri uygulanır. Bu girdi değerleri dönüölçerin ölçüm aralığı dikkate alınarak yapılmaktadır. Dönü testleri sonucunda dönüölçerler için orantı katsayısı, açı kaymaları değerleri ve hataları hesaplanır. Sıfır girdi uygulayarak ise sabit kayma değerleri hesaplanır. Hesaplanan bu katsayılar ile ölçerlere ait kalibrasyon matrisi oluşturulur. Bu matris AÖB veya seyrüsefer yazılımlarına girdi olmaktadır. Bu testlerin ardından ayrıntılı olarak farklı sıcaklıklarda kalibrasyon testleri tekrar edilebilir. Böylelikle parametrelerin sıcaklığa bağlı olarak değişimi ve tekrarlanabilirliği test edilir. Uygulamalar Fiber optik, lazer yapılı, titreşen yapılı ve MEMs yapılı dönüölçerlere bu testler uygulanabilir. Gerekli Örnek Özellikleri ve Örnek Teslim Şartları Test edilecek dönüölçerlerin test edileceği uygun cihaz seçildikten sonra uygun test düzeneğinin kurulması gerekmektedir. Bu test düzeneği, ölçerin cihazın içine yerleşimini sağlayacak mekanik arayüzü, ölçer verilerinin bilgisayara slipringler üzerinden veya başka bir yolla aktarılmasını sağlayacak elektriksel arayüzü ve/veya gerekli yazılımı içermektedir. Gerekli test düzeneği kurulduktan sonra ölçere uygun test planı hazırlanıp ölçümler yapılır. Yapılan testler Test Sonuç Raporu ile raporlanmaktadır. 5.2. Gyroscope Tests and Calibration Technical specifications of gyroscope can be verified and calibration parameters can be found by these tests. Stability and temperature dependency of calibration parameters can be calculated with gyroscope tests also. These tests are divided into two parts. First part is Allan variance tests and second part is calibration tests. Allan Variance Tests Data should be taken for long time (for hours) without giving input to the gyroscope. Allan variance is the average of the variance of adjacent pairs of elements in a contiguous time series of data versus the averaging time used to generate the elements. Allan variance results are related to basic sensor noise terms given below: quantization noise angle random walk bias instability rate ramp. Allan variance tests are performed by using indexing table (or dividing head), two axis position/rate table, three axis motion simulator. Calibration Tests Each gyroscope is calibrated separately by these tests. Calibration tests can be performed by using two axis position / rate table or three axis motion simulator Highly sensitive rate inputs can be given to the gyroscope using these equipments. Measurement range of the gyroscopes has been considered for the test inputs. Gyroscopes scale factor, misalignments and errors can be calculated as a result of rate inputs in all measurement range of gyroscope. Bias value is calculated by precision positioning of gyroscopes. Gyroscope calibration matrix is constituted with this calculated parameters and this matrix can be used during navigation process and IMU software. Calibration tests can be repeated to find the temperature dependence of the calibration parameters. Applications These tests can be applied to fiber-optic, laser and MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems) and vibrating types of gyroscopes. Sample Requirements Suitable test setup for gyroscope testing should be selected and configured. This test setup mainly includes sensor mounting fixture, software and electronic equipment required to operate gyroscope and measure its output. After the test setup is complete, test plan is prepared and the results of all measurements are reported. 52 53
