Güniz ALTUĞ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EKİM 2007 ANKARA

Transkript

1 FİBER OPTİK GRATİNG SENSÖRLER Güniz ALTUĞ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EKİM 2007 ANKARA

2 Güniz ALTUĞ tarafından hazırlanan FİBER OPTİK GRATİNG SENSÖRLER adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. K. Cem NAKİBOĞLU Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Müh. Anabilim Dalı. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof.Dr. Erdem YAZGAN Elektrik-Elektronik Müh., Hacettepe Üniv.. Yrd. Doç. Dr. K. Cem NAKİBOĞLU Elektrik-Elektronik Müh., Gazi Üniv.. Prof.Dr.Yahya K. BAYKAL Elektronik ve Haberleşme Müh., Çankaya Üniv.. Tarih: Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof.Dr. Nermin ERTAN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Güniz ALTUĞ

4 iv FİBER OPTİK GRATİNG SENSÖRLER (Yüksek Lisans Tezi) Güniz ALTUĞ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ekim 2007 ÖZET Günümüzde, sağlık kuruluşlarında EKG ölçme ve takip etme işlemi her hastanın başında bulunan bir cihaz ile yapılmakta, sadece o andaki grafik görüntülenebilmektedir. Hasta başına bir cihaz kullanıldığı için yüksek bir maliyet ortaya çıkmaktadır. Bu projede, FBG tabanlı bir sensör ile hastaların EKG sinyalini ölçtükten sonra fiber optik ortama aktaran, bu optik sinyali de bir optik haberleşme ağı üzerinden merkezi bir kontrol ünitesine (bilgisayar) gönderen sistemin tasarımı yapılmıştır. Kontrol ünitesi ise demodülatör yardımıyla elektrik sinyale dönüştürülen optik sinyali bir veri yakalama kartı (data acqusition card) ile örnekleyip EKG sinyallerini ani olarak görüntüleyebilecek, ayrıca bu bilgiler ile bir veri tabanı oluşturabilecektir. Kontrol ünitesi de MATLAB kullanılarak simüle edilmiştir. Ancak bu tez çalışmasında yapılan simülasyon esnasında uygulamadaki kolaylığından dolayı sinüs sinyali kullanılmıştır. Gerçek uygulamada EKG sinyali kullanılacaktır. Bu proje yardımıyla EKG takip ağları oluşturulabilecek, gerektiğinde yeni teknolojiyle senkronizasyonu sağlanabilecektir. Ayrıca oluşturulabilecek merkezi bir veritabanı ile bir insanın hayatı boyunca kalp sağlığı durumu takip edilebilecektir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : FBG, sensör, FBG sensör ağı, optik haberleşme ağı. Sayfa Adedi : 84 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. K. Cem NAKİBOĞLU

5 v FIBER OPTIC GRATING SENSORS (M.Sc. Thesis) Güniz ALTUĞ GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OCTOBER 2007 ABSTRACT Today in health centers, the process of measuring and tracking ECG signals of the patients happens to be by the help of the devices at each patient`s room. These high priced devices cost much since one device per patient needed. In this project, a design is made for the system which transports the ECG signals to the fiber optic media after measuring, and transmits this optical signals to a central control unit (computer) via an optical communication network. Control unit samples the electrical signals which is obtained by demodulation, by the help of a data acquisition card. So these signals can be tracked and saved to create a database. Control unit is simulated using MATLAB. But during the simulation is done in this thesis work, sinusoidal signal is used instead of ECG signal because of its easiness in practice. In real application ECG signal will be used. By the help of this project, the health centers will be able to provide and modernize ECG tracking networks without dependance to abroad. In addition, it is possible to track a person`s cardiological health during his/her life by the help of a central database that can be obtained. Science Code : Key Words : FBG, sensor, FBG sensor network, optical network. Page Number : 84 Adviser : Assist. Prof. K. Cem NAKİBOĞLU

