ARAŞTIRMA PROJESİ. Betonarme ve Tarihi Yapılardaki Yıpranmaların Fiber Optik Sensörlerle Tespiti Konulu Akademik Araştırmanın SONUÇ RAPORU

Transkript

1 ARAŞTIRMA PROJESİ Betonarme ve Tarihi Yapılardaki Yıpranmaların Fiber Optik Sensörlerle Tespiti Konulu Akademik Araştırmanın SONUÇ RAPORU Prof. Dr. Kemal FİDANBOYLU Fatih Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Eylül İstanbul. Bu araştırma projesi Projem İstanbul kapsamında İstanbul Büyükşehir Belediyesi tarafından hazırlatılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve araştırmacının yazılı izni olmadan çoğaltılamaz ve kopyalanamaz.

2 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER...1 ŞEKİLLERL İSTESİ...2 BÖLÜM 1 GİRİŞ...4 BÖLÜM 2 TEORİK BİLGİ VE LİTERATÜR TARAMASI MODLARIN GÜÇ DAĞILIMI TEKNİĞİ MİKROKIVRIM SENSÖR TEKNİĞİ DALGABOYU VE FAZ MODÜLELİ SİSTEMLER...11 BÖLÜM 3 LABORATUVAR KURULUMU VE EKİPMANLAR...17 BÖLÜM 4 DENEYSEL SONUÇLAR MİKROKIVRIM SENSÖR TEKNİĞİ FİBER OPTİK MODLARIN GÜÇ DAĞILIMI SENSÖR TEKNİĞİ Gerginlik Deneyi Stres Deneyi SİSTEMİN PROTOTİP OLARAK PRATİKTE UYGULANACAK HALE GETİRİLMESİ...35

3 BÖLÜM 5 SONUÇ VE ÖNERİLER REFERANSLAR...40

4 ŞEKİLLLER LİSTESİ Şekil 2.1 Çok modlu fiber içindeki ışığın propagasyonu...8 Şekil 2.2 Kaynaktan çıkan ışığın fiberden geçerek ışık örüntüsü oluşturması...8 Şekil 2.3 Modların güç dağılımı düzeneğin blok diyagramı....8 Şekil 2.4 Akıllı yapı uygulamasının uzak alan örüntünün iki boyutlu yatay şiddet profilleri. (a) Dış stres yokken (b) S1 stresi altında (c) S2 stresi altında (d) S3 stresi altında (S3 > S2 > S1 )....9 Şekil 2.5 Mikro kıvrım fiber optik sensörünün şematik diyagramı Şekil 2.6 Fiber optik mikro kıvrım sensörü düzeneği diyagramı Şekil 2.7 Fiber Bragg Grating de iletim ve yansıma spektrumu...12 Şekil 2.8 Horsetail Falls Köprüsü Şekil 2.9 Horsetail Falls Köprüsüne yerleştirilmiş sensörler...13 Şekil 2.10 Horsetail Falls Köprüsünden alınan dinamik veriler Şekil 2.11 Demodülasyon sistemi...14 Şekil 2.12 SOFO sistem düzeneği Şekil 2.13 SOFO fiber optik deformasyon sensörü...15 Şekil 2.14 Çatlaklardaki sensör yerleşimleri...16 Şekil 2.15 Kubbenin altına ve üstüne döşenmiş sensörler Şekil 3.1 (a)-(e) Proje kapsamında kurulan fiber optik ve fotonik araştırma laboratuvarından görüntüler...19 Şekil 3.2 (a)-(q) Laboratuvar ekipmanları Şekil 4.1 Fiber optik mikrokıvrım sensörü düzeneği...22 Şekil 4.2 Fiber optik mikrokıvrım sensörü düzeneği diyagramı Şekil 4.3 Mikrokıvrım sensör sisteminde algılayıcı bölüm...23 Şekil 4.4 mm kalınlık 16, 18 ve 20mm aralıklı tek dişli ile yapılan deney sonuçları...24 Şekil mm kalınlık 16, 18 ve 20mm aralıklı iki dişli ile yapılan deney sonuçları..24 Şekil mm kalınlık 24, 26 ve 28 mm aralıklı üç dişli ile yapılan deney sonuçları25 Şekil 4.7 Gerginlik ölçümü deney düzeneği Şekil 4.8 Gerginlik ölçümü deney düzeneği diyagramı....26