5.3. Ataletsel Ölçüm Birimi (AÖB) Testi Uygulamalar Bu testler güdüm kontrol, seyrüsefer sistemlerinde kullanılan AÖB lere uygulanabilir. 5.3. Inertial Measurement Unit (IMU) Tests Ataletsel seyrüsefer başarımını arttırmak için tasarım IMUs can be tested in detail which is necessary aşamasında AÖB lerle ayrıntılı testler yapılır. Gerekli Örnek Özellikleri ve Örnek Teslim Şartları during the design and development stage of Öncelikle Allan Varyans testleri yapılarak ölçerlerin Test edilecek Ataletsel Ölçüm Biriminin test navigation systems. At first, Allan Variance genel başarımı incelenir. Daha sonra her dönüölçer ve ivmeölçere ait parametrelerin hesaplanması için kalibrasyon testleri yapılır. edileceği uygun cihaz seçildikten sonra uygun test düzeneğinin kurulması gerekmektedir. Bu test düzeneği, AÖB nin cihazın içine yerleşimini sağlayacak mekanik arayüzü, ölçer verilerinin tests are performed and investigated for understanding general performance of sensors. Later, accelerometers and gyroscopes calibration parameters are found with the calibration tests. Allan Varyans Testleri Bu testler durağan durumdaki ivmeölçerler ve dönüölçerlerden, uzun süreli ( saatler seviyesinde) veri alınarak gerçekleştirilmektedir. Alınan bu ölçer verilerinin grup ortalamalarının farklarına dayalı işlem sonucunda çizilen grafikten, gürültü kaynaklı değişik hatalar hesaplanır. Hesaplanan hatalar şunlardır: nicemleme gürültüsü açı rasgele yürüme sabit kayma kararsızlığı hız rasgele yürüme uzun süre gürültüsü. bilgisayara slipringler üzerinden veya başka bir yolla aktarılmasını sağlayacak elektriksel arayüzü ve/veya gerekli yazılımı içermektedir. Gerekli test düzeneği kurulduktan sonra ölçere uygun test planı hazırlanıp ölçümler yapılır. Yapılan testler Test Sonuç Raporu ile raporlanmaktadır. Allan Variance Tests Data should be taken for long time (for hours) without giving input to the IMU. Allan variance is the average of the variance of adjacent pairs of elements in a contiguous time series of data versus the averaging time used to generate the elements. Allan variance results are related to basic sensor noise terms given below: quantization noise angle random walk bias instability rate random walk rate ramp. Sample Requirements Suitable test setup for testing IMU should be Kalibrasyon Testleri Bu testlerle AÖB içinde kullanılan ölçerlerin hata modelleri oluşturulur. Her AÖB üretildikten sonra ayrı ayrı kalibrasyon testlerine girer. Kalibrasyon testleri üç eksenli hareket benzetimci veya iki eksenli hareket üreteci kullanılarak AÖB ye yüksek hassasiyetli ivme ve dönü girdileri uygulanarak yapılır. Calibration Tests Error models of inertial sensors used in IMU are calculated with calibration tests. Each IMU is calibrated separately. Calibration tests can be performed by using two axes position/rate table or three axes motion simulator. Highly sensitive rate and acceleration inputs can be given to the IMUs using these equipments. As a result of position tests, bias, scale factor and misalignments selected and configured. This test setup mainly includes IMU mounting fixture, software and electronic equipment required to operate IMU and measure its sensors output. After the test setup is complete, test plan will be prepared and all measurements results will be reported. Konum testleri sonucunda ivmeölçerler için sabit kayma, orantı katsayısı ve açı kaymaları değerleri; dönüölçerler için ise sabit kayma değerleri bulunur. Dönü testleri sonucunda dönüölçerlerin orantı katsayıları ve açı kaymaları hesaplanır. Hesaplanan bu katsayılar ile ölçerlere ait parametreleri içeren kalibrasyon matrisi oluşturulur. Bu matris AÖB veya seyrüsefer yazılımlarına girdi olmaktadır. of accelerometer and bias of gyroscopes are calculated. Gyroscope and accelerometer calibration matrix are constituted with these calculated parameters and this matrix can be used during navigation process and IMU software. Calibration tests can be repeated to find the temperature dependence of the calibration parameters. Bu testlerin ardından ayrıntılı olarak farklı sıcaklıklarda kalibrasyon testleri tekrar edilebilir. Böylelikle parametrelerin sıcaklığa bağlı olarak değişimi ve tekrarlanabilirliği test edilir. Applications These tests can be applied to IMUs used for navigation and guidance control systems. 54 55