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Yrd. Doç. Dr. K. Cem NAKİBOĞLU na, laboratuvarını kullandığım ve benden yardımlarını esirgemeyen Ege Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümüne, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli ailem ve nişanlım N.Taylan KURDAL a teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...iv ABSTRACT...v TEŞEKKÜR...vi İÇİNDEKİLER... vii ŞEKİLLERİN LİSTESİ...ix SİMGELER VE KISALTMALAR...xi 1.GİRİŞ FIBER OPTİK SENSÖRLER Optik Fiber Temelleri Optik fiber yapısı ve karakteristiği Optik Fiber Sensörlerin Çalışma Prensibi Fiber Optik Sensör Tipleri Faydaları ve avantajları FİBER BRAGG IZGARALARI Çalışma Prensibi SİSTEMİN TANITIMI VE ÇALIŞMA PRENSİBİ Modülasyon Optik haberleşme ağı Demodülasyon YAZILIM BAZINDA SİMÜLASYONLARLA SİSTEMİN İNCELENMESİ FBG ÖLÇÜM PRENSİBİ...21

8 viii Sayfa 6.1. PZT Elektrostriktif Yer Değiştirme Gerilim Arasındaki İlişki Gerilim Sensörünün Karakteristiği Modülasyon Demodülasyon WDM Optik Sensör Ağı Ağ tasarımı Ağ tasarımı Ağ tasarımı Simülasyon SONUÇ VE ÖNERİLER...38 KAYNAKLAR...40 EKLER...43 EK-1 Programın visual basic script i...44 EK-2 Programın matlab kodları...80 ÖZGEÇMİŞ...84

9 ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Optik fiber şeması...5 Şekil 2.2. Optik fiber algılama sisteminin temel ögeleri...6 Şekil 2.3. Optik fiber sensörlerin sınıflandırılması...6 Şekil 3.1. Üzerinde saçak olarak adlandırılan indis değişiminin oluşturulduğu fiber ızgarasının genel görünüşü...8 Şekil 3.2. Fiber Bragg Izgaranın iletim ve yansıma spektrumu...11 Şekil 3.3. FBG sensör seri çoklama...13 Şekil4.1.PZT`nin FBG`ye bağlanılması için kullanılması düşünülen aparat...15 Şekil 4.2. Simülasyonu yapılan sistemin blok şeması...16 Şekil 4.3. Sorgulama ünitesi...17 Şekil 5.1. Tek girişli sistemin OptiSystem layout görüntüsü...19 Şekil 5.2. Giriş sinyali ve geri kazanılan sinyal...19 Şekil 5.3. WDM sisteminin layout görüntüsü...20 Şekil ve 7. giriş ve çıkış sinyalleri...20 Şekil 6.1. FBG ve Bragg dalgaboyu...21 Şekil 6.2.Elektrostriksiyon karakteristiği. Düşey yönde pozitif, yatay yönde negatif piezoelektrik etkiyi gözlemleyebiliriz...23 Şekil 6.3. Polarizasyon doğrultusundaki elektrostriktif bozulma...24 Şekil 6.4. Ağ tasarımı Şekil 6.5. Ağ tasarımı Şekil 6.6. Ağ tasarımı

10 x Şekil Sayfa Şekil 6.7. OptiSystem`de oluşturulan ışık kaynağı...31 Şekil 6.8. OptiSystem`de, oluşturulan ışık kaynağının OSA çıktısı...32 Şekil 6.9. OptiSystem`de, gerilim sensörünün layout görüntüsü...33 Şekil 6.10.Tek giriş sinyalli sistemde giriş olarak verdiğimiz sinyalin şekli ve elde ettiğimiz çıkışın şekli...34 Şekil WDM sistemin layout görüntüsü...34 Şekil WDM sistemde girişler (solda) ve çıkışlar (sağda)...35