5 Şekil 4.9 Gerginlik deneyinde algılayıcı kısım...27 Şekil 4.10 Farklı ağırlıklar için fiber çıkışında oluşan halka şekilleri...28 Şekil 4.11 Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (güç ölçer)...28 Şekil 4.12 Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (CCD kamera) Şekil 4.13 Halka şekli üzerinde seçilmiş sanal sensör yerleri Şekil 4.14 CCD kamera ve güç ölçer ölçümlerinin karşılaştırılması (9.81 N)...30 Şekil 4.15 CCD kamera ve güç ölçer ölçümlerinin karşılaştırılması (19.62 N)...30 Şekil 4.16 Stres ölçümü deney düzeneği...31 Şekil 4.17 Stres ölçümü deney düzeneği diyagramı Şekil 4.18 Stress deneyi için algılayıcı kısım...32 Şekil 4.19 Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (güç ölçer)...32 Şekil 4.20 Farklı kuvvetler için fiber çıkışında oluşan halka şekilleri Şekil 4.21 Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (CCD kamera) Şekil 4.22 Halka şekli üzerinde seçilmiş sanal sensör yerleri Şekil 4.23 CCD kamera ve güç ölçer ölçümlerinin karşılaştırılması (58.37 N)...35 Şekil 4.24 CCD kamera ve güç ölçer ölçümlerinin karşılaştırılması (86.61 N)...35 Şekil 4.25 Fiber optik sensör sistemi prototipi (saha uygulaması için)...36 Şekil 4.26 Fiber kabloya ağırlık uygulanması...36 Şekil 4.27 Fotodiyot çıkışındaki gerilimin ağırlık (kuvvet) arttıkça değişimi...37

6 BÖLÜM 1 GİRİŞ Yapıların yerinde gözlenmesinin emniyeti arttırması ve maliyetleri düşürmesi nedeniyle, akıllı yapılardaki durum gözlemleri gittikçe önem kazanmaktadır. Yapısal gözleme fiber optik sensörler mükemmel bir olanak sağlamaktadırlar. Bu tip fiber optik sensörlerle gerçekleştirilen düzenekler literatürde akıllı yapılar (smart structures) olarak adlandırılmaktadır. Fiber optik sensörlerin geleneksel sensörlere göre boyut, ağırlık, elektromanyetik girişime karşı duyarsız olma ve materyallere entegre edilebilme gibi avantajları yaygın bir şekilde kullanılmasında önemli rol oynamaktadır. Avantajlarının yanında; yakın geçmişte olan gelişmeler ve fiyat düşümleri fiber optik sensörlere olan ilgiyi arttırmıştır. Böylece, araştırmacılar fiber optik telekomünikasyon ürünlerindeki gelişmeleri optoelektronik teçhizatlarla birleştirerek fiber optik sensörleri oluşturmuşlardır. Son on yıllık zaman diliminde farklı teknikler kullanılarak fiber optik sensörler hakkında birçok araştırmalar yapılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi Projem İstanbul proje desteği kapsamında gerçekleştirilen Betonarme ve Tarihi Yapılardaki Yıpranmaların Fiber Optik Sensörlerle Tesbiti konulu proje, betonarme ve tarihi yapılardaki çatlak, hasar gibi yapılara zarar veren yıpranmaların fiber optik sensör düzenekleri kullanılarak elektroniksel olarak gözlemlemek ve aksaklıkların erken tesbit edilerek gerekli önlemlerin alınmasını sağlayan bir düzeneği oluşturabilmektir. Projede amaçlanan esas nokta maddi ve manevi açıdan büyük önem taşıyan yapıların ileri teknoloji ürünü sistemler kullanarak korunmasına yardımcı olacak sistemlerin geliştirilmesine katkısağlamaktır. Proje; sensör sisteminin teorisinin geliştirilmesi, teorik çalışmalar ile birlikte düzeneğimizin test ve analizlerinin yapılması için gerekli laboratuvar şartlarının oluşturulması, kurulan laboratuvar ortamında deney ve ölçümlerin yapılması, laboratuvarda test edilmiş sistemin yapılarda pratik olarak kullanılmaya hazır hale getirilmesi olmak üzere dört safhaya bölünmüş ve çalışmalar bu sıralama ve kapsamda yapılmıştır. Yapılan çalışmalar hakkında İstanbul Büyükşehir Belediyesi ne farklızamanlarda iki ara rapor sunulmuştur. Verilen iki ara raporda projenin ilk üç safhasıhakkında bilgilendirme yapılmıştır. Sonuç raporunda ilk üç safha ile birlikte dördüncü safhadan bahsedilecek ve eski raporları da kapsayacak şekilde bir sonuç raporu oluşturulacaktır.

