QCM tabanlı sensör dizisiyle sıvı algılama sistem tasarımının gömülü sistemlerle gerçekleştirilmesi
Design a liquid sensor system based on QCM sensor array by using embedded systems
Yazar: FIRAT AYDEMİR
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ EBEOĞLU
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde temiz su kaynakları hızlı bir şekilde azalmaktadır. Ne yazık ki bu kirliliğin çoğu insanlardan kaynaklanmaktadır ve bunun büyük bir oranı da gelişen endüstri nedeni ile oluşmaktadır. Kanalizasyonlara akıtılan ve fabrikalardan boşaltılan, kimyasallar içeren atık sular büyük bir su kirliliği kaynağıdır. Dünya her yıl milyarlarca ton endüstriyel atık üretir ve bunların çoğu nehirlere, okyanuslara ve diğer su kaynaklarına dökülür. Bu gerçekler, su kaynaklarındaki kirliliğin izlenmesinin ve kontrol edilmesinin gün geçtikçe daha da önem arz ettiğini göstermektedir. Bu nedenle bu tez çalışmasında sıvı ortamda çalışarak, istenen kimyasalların tespit edilmesini hedefleyen bir sensör sistemi tasarımı gerçekleştirilmiştir.
 Bu çalışmada, kuvars kristal mikrobalans (Quartz Crystal Microbalance - QCM) sensör dizisine dayanan bir elektronik dil tasarlanmış ve sensör verilerinin analizi için yapay sinir ağı kullanılmıştır. Bu bağlamda, kimyasal sensör olarak, üç farklı ftalosiyanin ile kaplı QCM kristalleri sıvı ortamdaki toksik kimyasalları ayırt etmek için kullanılmıştır. Sensörlerin hazırlanması için püskürtme (air-brush) tekniğine dayalı, otomatik bir kaplama cihazı geliştirilmiştir. Kaplama cihazında kullanılan osilatör devresinin ve ölçüm sisteminde yer alan sensör dizisindeki diğer osilatör devrelerinin gürültü seviyelerini ve karşılıklı etkileşimlerini en aza indirmek için bu devreler optimize edilmiştir. Verilerin toplanmasından ve saklanmasından, bilgisayarla iletişimden sorumlu olan ölçüm sistemi, alanda programlanabilir kapı dizileri (Field Programmable Gate Array - FPGA) tabanlı kontrol ünitesinden oluşmaktadır. Ölçüm sistemi, sensör dizisinden eğitim verilerini toplar ve ardından MATLAB programında yazılmış olan bir uygulama ile numune sıvısındaki zehirli kimyasalların oranları tespit eder. Ölçüm sistemi üç farklı toksik kimyasal için test edilmiştir ve bunları tahminindeki ortalama başarı oranı% 4.08 olarak bulunmuştur. İstenen kimyasal malzemeler de, önerilen elektronik dil sistemi ile gerekli sensör dizisinin hazırlanması durumunda tespit edilebilir.

Abstract:
Nowadays clean water resources are rapidly being reduced around the world. Unfortunately, most pollution is caused by human activities, and a major part of them consists of developing industries. Waste water which contains chemicals washed down drains and discharged from factories is a huge source of water pollution. The world generates billions of tons industrial waste, much of which is pumped untreated into rivers, oceans, and other waterways each year. These facts show that monitoring and controlling pollution in water sources become important day by day. For this reason, in this thesis, a sensor system design which aims to detect the desired chemicals by employing in liquid media has been realized.
 In this study, an electronic tongue based on quartz crystal microbalance (QCM) sensor array was designed and the methods for sensor data analysis were described. In this regard, as chemical sensors, QCM crystals coated with three different phthalocyanines were employed to discriminate toxic chemicals in liquid media. For sensors preparation, an automatic coating instrument was developed based on the airbrush technique. The oscillator circuits used in the coating instrument and measurement setup were optimized to minimize the noise and mutual interference of the other oscillator circuits in the sensor array. The designed measurement system, which was responsible for collecting and storing data, communicating with a computer, consisted of a field programmable gate array (FPGA) based control unit. The measurement system collected training data from the sensor array, and then a computer application using MATLAB used an ANN to find the composition of toxic chemicals in the sample water. The measurement system was tested for three different toxic chemicals, and the average success rate in predicting them was 4.08%. The desired chemicals can be detectable by preparing the necessary sensor array with the proposed electronic tongue.