11 xi SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama ε z Uygulanan strain ( gerilim ) ε e µ Poisson oranı n Kırılma indisi n 1 n o x,y,z E L Λ λ B λ in λ B d K k d k i P N S n eff M W d 33 katsayısı Polarizasyon doğrultusunda oluşan strain Izgaranın genişliği Ortalama index Konum birim vektörleri Elektrik alan Izgara boyu Izgara saçak aralığı Bragg dalga boyu Demodülatörün girişindeki ışığın dalga boyu Bragg dalga boyu kayması Piezoelektrik strain sabiti Izgara vektörü(grating vektör) Kırılım dalga vektörü Gelen ışığın dalga vektörü Dalga boyu kayma hassasiyeti Oluşan periyot sayısı Oluşan gerilim(strain) Fiberin etkin indisi Elektrotlar arasındaki uzaklık Kuplaj katsayısı Polarizasyon doğrultusundaki strain

12 xii f s Örnekleme frekansı Kısaltmalar Açıklama CRC Communinacations Research Center EKG Elektrokardiyografi EMI Elektromanyetik Etkileşim FBG Fiber Bragg Izgara ( Fiber Bragg Grating ) FWHM Fullwidth-Half-Maximum GMM Giant Magnetostrictive Material LED Light-Emitting Diode PPM Pulse Position Modulation PZT Piezoelektrik Dönüştürücüler TDM Time Division Multiplexing UV Mor Ötesi WDM Wavelength Division Multiplexing

13 1 1.GİRİŞ FBG`lerin ilk uygulaması Kanada`da Communinacations Research Center (CRC) tarafından yapılmıştır. Zamanla optik haberleşme ve sensör sistemlerinde yaygın ve önemli rolü olan bir temel teknoloji haline gelmiştir [1]. Tüm dünyada üniversitelerde ve araştırma laboratuarlarında, fiber foto algılama ve kullanımı konusunda araştırmalar devam etmektedir. Birçok firma, üniversite araştırmasına yönelik FBG yazma cihazlarını piyasaya sürmüştür [2]. Fiber optik haberleşme uygulamaları için geliştirilen FBG yapısındaki fiber optik filtreler, çeşitli dalgaboyu ayrıştırma, birleştirme, yönlendirme elemanları, dispersiyon gidericiler (compansator) ve sensörler hem maliyet hem tasarım kolaylığı açısından sensör ağ uygulamaları için de cazip hale gelmiştir. FBG optik sensörlerin yaklaşık 15 yıllık bir geçmişi vardır. Endüstriyel algılama, biyoteknoloji, malzeme üretimi, inşaat ve güvenlik sektörlerinde daha önce yapılamayan veya zorluk ve yüksek maliyetlerle gerçekleştirilebilen sıcaklık, gerilme, titreşim ve basınç ölçümleri kolay, ucuz ve sürekli uygulanabilir teknolojilere kavuşmaktadır. Bina, köprü ve uçaklardaki yapısal bozukluklar; sularda debi kontrolü; petrol kuyularında sıcaklık ve basınç ölçümü ve sürekli izlenimi için FBG sensörler ve sensör ağları tasarlanıyor. Sıcaklığa duyarlı kameraların yüksek maliyet gerektirmesi, petrol tesisleri, sınırlar, otoparklar gibi geniş alanların güvenlik taramalarında düşük maliyetli fiber optik sensör ağlarını düşündürmüştür. FBG`lerin sunduğu en önemli teknolojik avantaj ağ yapısında döşenmiş bir çok FBG sensörün farklı noktalarda ölçülmesi istenilen değişmeleri algılaması ve elektromanyetik bozuculardan etkilenmemesidir. Fiber optik ağ yapısı ile tüm sensörler tek bir kaynaktan beslenirler, tek bir bağlantı kablosu kullanırlar, tek bilgisayardan kontrol edilirler, ve bilgi taşıyan ışık sinyalleri tek bir noktadan alınıp işlenebilirler.