7 Bu bağlamda sonuç raporu beş kısıma bölünmüştür. Bölüm 1 giriş kısmı olup projenin amacı ve kapsamı, projede neden fiber optik sensörlerin kullanıldığı ve raporun organizasyonu hakkında bilgi verilmiştir. Bölüm 2 de projenin ilk safhasında gerçekleştirilen çalışmalar kapsamında başta fiber optik sensörlerlerde mikrokıvrım sensör tekniği ve modların gücünün dağılımıteknikleri olmak üzere diğer yaygın kullanılan teknikler hakkında teorik bilgiler verilmiş ve literatürde yapılan bazı çalışmalardan örneklerle bahsedilmiştir. Projenin üçüncü safhasının bir parçası olan deney ve testlerin yapılabilmesi için gerekli laboratuvarın oluşturulması ve laboratuvardaki teçhizatlar hakkındaki bilgi Bölüm 3 te verilmiştir. Bölüm 4 te projenin üçüncü safhasının bir diğer parçası olan mikrokıvrım tekniği ve modların güç dağılımı tekniği ile gerçekleştirilen test ve deneylerin sonuçlarıverilmiştir. Bununla birlikte projenin son safhası olan sensör sisteminin sahada pratik olarak uygulanabilecek bir hale getirilmesi için yapılmış düzenek ve düzenek ile yapılmış deney sonuçları Bölüm 4 te bahsedilmiştir. verilmiştir. Bölüm 5 te proje ile ilgili sonuç ve gelecekte yapılabilecek çalışmalar ile ilgili öneriler Bu çalışma İstanbul Büyükşehir Belediyesi Strateji Geliştirme Daire Başkanlığının sağlamış olduğu proje desteği ile yürütülmüştür. Bu bakımdan İstanbul Büyükşehir Belediyesi Stratejik Planlama Dairesi yetkililerine teşekkür etmeyi bir borç biliriz. Bu projenin gerçekleşmesi için her safhada büyük emekleri geçen Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Doç. Dr. Onur TOKER, Araş. Gör. Hasan Seçkin EFENDİOĞLU ve Yüksek Lisans öğrencisi Mehmet Enis EŞEN e ayrıca çok teşekkür ederiz.

8 BÖLÜM 2 TEORİK BİLGİ VE LİTERATÜR TARAMASI Fiber optik sensörler sağlamlık, küçük boyutlu olma, düşük kayıp, düşük ağırlık, dış etkilere ve elektriksel gürültüye duyarsız olma gibi bir çok özellikleri nedeniyle yapıların uzun veya kısa süreli durum gözlemlerinde ideal sistemlerdir. Köprüler, limanlar, barajlar, tüneller, yollar, yüksek katlı binalar ve tarihi eserler üzerinde bu çalışmalar uygulanmıştır. İlk olarak proje kapsamaında kullanılan iki teknik olan modların güç dağılımı tekniği ile mikrokıvrım sensör tekniği hakkında bilgiler verilecek, daha sonra yaygın olarak kullanılan önemli diğer teknikler hakkında bilgiler verilecektir. Bütçe imkanları ile birlikte mikro kıvrım ve modların güç dağılımı tekniklerinin betonarme yapı ve tarihi bina uygulamasının yapılmamış olması bu teknikler ile ilgili deneylere yönelinmesinin sebebidir. 2.1 MODLARIN GÜÇ DAĞILIMI TEKNİĞİ Fiber optik sinyaller fiber çıkışında bir patern oluşturacak şekilde fiber içinde dıştabakasındaki sınır koşulları ve fiberin şekline göre hareket ederler (Şekil 2.1). Fibere dış bir etki uygulandığında, fiberin merkezindeki çekirdek kısmı ile onun dış tabakasıarasındaki sınır koşulları değişir. Bu değişim modların güç modülasyonu ile sonuçlanan modlar arası bir güç kuplajına neden olur. Fibere bir kaynaktan ışıma yapıldığında gerekli şartlarda fiber çıkışında bir halka şekli (paterni) oluşturulabilir (Şekil 2.2). Bu halka şeklindeki ışık şiddeti değişimin iki boyutlu analizi modların güç dağılımıtekniğinde kullanılır. Etkiden önce ve sonraki halka üzerindeki ışık şiddeti değişimlerinin karşılaştırılmasının yapılması fotodedektör veya CCD kamera kullanılarak gerçekleştirilebilir. Böylece dışarıdan uygulanan mekanik kuvvetler hassas bir şekilde ölçülebilir [1].

9 Modların güç dağılımının ölçülebilmesi için oluşturulabilecek sistemin genel hatlarışekil 2.3 de şematize edilmiştir. Bu düzenek lazer veya LED lerden oluşan bir ışık kaynağı, akıllı yapının bulunduğu dış etkinin yapıldığı kısım, yüksek çözünürlük ve hassasiyette bir CCD kamera veya fotodedektör, görüntü işlemenin yapıldığı bilgisayar bulunan çıkış kısmı gibi bölümlerden oluşur [2]. Dış etki sonucunda sınır koşullarının değişmesi ile uzaysal şiddet modulasyonun gerçekleşmesi çekirdek veya kılıfta kırılım indeksi, dalga kılavuzunun geometrisi ve fiberin temas yüzey uzunluğunun değişmesi gibi etkiler oluşturur. Bu etkiler uzaysal şiddet modulasyonu ile sonuçlanır ve ışık şiddetindeki bu değişmeler analiz edilerek dışetkiler ölçülebilir [3]. Bu teknikte diğer tekniklerden farklı olarak lazer kaynağı yerine bir LED ve CCD kamera yerine bir veya daha fazla fotodedektör kullanılabileceğinden diğer tekniklere göre ucuz bir yöntemdir. Aşağıdaki Şekil 2.4 te betonarme olmayan fakat başka bir akıllı yapıuygulamısında modların güç dağılımı tekniği uygulanması sonucunda uzak alan örüntülerdeki değişimler fiber çıkışındaki gözlenmiştir. Uzak alan örüntünün iki boyutlu yatay şiddet profilleri Şekil 2.4 te gösterilmiştir. Şekil 2.4 (a) seçeneğinde hiç bir dışstres yoktur (b) seçeneğinden (d) ye kadar artan büyüklükte bir dış stres uygulanmış ve çıkış CCD kamera ile analiz edilerek uzaysal şiddet görüntü işleme teknikleri kullanarak ölçülmüştür [1].

