Bir cam yüzey arkasındaki cismin sıcaklığının ölçümü için makine öğrenmesi yöntemleri kullanan sensör tabanlı bir ölçüm sistemi tasarımı /
Yazar: MUHAMMED YUSUF APAYDIN
Danışman: PROF. DR. AHMET FEVZİ BABA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Geçmişte yapılan çalışmalar sayesinde mutlak sıfır koşulları haricindeki ortamlarda bulunan madde ya da cisimlerde meydana gelen reaksiyonlar sonucu, farklı dalga boylarında ışımaların oluştuğu fark edilmiştir. Reaksiyonlar sonucu oluşan bu ışımalardan biri olan kızılötesi ışınımdan geçmişten günümüze iletişim, ısınma, gece görüşü, mesafe ölçümü gibi farklı amaçlarla yararlanılmıştır. İlerleyen teknoloji ve gelişen üretim yöntemleri sayesinde, kızılötesi ışımaların algılanması amacıyla tasarlanan sensörlerde de son yıllarda teknik anlamda hayli mesafe kat edilmiştir. Maliyetlerinin azalmasına rağmen kabiliyetlerinin artması sebebiyle kızılötesi sensörler hareket, mesafe ya da sıcaklık ölçümü gibi amaçlarla pek çok sektörde kullanılmaya başlanmıştır. Sensörlerin kullanım alanlarının farklılaşması ve artması bu alanda emisivite, gürültüden etkilenme, geçirgenlik gibi farklı problemlerin ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Ortaya çıkan bu teknik problemlerin çözümü, algılama yöntemlerinin yaygınlaşmasının önündeki bir problem olarak ayrıca önem kazanmıştır. Mevcut problemlerden emisivite; cisimlerin yaptıkları ışımaların, cisimlerin malzeme yapısından ve fiziksel formundan kaynaklı olarak, sensörler tarafından siyah cisim ışımalarındaki gibi standart olarak algılanamamasını belirtmektedir. Geçirgenlik problemi, bir cismin oluşturduğu ışımanın bir cam yüzey tarafından kısmi olarak geçirilirken kısmi olarak soğurulması ya da yansıtılması durumunu ifade etmektedir. Son olarak gürültüden etkilenme problemi ise ışımanın sensörler tarafından algılanması esnasında anlık ya da sürekli olarak oluşabilecek elektriksel, optik ya da çevresel bozucu etkileri tanımlamaktadır. Yapılacak çalışmada, kızılötesi bir sıcaklık sensörü aracılığıyla gerçekleştirilecek ölçümler için ortaya çıkabilecek bu problemlerin etkilerinin, makine öğrenmesi yöntemleri ile en aza indirgenmesi amaçlanacaktır. Bu kapsamda çalışmalar; literatür taraması ile başlatılarak deney seti için gerekli sensör bileşenlerinin ön testlerin sonucuna göre belirlenmesi ve ilgili deney setinin oluşturulması ile devam ettirilecektir. Deney seti, gerekli olan ölçüm ve filtreleme algoritmaları da kullanılarak oluşturulduktan sonra, başlangıçta saptanan problemlerin çözülebilmesi amacıyla veri toplama çalışmalarına başlanacaktır. Veri toplama işlemleri tamamlandıktan sonra sürece, veri analizi ve son prototip için makine öğrenmesi tabanlı algoritma geliştirme çalışmaları ile devam edilecektir. Bu esnada, son prototip için yapılması düşünülen mekanik kılıf ve ara yüz tasarımları ile elektronik kart tasarımları gerçekleştirilecektir. Test, doğrulama ve iyileştirme çalışmaları sonrasında prototipe son hali verilerek çalışmalar tamamlanacaktır.
Yapılan çalışmalar sonucunda, belirli dalga boyundaki sinyaller için geçirgenlik sağlayan bir cam yüzeyin arkasında uygun bir mesafede bulunan cismin yüzey sıcaklığının, temassız olarak ölçümlenebilmesi amacıyla bir ölçüm sistemi tasarlanmış, tasarlanan ölçüm sisteminin eğitim ve algoritma çalışmaları, makine öğrenmesi yöntemleri kullanılarak yürütülmüştür. Bu süreç kapsamında çeşitli koşullar altında yapılan test, analiz ve doğrulama çalışmalarıyla, geliştirilen ölçüm sistemine ait performans değerlendirilmeleri sonucunda, gerekli optimizasyon ve iyileştirme işlemleri de gerçekleştirilerek ölçüm sistemi tasarımı tamamlanmıştır.

Abstract:
Owing to the studies conducted in the past, it has been noticed that as a result of reactions occurring in substances or objects in environments other than absolute zero conditions, irradiations of different wavelengths are formed. Infrared radiation, which is one of these radiations as a result of reactions, has been utilized for different purposes such as communication, heating, night vision and distance measurement. Thanks to advancing technology and developing production methods, sensors designed for the detection of infrared rays haves achieved considerable technical progress in recent years. Infrared sensors have been used in many sectors for movement, distance or temperature measurement due to their ability to increase despite their reduced costs. The differentiation of the application areas of the sensors has led to different problems such as emissivity, noise impact and permeability. Emissivity of these problems; It states that the irradiation of objects cannot be perceived as standard by sensors due to the material structure and physical form of the objects, as in black body irradiation. The problem of permeability refers to the fact that the radiation generated by an object is partially absorbed or reflected by a glass surface while it is partially passed through. Finally, the problem of being affected by noise describes the electrical, optical or environmental disturbance effects that may occur instantaneously or continuously during the detection of radiation by sensors. In this study, it is aimed to minimize the effects of these problems that may arise for measurements to be realized by infrared temperature sensor by means of machine learning methods. In this context; will be carried on with the literature search by determining the required sensor components for the test set according to the results of the pre-tests and creating the related test set. After the experimental set has been formed by using the required measurement and filtering algorithms, data collection studies will be started in order to solve the problems identified initially. As long as the data collection process is completed, the machine learning-based algorithm development work for data analysis and final prototype will be continued. In the meantime, mechanical sheath and interface designs and electronic card designs will be realized for the last prototype. After the test and improvement works, the prototype will be finalized and the studies will be completed.
As a result of the studies, a measurement system was designed in order to measure the surface temperature of the object located at a suitable distance behind a glass surface that provides transmittance for certain wavelengths without contact, and the training and algorithm studies of the designed measurement system were carried out using machine learning methods. Within the scope of this process, as a result of the evaluation of the performance of the developed measurement system with the tests, analysis and verification studies carried out under various conditions, the necessary optimization and improvement processes were also completed and the measurement system design was completed.