14 2 Hedef; 32 yoğun bakım hastasının her birinde EKG gerilimi sinyalini FBG`ler aracılığı ile yeterince hassas ölçümlerle takip edecek ucuz maliyetli FBG ağ yapıları tasarlayıp gerçekleştirmektir. Böylelikle onlarca pahalı hasta monitör ünitesine gerek kalmadan tüm hastalar bir bilgisayardan takibe alınabilecektir. Projeye yapılan harcamalar, bu noktada kazanca dönüşecektir. Yapılan çalışmalar ve kazanılan bilimsel ve teknolojik tecrübe başka amaçlarla yeni araştırma ve uygulamalara zemin hazırlayacaktır. Literatürde çok sayıda gerilme kuvveti (strain) ve sıcaklık ölçümlerine yönelik uygulamalar vardır [3-9]. Voltaj ölçümleri için de fiber optik algılayıcılar geliştirilmektedir. Fakat bu çalışmalarda FBG kullanılmamış ve ağ topolojisi çerçevesinde ele alınmamıştır [10-13]. FBG`ler voltaja doğrudan duyarlı olmadıklarından elektriksel gerilimi mekanik strese dönüştüren piezoelektrik dönüştürücüler (PZT) [4,8] kullanılabilir. Eğer PZT`nin nonlineer karakteristiği sinyalleri çok bozacak veya gürültü katacak olursa, gerilimi algılamak için Pokel (LiNbO 3 bazlı) veya Faraday etkili modülatörleri kullanma yoluna gidilebilir. FBG tabanlı sensör ağ sistemi 4 ana öğeden oluşur: 1) Işık kaynağı ve bu kaynağı sinyallendirme tekniği. 2) Fiber optik ağ topolojisi. 3) FBG`lerin nitelikleri ve kullanılacak spektrumun belirlenmesi. 4) FBG`lerden dönen bilgi taşıyan ışık sinyallerinin demodülasyon tekniği. Genel anlamda sensörlere ışık yollayıp dönen sinyallerdeki veri parametrelerini ayıklama işlemi sorgulama (interrogation) adıyla tabir ediliyor. FBG sensör sisteminde geniş bant bir ışık kaynağından veya dalgaboyu ayarlı bir lazerden fiber hattına ışık gönderilir. Her FBG`den ızgarasının periyot ve indisinin belirlediği özel bir dalgaboyunda dar bant bir ışık geri

15 3 yansır. Çoğu sensör uygulamalarında tek bir FBG için bant genişliği pm kadardır. Yansıyan merkez dalgaboyu ortamın sıcaklığına, fiberin gördüğü basınç ve gerilmeye göre değişir. Sıcaklık, basınç, ve gerilme hem kırılma indisini etkileyerek hem de ızgara periyodunda değişikliğe yol açarak merkez dalgaboyunu değiştirebilir. Sonuçta, sıcaklık, gerilme ve basınçtaki değişme nedeniyle yansıyan dalgaboyunda kayma meydana gelir. FBG sensör uygulamalarında, yansıyan veya iletilen spektrum çeşitli metotlarla algılanarak Bragg dalgaboyundaki kayma ölçülür. Böylece bu kaymayı oluşturan sıcaklık, gerilme ve basınç değeri de ölçülmüş olur. Burada önemli olan istenilen hassasiyetler ve toplam spektral kayma aralığıdır. Çoğu zaman geniş bant kaynak olarak Erbiyum 3+ iyon katkılı fiberden üretilen yükseltilmiş spontane ışık kullanılır (EDFA ASE). Bunun dışında piyasada kenar emisyonlu LED (EELED), yüksek ışıma düzeyli LED (superluminescent LED) ve dalgaboyu ayarlı lazer (tunable fiber laser) kullanan sorgulama (interrogator) cihazları vardır. Bu projedeki amaç, uygun bir sorgulama ünitesi oluşturup FBG`ler ile istenilen hasta monitör ağını tasarlamak ve simüle etmektir. OptiWave Systems Inc. firmasının bir simülasyon paketi olan OptiSystem programı ile sorgulama ve algılama teknikleri, ağ topolojisi simülasyonlar ile kesinleştirilecektir. Ancak bu simülasyonu uygulamadaki kolaylığından dolayı sinüs sinyali kullanarak denedik, amaç gönderilen sinyalin ne kadar kayıpla elde edilebildiğini gözlemlemek ve bu tasarım ve simülasyon uygulamasının başarısını ve güvenilirliliğini görmekti. Elde edilen başarılı sonuçlardan sonra, proje gerçekleştirilme safhalarında ise piyasadan temin edilecek FBG`ler ile 1-2 hastalık küçük bir örnek ağ oluşturulabilir, bu aşamadaki başarıdan sonra öngörülen ve simülasyonu gerçekleştirilen ağlar yapılandırılabilir. Ağ üzerindeki sinyalleme ve algılamayı bir bilgisayardan yöneten donanım ile verileri otomatik depolayan bir arşiv sistemi ve veriyi kullanıcıya aktaracak bir yazılım geliştirilebilir.