10 2.2 MİKROKIVRIM SENSÖR TEKNİĞİ Fiber optik mikro kıvrım sensörleri teorisi, iki tırtıklı yüzey arasına yerleştirilmişfiber optik kablodaki mikro kıvrım kaybı üzerine kuruludur. Işık fiber boyunca ilerlerken kıvrım bölgelerinde ışık kayıpları meydana gelir. Fiberdeki mikro kıvrım kaybı, fiber kıvrım genliği ve mekanik dalgaboyu fonksiyonudur. Mikro kıvrım yöntemi Şekil 2.5 te temel olarak gösterilmiştir. Mikrokıvrım sensörü temelde fiber optikteki kayıp mekanizmasına dayanmaktadır. Bu mekanizmada fiber kablonun eğilmesi, bükülmesi ve kıvrılmasıdurumunda fiberde iki farklı kırılma indeksine sahip katmanlar arasında yansıyarak yol alan ışık yansıma açısının değişmesiyle dış katmandan yansıyarak ışık gücünde kayba neden olur. Bu mekanizmayı sensöre uyarladığımızda mikrokıvrım sensörü ortaya çıkmaktadır. Sensör sistemimiz üç ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar ışık kaynağı, algılama bölümü ve çıkış gücü ölçümüdür [4]. Mikro kıvrım gerilim sensöründe mekanik algılayıcı kısım, elastik, üzerinde çok sayıda

11 dişleri olan ark diyagramışeklinde bir elemandır. Diyagramın her iki sonuda sensörün alttaki yüzeyine sabitlenmiştir. Bu yüzeyde yapıya bağlı olduğundan oluşan gerilim hareketlerinden eşit şekilde etkilenir. Algılayıcı fiber optik dişlerin arasına yerleştirilir. Optik fiberdeki mikro kıvrım kaybı hassas bir fonksiyondan oluşmaktadır. Bu fonksiyonda birbirinden bağımsız dişler arasındaki bölgede oluşan sinüs kıvrım genliğinden oluşur. Uzun süre gerilim etkisi altında, elastik diyagramın iki ucunda gerilim yönünde belli bir yer değişimi oluşur. Bu da diyagramın ark yüksekliğini değiştirir. Bu yüzden diş aralığı diyagramın ark yüksekliğiyle beraber değişir. Bu da fiberde mikro kıvrım modülasyonuna ve kayıba neden olur. Yapısal gerilim fiberden çıkan ışık gücü şiddetinin gözlemlenmesiyle ölçülür [4]. Mikro kıvrım sensörünü lazer kaynağından verilen ışığın mercekte fokuslandıktan sonra özel hazırlanmış iki yüzey arasına yerleştirilmiş fiberden geçirilerek bir foto sensör yardımıyla çıkışı alınabilir. Fiberin bulunduğu yüzeye yapılacak basınçta optik güç göstericiden gözlemlenebilir. Bu düzeneyin diyagramışekil 2.6 da belirtilmektedir. Mikro kıvrım yönetimi ışık şiddetinin değişiminin gözlenmesine dayanan ışık modüleli bir yöntemdir [5]. 2.3 DALGABOYU VE FAZ MODÜLELİ SİSTEMLER Dalgaboyu modüleli sensörlerin en çok kullanılan sensör tiplerinden biri fiber Bragg grating (ızgara) sensördür. Bragg gratingler fiberin çekirdek kısmına yüksek şiddette UV ışık gönderilerek oluşturulan kırılım indeksleri farklı bölgelerdir. Birbiri ardı gelen bu şekildeki farklı kırılım indeksine sahip bölgeler ızgara gibi davranarak, fiber içinde yayılmakta olan ışık buraya çarparak buradan belli bir dalga boyunda (λ) yansır (Şekil 2.7). Burada oluşturulan ızgara şekilli çizgiler dalga boyu duyarlı bir filtre gibi davranarak belli bir dalga boyunda ışığı yansıtır. Bu yansıyan dalga boyu: λ = 2nΛ (1)

