Eşzamanlı sıcaklık ve gerilim algılayabilen eğik fiber bragg sensör tasarımı ve simülasyonu
Design and simulation of the tilted fiber bragg sensor capable of simultaneously detecting temperature and strain
Yazar: SELİN ECE KİPRİKSİZ
Danışman: PROF. DR. MURAT YÜCEL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Optik sensörler = Optical sensors

Özet:
Geleneksel sensörlere alternatif olan optik sensörlerin bir çeşidi olan Fiber Bragg ızgara tabanlı (FBI) sensörler sahip oldukları avantajlar sayesinde birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, OptiGrating 4.2.3 yazılımı kullanılarak tekdüze, apodize, cıvıltılı yapılarda FBI tabanlı sıcaklık sensörleri ve eş zamanlı sıcaklık ve gerilmeyi ölçebilen eğimli yapıda FBI tabanlı (TFBI) sensör tasarlanmıştır. Optimizasyonları yapılan apodize ve cıvıltı yapılarının yansıtıcılığa ve band genişliğine olan etkileri incelenmiştir.  Tasarlanan FBI'ların sıcaklıkları 10 ºC'lik periyotlarla değiştirilerek ızgara periyotlarında ve dalga boylarında meydana gelen değişimler izlenmiştir. Bragg dalga boyu hem sıcaklık hem de gerilme değişimine karşı duyarlı olması sebebiyle bir adet FBI kullanarak tasarlanmış olan sensörlerde, eş zamanlı sıcaklık ve gerilme ölçümü, çapraz hassasiyetini birbirinden ayırt edilemediği için yapılamaktadır. TFBI saçaklarının eğimli yapısı sayesinde iletim spektrumunda eş zamanlı görülen çekirdek ve kılıf rezonanslarının sıcaklık ve/veya gerilmeye karşı duyarlılıkları farklıdır. Sıcaklık ve gerilmeyi eş zamanlı olarak ölçme yeteneğine sahip, eğim açısı 5° olan TFBI sensör tasarımı yapılmıştır. TFBI'ya ilk aşamada sadece 10 ºC'lik periyotlarla değişen sıcaklık, ikinci aşamada 100 µƐ periyodlarla değişen gerilme, üçüncü aşamada ise eş zamanlı olarak değişen sıcaklık ve gerilme uygulanmış ve dalga boylarında meydana gelen doğrusal kaymalar yazılım üzerinden hesaplanmıştır. Sıcaklık sensörü tasarımı aşamasında, farklı ısıl genleşme ve termo-optik katsayıları ile çalışılarak, bu katsayıların dalga boyunda meydana getirdiği kayma miktarları incelenmiştir. Eş zamanlı sıcaklık ve gerilme uygulanmasıyla meydana gelen dalga boyu değişiminin eş zamanlı olmayan sıcaklık ve gerilme uygulanmasında meydana gelen toplam dalga boyu değişimine eşit olduğu görülmüştür. Tasarlanan sensörlerin sahip oldukları farklı yapısal özellikler sebebiyle birbirinden farklı spektrumlar sergilediği görülmüştür.

Abstract:
Fiber Bragg grating-based (FBG) sensors, a kind of optical sensors that are alternative to conventional sensors, are used in many applications due to their advantages. In this thesis study, FBG-based temperature sensors in uniform, apodized and chirped structures and a tilted FBG-based (TFBG) sensor capable of simultaneously measuring the temperature and strain were designed using the Optigrating 4.2.3 software. The effects of the optimized apodized and chirped structures on reflectivity and bandwidth were investigated. The temperatures of the FBGs designed were changed with 10 ºC periods, and the changes that occurred in the grating period and wavelengths were examined. In the sensors designed using a FBG since the Bragg wavelength is sensitive to both temperature and strain changes, simultaneous temperature and strain measurement is not performed because the cross-sensitivity cannot be distinguished from each other. Due to the tilted structure of TFBG fringes, the sensitivity of the core and cladding resonances, which are observed simultaneously in the transmission spectrum, to temperature and/or strain is different. A TFBG sensor with a tilt angle of  5°, which was capable of measuring temperature and strain simultaneously, was designed. While only the temperature changing with 10 ºC periods was applied to the TFBG in the first stage, the strain changing with 100 µƐ periods was applied to it in the second stage, and simultaneously changing temperature and strain were applied to it in the third stage, and the linear shifts occurring at the wavelengths were calculated through software. In the stage of designing a temperature sensor, different thermal expansion and thermo-optic coefficients were used, and the amounts of shifts caused by these coefficients at the wavelength were examined. It was observed that the wavelength change that occurred with the simultaneous application of temperature and strain was equal to the total wavelength change that occurred in the non-simultaneous application of temperature and strain. It was observed that the sensors designed showed different spectra from each other due to their different structural features.