16 4 2. FIBER OPTİK SENSÖRLER 2.1. Optik Fiber Temelleri Son 25 yılda fiber optikte çok ilerlemeler kaydedildi ve kullanım alanları çok fazla arttı. Öncelikle ışığı taşıyan bir ortam olduğu anlaşıldı ve medikal endoskopik uyulamalarda kullanıldı, optik fiberler sonradan, 1960ların ortalarında, telekomünikasyon uygulamalarında bilgiyi taşımak için uygun bir ortam olarak sunulmuştur. Ayrıca optik fiber teknolojisi günümüzde bir noktadan bir noktaya çok sayıda datanın aktarılmasında kullanılan Işık Dalgası Haberleşme Sistemleri (light wave communication systems) için dikkate değer araştırma ve geliştirme konusu olmuştur. Optik fiberlerin tercih edilmesindeki sebepler arasında düşük kaybı, yüksek band genişliği, elektromanyetik etkileşimden bağımsızlığı (EMI), küçük ebatı, hafifliği, güvenliği, nispeten düşük maliyeti, düşük bakım-onarım bedelleri, vs. gelir Optik fiber yapısı ve karakteristiği Bu teknolojinin kalbi optik fiberin kendisidir. Optik fiber saç kılı inceliğinde silindirik camdan yapılmış, ışığı farklı optik kırılım indislerine sahip bölgelerde hapsederek (tutarak) kendi içerisinde yönlendirebilen bir teldir. Tipik fiber yapısı Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Merkezdeki (ortadaki) parça,en çok ışığın geçtiği yer, çekirdek (core) olarak adlandırılır. Çekirdeği çevreleyen daha düşük bir kırılım indisine sahip kılıf, zarf (cladding) denen bir bölge vardır. Işık çekirdeğin içinde kıstırılır ve kılıf, zarf (cladding) ile sınırlandırılarak fiber boyunca taşınır. Bu etki Toplam Dahili Yansıma olarak adlandırılır (total internal reflection).

17 5 Şekil 2.1. Optik fiber şeması 2.2. Optik Fiber Sensörlerin Çalışma Prensibi Optik fiberler algılama uygulamalarında, kontrol ve aletle iş görmede (instrumentation) de kullanılır. Bu alanlarda optik fiberler önemli bir kullanım alanı bulmuştur. Bu uygulamalar için fiberler aynı harici mekanizmaya karşı haberleşmede kullanılan fiberlere göre daha çabuk etkilenen ve hassas bir yapıda üretilmiştir. Bir optik fiber algılama(sensing) sistemi temel olarak ışık kaynağı, optik fiber, bir algılama elemanı ya da dönüştürücü(transducer) ve detektörden oluşur. (Bkz. Şekil 2.2). Fiber sensörün çalışma prensibi şudur; algılama elemanı (transducer) detektörde alınan optik sinyalin karakteristiğindeki değişmede artışa sebep olan optik sistemin bazı parametrelerini (yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, vs.) module eder.