12 eşitliği ile gösterilebilir. Burada n, çekirdeğin etkin kırılım indeksi, Λ ise kırılım indeksi değişiminin periyodudur. Fiber gratinge bir gerginlik uygulandığında iki etki fiber gratingin periyodun değişmesine neden olur. Birisi grating in uzunluğunun değişmesi, diğeri ise kırılım indeksinin değişmesidir. Böylece sonuçta fiber gratingin periyodu değişmesi dalga boyunda bir kaymaya ve bu da gerilme ölçülme mekanizmasına neden olur. Bragg Grating tekniği kullanılarak yapılmış akıllı yapı uygulamalarına literatürden bazıörnekler verelim. Whitten L. Schulz, Joel P. Conte ve Eric Udd tarafından Amerika Birleşik Devletlerinde yapılan, fiber optik sensörlerin kullanıldığı diğer bir uygulamada Oregon daki Horsetail Falls Köprüsü dür (Şekil 2.8). Bu köprüye 1999 yılında 26 adet sensör yerleştirilmiştir. Sensörler köprüye monte edilmiş ve yüksek demodülasyon sistemiyle köprü üzerindeki bütün yükler algılanabilmiştir. Öyleki işleyen trafikteki araçların büyüklüğü dahi tahmin edilebilmiştir [6]. Şekil 9 da da göründüğü üzere Horsetail Falls Köprüsü ne sensörler iki şekilde monte edilmiştir. Bunlardan bir kısmı beton blokların üzerine yerleştirilmiş (Şekil 2.9 (a)), bir kısmı ise betonun içine döşenmiştir (Şekil 2.9 (b)).

13 (a) (b) Şekil 2.9 Horsetail Falls Köprüsüne yerleştirilmiş sensörler. Köprüdeki trafik gözlenerek, farklı hızlarda geçen araç ve yayaların zamana göre köprü üzerinde oluşturduğu gerilimler gözlenmiştir (Şekil 2.10). Dinamik gerilimin ölçülmesi için de belli bir düzenek gerektirir. Yukarıda bahsettiğimiz sensör uygulamalarında alınan sensör verileri yüksek-hızlı demodülasyon sistemiyle analiz edilmiştir. Bu modülasyon sisteminde sensörden alınan spektral bilgi fotodedektör sayesinde genlik tabanlı sinyallere çevrilmiştir. Şekil 2.11 de görüldüğü gibi ışık sensöründen geçerek ilk dağıtıcıya gelmiş, burada ızgara dan (grating) yansıyıp ikinci dağıtıcıya geçer. Buradan sonra bir filtreden geçip dedektöre gider. Dedektör gerekli algılamayı yapıp bilgileri bağlı bulunduğu bilgisayara gönderir.

14 Akıllı yapı uygulamalarında kullanılan fiber optik sensör çeşitlerinden biri fazmodüleli interferometrik sensörlerdir. Faz modüleli sensörler oldukça duyarlı sensörler olmakla birlikte kompleks yapıda olma ve yüksek maliyet gibi dezavantajları vardır. SOFO, Fransızca Surveillance d Ouvrages par Fibres Optiques tanımlamasından türemiş optik fiberlerle yapısal görüntüleme anlamına gelmektedir. SOFO sisteminin çalışma prensibi Şekil 2.12 de şematize edilmiştir. SOFO sistemi akıllı yapı sisteminin gelişmiş bir örneğidir. Sensörde iki şerit halinde uzanan fiber optik kablo bulunmaktadır. Bunlardan biri gerilmesiz olarak iki metal kontak arasına yerleştirilmiştir. Buna ölçücü fiber denir. Diğeri ise referans fiberdir. Bu da diğer fiberle aynı doğrultuda yerleştirilmiştir. İkiside plastik bir boru içinde uzanmaktadır. Yapıdaki tüm değişimler bu iki fiberin boylarının farklılığıyla ölçülmektedir. Bu analizi yapmak için alınan veriler çeşitli devre ve detektörlerden geçtikten sonra bilgisayar aracılığı ile görüntülenmektedir. Bu sensör sayesinde tarihi binalar ve köprülerdeki çatlaklar ve kırılmalar tespit edilebilmektedir [7]. Şekil 2.13 de SOFO sisteminin kullanıldığı bir yapı gösterilmiştir [7]. Burada 10 m uzunluğundaki sensor direkt olarak beton yüzeyine tutturulmuştur. Sensörün pasif bölgesi okumanın yapıldığı birime sensörün bağlantısını sağlamak için kullanılmaktadır.

15 Diğer bir faz modüleli SOFO sitemi uygulaması 2001 yılında İsviçrede Daniele Inaudi, Nicoletta Casanova ve Branko Glisic tarafından yapılmış ve çalışmada yapılan iki farklı ugulamada fiber optik sensörlerin kilise gibi tarihi bir yapıda ve liman duvarlarının yapısının gözlenmesinde kullanılmıştır. İlk uygulamada, İsviçrede bulunan Gandria kiliseninin kubbesindeki çatlakların durumu uzun süreli izlemeye tabii tutulmuştur. Sensörler Şekil 2.14 te görüldüğü gibi kilisenin kubbesindeki çatlaklara kısa bir zamanda yerleştirilerek, bir daha ayrı bir şantiye veya yapı kurmadan gözlemlenmiştir. [8] Günlük deformasyon miktarları aynı zamanda sıcaklık değişimlerine bağlı olarak ta izlenmiştir. Bunlar oluşturulan düzenekle ölçülerek datalar kaydedilmiştir. Şekil 2.15 te kilise

