Ses ötesi yöntem kullanılarak bir kalınlık ölçüm sisteminin gerçeklenmesi
Implementation of the thickness measurement system using the ultrasonic method
Yazar: FURKAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. AHMET KOYUN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, kalınlık ölçüm yöntemlerinin genel bir değerlendirmesi yapılmış ve optik, manyetik, ses ötesi ve elektromanyetik yöntemler karşılaştırılmıştır. Ses ötesi yöntemlerin üstünlükleri ve uygulama alanları detaylı bir şekilde ele alınmıştır.

Ses dalgalarının temel ilkeleri, frekans, periyot ve dalga boyu kavramları, dalga yayılımı ve parçacık hareketleri gibi konular açıklanmıştır. Ses ötesi sinyallerin üretilmesi ve bu sinyallerin malzeme içerisindeki ilerleyişi, yansıması, soğurulması ve saçılması ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bu kapsamda, dönüştürücülerin fiziksel yapısı ve çalışma prensipleri ile ölçüm teknikleri gibi tahribatsız inceleme yöntemleri de ele alınarak ses ötesi test yöntemlerinin süreksizlik tespitindeki hassasiyeti ve çözünürlüğü analiz edilmiştir.

Kalınlık ölçüm sistemi tasarımı için yapılan benzetim çalışmaları, tezin önemli bulguları arasında yer almaktadır. Bu çalışmalarda, kullanılan dönüştürücülerin seçimi, darbe ve yankı birimlerinin modellenmesi, sinyal işleme algoritmalarının geliştirilmesi ve veri işleme biriminin tasarımı konularında detaylı anlatımlar gerçekleştirilmiştir. Benzetim sonuçları ile yüksek hassasiyetli ve güvenilir ölçümler sağlayacak bir ses ötesi kalınlık ölçüm sistemi için uygun dönüştürücülerin seçiminde dikkat edilmesi gereken noktaları ortaya konmuştur.

Güç birimi, darbe ve yankı birimi, dönüştürücü birimi, veri işleme birimi, bileşenlerinden oluşan sistemde, güç birimi harici bir kaynaktan gelen gerilimi, gerilim ayarlayıcılar ile sisteme uygun duruma getirir. Darbe ve yankı birimi, ses ötesi sistemin çalışabilmesi için ters piezoelektrik olayı gerçekleştiren darbeler üreten ve ters piezoelektrik olay ile üretilen ses dalgalarının yansımalarını piezoelektrik olay ile elektrik sinyaline çeviren bir elektronik devre birimidir. Bu devre, belirli aralıklarla darbeler göndererek sistemin sürekli çalışmasını sağlar. Birim içerisinde elektrik sinyallerinin zayıflamasına karşılık yükseltici birimler kullanılmıştır. Yansıyan ses dalgalarından elde edilen sinyallerin analiz edilmesinde ve malzeme kalınlığının hesaplanmasında veri işleme birimi olarak bilgisayar ortamı kullanılmıştır.

Sonuç olarak, bu tezde pahalı ses ötesi sistemlere karşı uygun maliyetli, yüksek kabul edilebilir düzeyde bir kalınlık ölçüm sistemin gerçekleştirilmesi sağlanmıştır. Geliştirilen cihaz, araştırma projelerinde kullanılabileceği gibi sistemsel geliştirmelerinin endüstriyel seviyeye yükseltilmesi durumunda üretim anında ve laboratuvar ortamlarında kalite kontrol süreçleri için de kullanılabilir duruma getirilebilir. Bu çalışma, ses ötesi yöntemlerin sistem tanımlamalarının yapıldığı, özelliklerinin anlatıldığı bir çalışma olarak gelecekteki araştırmalar ve uygulamalar için de bir araştırma ve ön bilgi kaynağı olma özelliğini taşımaktadır.

Abstract:
In this thesis, a general evaluation of thickness measurement methods was made and optical, magnetic, ultrasound and electromagnetic methods were compared. The advantages and application areas of ultrasound methods were discussed in detail.

The basic principles of sound waves, the concepts of frequency, period and wavelength, wave propagation and particle movements are explained. The production of ultrasound signals and the propagation, reflection, absorption and scattering of these signals in the material are examined in detail. In this context, the physical structure and working principles of the transducers and non-destructive inspection methods such as measurement techniques are also discussed and the sensitivity and resolution of ultrasound testing methods in detecting defects are analyzed.

Simulation studies conducted for the thickness measurement system design are among the important findings of the thesis. In these studies, detailed explanations were made on the selection of the transducers used, modeling of the pulse and echo units, development of signal processing algorithms and design of the data processing unit. The simulation results revealed the points to be considered in the selection of suitable transducers for an ultrasound thickness measurement system that will provide high precision and reliable measurements.

In the system consisting of power unit, pulse and echo unit, converter unit, data processing unit, the power unit adjusts the voltage coming from an external source to the system with voltage regulators. Pulse and echo unit is an electronic circuit unit that produces pulses that perform the reverse piezoelectric effect for the operation of the ultrasound system and converts the reflections of sound waves produced by the reverse piezoelectric effect into electrical signals with the piezoelectric effect. This circuit ensures the continuous operation of the system by sending pulses at certain intervals. Amplifier units are used in the unit against the weakening of electrical signals. A computer environment is used as the data processing unit in the analysis of the signals obtained from the reflected sound waves and in the calculation of the material thickness.

As a result, in this thesis, a cost-effective, highly acceptable thickness measurement system has been realized against expensive ultrasound systems. The developed device can be used in research projects, and if its system developments are upgraded to industrial levels, it can also be used for quality control processes during production and in laboratory environments. This study, as a study in which system definitions of ultrasound methods are made and their features are explained, also has the feature of being a research and preliminary information source for future research and applications.