18 6 Şekil 2.2. Optik fiber algılama sisteminin temel ögeleri Fiber sensör yapısında; içsel (intrinsic), eğer modulasyon direk fiberin içinde olursa, ya da dışsal, içinde olmayan, eğer modülasyon Şekil 2.3 de anlatıldığı gibi dönüştücü (transducer) ile haricen yapılırsa, olabilir Fiber Optik Sensör Tipleri Fiberin kendisi bir algılama ortamı gibi çalışır. Örneğin yayılan (propogating) ışık, fiberi terk etmez ve harici bir etki ile değiştirilir. Fiber nadir de olsa ışık iletimi veya toplanmasında da kullanılabilir, örneğin yayılan ışık fiberi terk eder, bir şekilde değiştirilir ve aynı veya başka bir fiber tarafından toplanır. Şekil 2.3. Optik fiber sensörlerin sınıflandırılması

19 Faydaları ve avantajları Optik fiber sensörlerin kendilerini çok uygun yapan ve bazı durumlarda tek uygun algılama çözümü olan karakteristikleri vardır. Fiber sensörlerin bazı kilit özellikleri aşağıda özetlenmiştir. Elektromanyetik etkileşimden bağımsız Kesin Ölçüm Su ve Korozyon Resistansı Pasif Çalışma, doğası gereği güvenli Mükemmel çözünürlük ve dağılım Sağlam, küçük ebatlı ve hafif Kanal başına uygun maliyet Paralel veya seri olarak çoklanabilir Fiber optik kullanılarak algılanabilen özellikler İvme(hızlanma) Kimyasallar/Gazlar Renk Mesafe Cereyan Kuvvet Rutubet Sıvı Seviyesi Manyetik/Elektrik Alan Toprak nemi Hareket/Kımıldama Pozisyon (lineer, açısal) Basınç (sıvı, gaz, vs.) İki yapının yakınlığı ölçümü Radyasyon Ses

20 8 3. FİBER BRAGG IZGARALARI Fiber Bragg Izgara (Fiber Bragg Grating, FBG) sıcaklık, basınç, gerilme kuvveti gibi bazı parametrelere duyarlı, bir çeşit optik filtredir. Optik fiber kablo üzerinde yaklaşık 1 cm uzunluğunda bir yer kaplayan FBG, kendisine gelen geniş bantlı ışığın spektrumunda, belli bir dalgaboyunu yaklaşık 1 nm`lik genişlikte geri yansıtır. Gelen ışığın spektrumunun geri kalanını ise geçirir. Yansıyan dalgaboyu ise yukarıda belirtildiği gibi sıcaklık, gerilme kuvveti gibi parametrelere bağlı olarak değişir. Bu projede, FBG`den geri yansıyan ışığın dalgaboyunun, ızgara üzerindeki gerilme kuvvetine bağlılığı kullanılmıştır. Şekil 3.1. Üzerinde saçak olarak adlandırılan indis değişiminin oluşturulduğu fiber ızgarasının genel görünüşü PZT ise bir piezoelektrik seramik maddedir. Bu madde, bir dönüştürücü (transducer) özelliği göstermektedir. Girişine verilen elektrik alanın şiddetine bağlı olarak, maddenin boyu değişmektedir. Dolayısıyla PZT, elektriksel gücü mekanik bir işe dönüştürmektedir. Tersinin de mümkün olmasına karşın (mekanik kuvvet uygulandığında elektrik alan üretmesi), projede PZT`nin bu özelliğinden faydalanılacaktır. Optik haberleşme sisteminde modülatör görevi görecek olan sensör başlığını, FBG ve PZT`yi uygun şekilde birbirine bağlayarak elde ediyoruz. PZT`nin girişindeki elektrik sinyalinin genliğine bağlı olarak bir gerilme kuvveti