16 kubbesine döşenmiş sensör resimleri gösterilmektedir. [8] BÖLÜM 3 LABORATUVAR KURULUMU VE EKİPMANLAR Projenin önemli safhalarından biri geliştirilmesi düşünülen fiber optik sensör sisteminin ilk olarak kurulup oluşturulacağı, gerekli test ve deneylerinin yapılabileceği laboratuvar ortamının oluşturulmasıdır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi proje desteği sağlanan bütçe tamamen laboratuvar ekipmanları temininde kullanılmıştır. Laboratuvar kurulumu süreci gerekli ekipman listesinin oluşturulması, oluşturulan ekipmanın alımıiçin gerekli araştırmanın yapılıp ilgili şirketlerle görüşme ve anlaşmaların yapılması ve en son satınalma laboaratuvar kurulumu esnasındaki süreçlerdir. Alınması gereken aletler için irtibat kurulan firmalar bu tip malzemelerde dünyada en iyi hizmet ve itibara sahip olan Newport ve Thorlabs firmalarıdır. Amerika Birleşik Devletleri merkezli Newport firmasının Türkiye distribütörü Optomek firması ile irtibat kurulmuş, Almanya merkezli Thorlabs firması ile Türkiyede bir şubeleri olmamasınedeni ile direkt iletişim sağlanmıştır. Oluşturduğumuz teçhizat listesindeki ürünlerden fiyat uygunluğu hangi firmada ise o ürün o firmadan talep edilmiştir. Gümrük işlemleri ve teslim süreçleri ile birlikte laboratuvar kurulumu süre gerektiren bir süreç olmuştur. Bu süreç sonucunda kurulan fiber optik ve fotonik araştırma laboratuvarından görüntüler Şekil 3.1 (a)-(e) de gösterilmektedir.

17 (b) (c) (a)

18 (d) (e) Şekil 3.1 (a)-(e) Proje kapsamında kurulan fiber optik ve fotonik araştırma laboratuvarından görüntüler. a) PBI52527 Breadboard (b)pm121 Power-meter c) HRR015 HeNe Laser d)f-cl1 Cleaver

19 e) F-915T Multimode Fiber Coupler f) FP-1A Fiber Positioner g) PH2/M Post Holder h) TR 50/M Post ve R2-M Collar i) BA-2 Base j) 45 Rod k) M-FX-BLX Ball Driver Set l) M-SK-M6A Screw Kit

20 m) FPH-S Fiber Chucks n) Laser Mount with ULM-TILT Adjusters (o) M-20X Objective Lens p)m-340-rc Clamp q) F-91TS Tilt Stage Şekil 3.2 (a)-(q) Laboratuvar ekipmanları. BÖLÜM 4 DENEYSEL SONUÇLAR

21 4.1 MİKROKIVRIM SENSÖR TEKNİĞİ Mikrokıvrım sensörü temelde fiber optikteki kayıp mekanizmasına dayanmaktadır. Bu mekanizmada fiber kablonun eğilmesi, bükülmesi ve kıvrılmasıdurumunda fiberde iki farklı kırılma indeksine sahip katmanlar arasında yansıyarak yol alan ışık yansıma açısının değişmesiyle dış katmandan yansıyarak ışık gücünde kayba neden olur. Bu mekanizmayı sensöre uyarladığımızda mikrokıvrım sensörü ortaya çıkmaktadır. Sensör sistemimiz üç ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar ışık kaynağı, algılama bölümü ve çıkış gücü ölçümüdür. Bu deneyde ışık kaynağı olarak 16 mw gücünde katı hal lazer kullanılmıştır. Çıkış gücünü ise ışık gücünü ölçebilen hassas güç gösterici ile ölçmektedir. Projenin en önemli bölümü olan algılama kısmı ise özel yapım birbirine geçmeli eşit aralıklara sahip dişleri olan iki paralel plakadan oluşmaktadır. Deney düzeneği Şekil 4.1 de gösterilmektedir. Mikrokıvrım sensöründe lazer kaynağından verilen ışık mercekte fokuslandıktan sonra özel hazırlanmış iki yüzey arasına yerleştirilmiş fiberden geçirilerek bir foto detektör yardımıyla çıkışı alınmaktadır. Fiberin bulunduğu yüzeye yapılacak basınçta optik güç göstericiden gözlemlenmektedir. Bu düzeneğin diyagramışekil 4.2 de belirtilmektedir.

