Üç eksenli yer değiştirme ölçümü için fiber optik algılayıcı geliştirilmesi
Development of a fiber optic sensor for triaxial displacement measurement
Yazar: YUNUS GÖRKEM
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞEKİP ESAT HAYBER
Kırşehir Ahi Evran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hareket sensörleri = Motion sensors ; Optik algılayıcılar = Optical sensors ; Optik sensörler = Optical sensors ; Yer değiştirme = Displacement

Özet:
Hareket algılayıcı sistemlerin tasarımında araştırmacılar, genellikle mekanik prensiplere veya elektromanyetik indüksiyon prensibine dayanan ölçümler üzerine çalışmalar yapmışlardır. Ancak mikrometre boyutunda yer değiştirme ölçmek gerektiğinde hassasiyet son derece düşük olabilmektedir. Ayrıca tespit edilen hareketlerin okunması için ölçüm yapılan bölgeye gidilerek metre, kumpas, mikrometre gibi mesafe ölçerlerle hareket tespitini manuel olarak yapmak gerekir. Oysa pek çok önemli alanda anlık ölçümlerle yer değiştirmeyi algılamak ve elde edilen verileri hızlı bir şekilde dijital ortama aktararak anlamlandırmak avantaj sağlar. Bu sebeple araştırmacılar yer değiştirme ölçümü için elektriksel çözümler üzerine de çalışmışlardır. Ancak bu yapılar elektromanyetik girişime karşı duyarlı yapılardır.
Literatürde ve uygulamada sıklıkla haberleşme amacıyla kullanılan fiber optik teknolojisi, son yıllarda algılayıcı yapıların tasarımında da kendine etkin bir faaliyet alanı bulmuştur. Fiber optik algılayıcılar, geleneksel yöntemlere göre daha fazla hassasiyet sağlarlar. Aynı zamanda yapısal özellikleri bakımından mevcut sistemlere uyarlanabilme kabiliyetleri oldukça yüksektir. Fiber optik algılayıcılar, elektriksel ve manyetik olarak yalıtkan cihazlar oldukları için yüksek voltaj, yüksek sıcaklık veya aşındırıcı ortamlarda kullanılabilirler. Bu özelliklerinin yanında; fiber optik algılayıcılar, iletişim sistemleriyle uyumludur ve uzaktan algılama gerçekleştirebilirler.
Bu çalışmada, basit tasarımlı, düşük maliyetli, yüksek hassasiyetli, x-y-z eksenlerindeki hareketleri algılayarak online olarak bildirebilen fiber optik üç boyutlu hareket algılayıcı tasarlanmış, geliştirilmiş ve gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan ve imal edilen üç boyutlu hareket mekanizmasının her üç ekseni üzerine yerleştirilen POF kuplörler yardımıyla ışık kaynağı ve dedektör arasındaki iletişim sağlanmıştır. Önerilen algılayıcı sistemi, yansıma ilkesine bağlı olarak ışığın genliğinde meydana gelen değişikliklerin analizine dayanmaktadır. Böylelikle geliştirilen algılayıcıyla yer değiştirmenin büyüklüğü ve yönü tayin edilebilmiştir. Bu veriler, mikroişlemciyle tasarlanan devre ve uygun yazılımlarla anlamlı bilgilere dönüştürülmüş ve bilgisayar ekranına anlık olarak aktarılarak online izlemeye imkan tanınmıştır. Yapılan tekrarlı ölçümler neticesinde algılayıcı düzeneği, hareketin oluşmasını ve hareketin yönünü üç boyutlu olarak doğru bir şekilde tespit edebilmiştir.

Abstract:
In designing motion-sensing systems, researchers have generally worked on measurements based on mechanical principles or the electromagnetic induction principle. However, the sensitivity can be extremely low when it is necessary to measure displacement at the micrometer scale. In addition, to read the detected movements, it is necessary to go to the measurement area and manually detect the movement with distance meters such as meters, caliper, and micrometer. However, it is advantageous to detect the movement of displacement with instant measurements in many vital areas and make sense of the obtained data by quickly transferring it to the digital environment. For this reason, researchers have also studied electrical solutions for displacement measurement. However, these structures are sensitive to electromagnetic interference.
Fiber optic technology, frequently used for communication in literature and practice, has also found an effective field of activity in designing sensor structures in recent years. Fiber optic sensors provide greater sensitivity than conventional methods. At the same time, their adaptability to existing systems is relatively high in terms of their structural features. Because fiber optic sensors are electrically and magnetically insulating devices, they can be used in high voltage, high temperature, or corrosive environments. Besides these features, fiber optic sensors are compatible with communication systems and can perform remote sensing.
In this study, a simple-designed, low-cost, high-precision fiber optic three-dimensional motion detector, which can detect and report the movements in the x-y-z axes online, was designed, developed, and realized. The communication between the light source and the detector is provided with the help of plastic optical fiber couplers placed on all three axes of the designed and manufactured three-dimensional movement mechanism. The proposed sensor system is based on the analysis of changes in light amplitude due to the reflection principle. Thus, the magnitude and direction of the displacement could be determined with the developed sensor. This data has been transformed into meaningful information with the circuit designed with a microprocessor and appropriate software, and it has been transferred to the computer screen instantly, allowing online monitoring. As a result of repeated measurements, the sensor assembly could accurately detect the occurrence of motion and the direction of motion in three dimensions.