21 9 üretilecek, bu gerilme kuvvetinin etkisiyle FBG`nin yansıttığı dalga boyu değiştirilecektir. Böylece elektrik sinyali fiber optik kabloya aktarılmış olacaktır [14]. Elde ettiğimiz optik sinyal, bir optik haberleşme ağı yardımıyla merkezi kontrol birimine ulaştırılacaktır. Kontrol biriminin optik sinyali algılayabilmesi için, sinyalin demodüle edilerek elektrik sinyaline dönüştürülmesi gerekmektedir. Sensör başlığında kullandığımız düzeneğin aynısını demodülatör olarak da kullanabilmekteyiz. Bu şekilde FBG`nin hem modülatör hem demodülatör olarak kullanılması, literatürde eşlenmiş FBG çifti (matched FBG pair) olarak anılmaktadır [15]. Bu iş için istendiği takdirde ayarlı Fabry-Perot filtresi de kullanılabilir. FBG, daha önce de bahsedildiği gibi yansıttığı dalgaboyunu sıcaklığa göre de değiştiren bir malzemedir. FBG`nin yansıttığı dalgaboyu sıcaklık yükseldikçe (tıpkı gerilme kuvvetinde olduğu gibi) yükselir (red shift kırmızı kayma), sıcaklık düşünce de düşer (blue shift mavi kayma). Fakat sıcaklık yavaş değişen bir etken olduğundan DC bir parametre olarak kabul edilir. Literatürde, bu özelliğinden faydalanarak sıcaklık sensörü [16], veya hem sıcaklık, hem gerilme kuvveti sensörü [17-25] olarak kullanıldığı projeler mevcuttur. Bu projeye benzer bir uygulama olarak da medikal alanda da gerçekleştirilmiş bir sıcaklık sensörü uygulaması literatürde bulunmaktadır [16]. Sıcaklığı değişken olan ortamlarda çalışacak gerilme kuvveti sensörlerinde ise, ya sensör için sıcaklık değişiminden etkilenmeyecek izole bir ortam oluşturulmalı, ya da sıcaklığın FBG üzerindeki etkisi kompanze edilmelidir [18, 23, 24]. Bu projede ortamın sıcaklığı ya sabit kalacak ya da küçük değişiklikler oldukça yavaş bir biçimde gerçekleşebilecektir. Dolayısıyla sıcaklığın sensöre etkisi sadece bir DC offset yaratmak olacaktır. AC sinyali algılamaya yönelik olan projede elde edilen sinyalin DC bileşeni yok edildiğinden sıcaklık, sistemi etkilememektedir. Bu yüzden de sıcaklık kompanzasyonu yapılmamıştır. Literatürde ayrıca yakın tarihte yapılmış sensör ağı uygulamaları da mevcuttur. Bunlardan bir tanesi, ağ yapısının içerisinde oluşabilecek hataları,

22 10 hibrid star-ring topolijisi yardımıyla kendi kendine yok eden sensör ağı tasarımından bahsetmektedir [21]. Projede kullanılacak ağ ise hibrid star-bus topolojiye sahip olacaktır. Fiber Bragg Izgaraları (FBGs) son yıllarda lazer kararlılığı, dağılım(dispersion) kompanzasyonu, erbiyum yükseltecinin kazancının düzleştirmesi(falttening), yoğun dalgaboyu bölünmesini çoklamadan çıkarmasından dolayı haberleşme endüstrisinde geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Ek olarak, FBGler cadde, köprü, bina, baraj, vs. gibi yapıların izlenmesi gibi algılama(sensing) uygulamalarında, akıllı üretim ve tahribatsız muayene(kompozit, preslenmiş malzemeler (laminates), vs.), uzaktan algılama ( petrol kuyuları, güç kabloları, boru hatları, uzay istasyonları, vs.), akıllı yapılar ( uçakların kanatları, gemi gövdeleri, binalar, spor ekipmanları, vs. ), ve ayrıca basınç, sıcaklık, gerilim algılaması gibi pek çok konuda geniş bir kullanım alanı bulmuştur. FBGlerin algılamadaki en büyük avantajı bu cihazların algılanan parametreyi direk optik dalga boyuna çevirmeleridir. Bunu yaparken de ışık seviyelerinden, konnektör veya fiber kayıplarından, farklı dalga boylarında diğer FBGlerden bağımsızdırlar. FBGlerin Resistif Germe Sayaçlarına Göre Avantajları: 1) Tamamen Pasif (resistif ısınma yok), 2) Küçük Ebat (lamine yapılabilir veya gömülebilir), 3) Geniş dalgaboylarıyla darbantta çalışabilme (yüksek miktarda çoklanabilir), 4) iletken değildir (elektromanyetik etkileşimden bağımsızdır), 5) Çevresel açıdan daha kararlıdır (cam ile bakırı karşılaştırırsak), 6) 1550 nm de düşük fiber kaybı (uzak algılamada). Ek olarak, FBGler cihazın basitliğine göre ve telekomünikasyonda yüksek hacimde kullanılmasından dolayı maliyeti düşüktür.