22 Mikrokıvrım yöntemi ışık şiddetinin değişiminin gözlenmesine dayanan ışık modüleli bir yöntemdir. Burada fiber kablo eşit aralıklı dişliler arasına yerleştirilerek sensörün algılama bölümü oluşturulmuştur. Belli basınçlara maruz kalan fiber kabloda ışık gücü kayıbı bu yolla sağlanmaktadır. Oluşan kayıplar sensör çıkışına bağlı bulunan optik güç ölçerde gözlenmektedir. Mikrokıvrım sensör sisteminde algılayıcı bölüm Şekil 4.3 de görülmektedir. Deneyler, sensördeki kıvrım yapan dişlilerin farklı kalınlık ve aralıklarına göre yapılmıştır. Her yüksekliğe göre özel dişli aralıkları hesaplanmış ve buna göre deney düzenekleri hazırlanmıştır. Deneyler sırasıyla 6, 8 ve 10 mm kalınlıktaki dişliler ile yapılmıştır. Birçok denemeden sonra sensöre belli miktarda ağırlıklar kullanılarak basınç uygulanmıştır. Bu uygulamanın sonuçları incelemeye alınarak sensörümüzün çalışma prensibi incelenmiştir. Çalışmalarımız halen sürmekte olup 6 ve 10 mm kalınlıkta ve her kalınlıktaki sensör için farklı aralıklı dişlilerle yapmış olduğumuz deneylerden elde edilen verilerle oluşturulan grafikler Şekil 6, 7 ve 8 de görülmektedir. Grafiklerdeki eğrilerin giderek düşmesi sensöre uygulanan basıncın artmasıyla çıkıştaki gücün azaldığını göstermektedir. Burada sensörün üzerine düşen basıncıarttırarak gerçek bir yapıdaki birim yüzeye uygulanan basıncı simule edilmesine çalışılmıştır. Bu durumda sensörümüzün nasıl çalışacağı ve hangi sonuçları vereceği gözlemlenmiştir. Güç değişimlerinin lineer yapıya yakın olması sensörün işlevsel olduğunu göstermektedir.

23 4.2 FİBER OPTİK MODLARIN GÜÇ DAĞILIMI SENSÖR TEKNİĞİ Modların güç dağılımı tekniği çok modlu fiberde modların gücünün uzaysal şiddet

24 modülasyonudur. Fiber optik sinyaller fiber çıkışında bir patern oluşturacak şekilde fiber içinde fiberin çekirdek ve onun dış tabakasındaki sınır koşulları ve fiberin şekline göre hareket ederler. Fibere dış bir etki uygulandığında, fiberin merkezindeki çekirdek kısmı ile onun dış tabakası arasındaki sınır koşulları değişir. Bu değişim modların güç modülasyonu ile sonuçlanan modlar arası bir güç kuplajına neden olur. Fibere bir kaynaktan ışıma yapıldığında gerekli şartlarda fiber çıkışında bir halka şekli (paterni) oluşturulabilir. Bu halka şeklindeki ışık şiddeti değişimin iki boyutlu analizi modların güç dağılımı tekniğinde kullanılır. Etkiden önce ve sonraki halka üzerindeki ışık şiddeti değişimlerinin karşılaştırılmasının yapılması fotodedektör veya CCD kamera kullanılarak gerçekleştirilebilir. Modların güç dağılımı tekniği kullanılarak gerginlik ve stres deneyleri laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiştir Gerginlik Deneyi Modların güç dağılımı tekniğinin gerginlik deneyine uygunluğunun ve aynızamanda tekniğin akıllı yapı uygulamalarına uygunluğun araştırılması yapılan bu deneyde amaçlanmıştır. Böylece betonarme ve tarihi yapılardaki uygulanabilirliği incelenmiştir.şekil 4.7 de görülen deney düzeneği optik masa, katı hal lazeri, optik deney kuplaj elamanları, çok modlu fiber, algılayıcı kısım, güç ölçer, üzerinde güç ölçerin sensörü ve yarı geçirgen bir kağıdın bulunduğu ölçüm platformu ve CCD kameradan oluşmaktadır. Şekil 4.8 de ise düzeneğin basit bir diyagramı görülmektedir.

25 Düzenekteki algılayıcı kısmı bu deney için özel olarak tasarlanmıştır. Fiber ip içinden geçirilmiş ve iki uçu sabitlenmiştir. Daha sonra bir makara sistemi ile bu iki nokta arasına gerginlik uygulanmıştır. Algılayıcı kısım Şekil 4.9 da gösterilmiştir. Burada d=33 cm lik fiber boyunca gerginlik uygulanmıştır. Gerginlik deneyinde modların güç dağılımı tekniğinden faydalanarak çok modlu fiberin uygulanan bir gerginliğe karşı yapıda oluşturduğu değişim eş zamanlı olarak gözlemlenmiştir. Düzenekte çok modlu fiberimize kaynak olarak 650 nm dalgaboyundaki 16 mw lık bir katı hal lazeri uygulanmıştır. Fiber çıkışında halka şekli elde edecek şekilde lazer açısı ve optik kuplaj elamanları ayarlanmıştır. Halkanın merkezinin karanlık ve halka üzerindeki ışık şiddetinin yüksek olması hassasiyet açısından daha etkilidir. Gerginlik artan ağırlıklar ile uygulanmıştır. CCD kamera ile yarı geçirgen kağıt üzerine düşen halka resimleri her bir farklı ağırlık için çekilmiştir. Fotoğraf çekimlerinin yanında aynı zamanda her bir ağırlık için güç ölçer ile halka şekli boyunca ışık şiddeti manuel olarak ölçülmüş ve değerler kaydedilmiştir. Bu değerler kullanılarak ışık şiddetinin çıkış açısına göre değişimi farklı ağırlıklar için çizdirilmiştir. CCD kamera ile çekilen resimler ve manuel ölçüm

26 için ışık şiddeti profilleri sırasıyla Şekil 4.10 ve Şekil 4.11 de gösterilmiştir. Güç ölçer ile yapılan ölçümlerin yanında çekilen halka fotoğrafları bu uygulama için özel olarak yazılan görüntü işleme program kodu ile analiz edilmiş ve çıkış açısına göre CCD kamera görüntülerinin profilleri Şekil 4.12 de görüldüğü gibi çizdirilmiştir.

27 Deneyde sırasıyla 9.81 N, N, N ve N luk kuvvetler yüklerle uygulanarak algılayıcı kısımda gerginlik oluşturulmuştur. Her kuvvet artışında halka üzerindeki ışık şiddeti (gücü) azalırken, aynı anda merkeze doğru ışık gücü artmıştır. Bu başka bir ifadeyle yüksek dereceli modların gücünün düşük dereceli modlara kuple olması anlamına gelmektedir. Güç ölçer profilleri ve CCD kamera görüntü profillerinde de tepe noktadaki ışık gücünün her bir yük artışında azalmasının yanında, merkez civarında arttığı gözlenmiştir. Görüntü analiz programı kullanılarak elde edilen sonuçlar daha sonra manuel olarak elde edilen ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Manuel olarak yapılan güç ölçer ölçümleri sayısı ve sensör yerleri konumları görüntü işleme programında sanal olarak Şekil 4.13 de görüldüğü gibi simüle edilmiş, analog ve dijital ölçümler karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonunda CCD kamera görüntülerinden güç ölçer ölçümleri sonuçlarının tahmin edilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. Bu sensör yeri ve sayısıbelirleme konusanda büyük kolaylık sağlayabilecek bir yaklaşımdır. CCD kamera görüntü profilleri ile güç ölçer ölçümleri profilleri bire bir karşılaştırılmış %5 in altında bir hata ile sonuçların örtüştüğü görülmüştür. Şekil 4.14 ve Şekil 4.15 sırasıyla 9.81 N ve N kuvvetlerdeki CCD görüntüleri ve güç ölçer profillerinin karşılaştırılmasıdır. Sonuçların uyuştuğu ve üst üste örtüştüğü grafiklerden görülmektedir.

28 4.2.2 Stres Deneyi Modların güç dağılımı tekniği kullanılarak stres ölçümünün yapılabilirliği ve bununla

29 birlikte tekniğin betonarme ve tarihi yapılarda kullanılabilirliğinin araştırılmasıstres deneyinde amaçlanmıştır. Optik deney kuplaj elamanları, katı hal lazeri, çok modlu fiber, algılayıcı kısım, güç ölçer, üzerinde güç ölçerin sensörü ve yarı geçirgen bir kağıdın bulunduğu ölçüm platformu ve CCD kamera deney düzeneğini oluşturan elemanlardır. Deney düzeneği ve düzeneğin şematik diyagramı sırasıyla Şekil 4.16 ve Şekil 4.17 de gösterilmiştir. geçmektedir. Ayrıca duyarlılığı arttırmak için küçük bir dikdörtgensel metal plaka fiberin üzerine plakaların arasına yerleştirilmiştir (Şekil 4.18 (b)). Stress fiberin d=2.2 cm lik kısmı boyunca uygulanmıştır.

30 Stress algılayıcı kısımdaki üst metal plakaya artan yükler şeklinde beş farklıkuvvet seviyesi için uygulanmıştır. Her bir yük artımında halka paterni boyunca güç ölçerin sensörü kaydırılarak ışık gücünün halka boyuncaki değişimi gözlenmiştir. Her bir yük artımında halka şekli boyunca alınan veriler kaydedilmiş ve güç ölçerle ölçülen bu veriler grafik olarak çizdirilmiştir (Şekil 4.19). Analog ölçümlerle birlikte aynızamanda halka şekillerinin Şekil 4.20 de görülen her bir stres düzeyinde fotoğraflarıçekilmiş ve kaydedilmiştir. Güç ölçer ile yapılan ölçümlerin yanında fotoğrafı çekilen halka şekilleri program kodu bu uygulamaya özel olarak yazılan görüntü işleme programı ile analiz edilmiş ve Şekil 4.21 de çıkış açısına göre CCD kamera görüntülerinin profilleri çizdirilmiştir.

31 Her bir stress seviyesi artımında Şekil 4.21 de görüldüğü gibi ışık her kuvvette kısmi bir şekilde halka üzerinden merkeze doğru kaymış ve genişlemiştir. Yüksek dereceli modlardan düşük dereceli modlara ışık gücü dereceli bir şekilde kaymıştır. Resimlerle birlikte grafiklerden de görülebileceği gibi her bir stres seviyesinde merkeze doğru ışık gücü artarken halka üzerindeki ışık gücü azalmıştır. Etkiden önceki ve sonraki halka üzerindeki güç dağılımları değişmiştir. Görüntü analiz programı kullanılarak elde edilen sonuçlar daha sonra analog olarak elde