23 Çalışma Prensibi Bir fiber bragg ızgarası, optik fiberdeki çekirdeğin içerisindeki periyodik kırılım indisinin yapısıyla dalgaboyuna bağlı filtre/yansıtıcı olarak çalışabilir. Ne zaman geniş spektrum ışık hüzmesi ızgara içerisinde sınırı aşarsa (çarparsa), enerjisinin bir kısmı iletilir ve bir kısmı da geri yansır. (Bkz. Şekil 3.2) Yansıyan ışık sinyali çok dar olacaktır ve iki ızgara saçağı arasındaki aralığı Λ a karşılık gelen Bragg dalga boyunda merkezlenmiş olacaktır. Şekle ait (modal) indiste veya fiberin karakter sıklığında (pitch) gerilim veya sıcaklıktan kaynaklanan değişmeler Bragg dalga boyunda kaymaya sebep olur. Şekil 3.2. Fiber Bragg Izgaranın iletim ve yansıma spektrumu FBG sensörler düzgün bir şekilde yerleştirildiğinde germeyi ölçmede kullanılabilir. Bu tekniğin avantajlarından biri algılanan sinyalin spektrumsal olarak şifrelenmesidir. Böylece fiberdeki iletim (transmission) kayıpları bizi ilgilendirmez. Kırılım index profilli bir fiber bragg ızgarası: n(r) = n o + n 1 cos ( K r ) (3.1) burada n o ortalama index, n 1 ızgaranın genişliği (tipik değeri tır.) ve r fiber üzerindeki uzunluğudur, k i dalga vektörüne sahip ışığın kırılım dalga vektörü k d = k i - K ile verilen yönde dağılmasına müsade eder. Burada

24 12 K=2p/Λ doğrultusu ızgara düzlemine dik olan ızgara vektörü (grating vector) dür. Λ ızgara periyodudur. Eğer sapan dalga vektörü (diffracted wave vector) gelen frekanstaki serbest dalgalarla uyum sağlarsa (matched) k d doğrultusunda kuvvetli bir Bragg sapması meydana gelir. Tek mod fiber çekirdek içerisinde ışığın yansıması için ihtiyaç duyulan Λ değeri birinci dereceden Bragg şartıyla verilir: Λ = λ B / 2n m (3.2) Burada λ B Bragg dalgaboyu ve n m çekirdek modun efektif sapma (refractive) indeksidir. Yansıtıcık η = tanh² (pn 1 L/ λ B ) (3.3) formulü ile verilir. Burada L ızgara boyudur. Izgara şiddeti ( veya büyüklüğü ), n 1, fiberin ne kadar süre UV ışığına maruz bırakıldığına göre değişecektir. Bragg yansımasının band genişliği iki parametreye bağlıdır: ızgara periyod sayısı N, ve indeks modülasyonu n 1 in şiddetine. Herbir ızgara düzleminde gelen ışığın bir kısmı yansır; eğer Bragg şartları sağlanmazsa, peşisıra gelen her bir ızgara düzleminden geri yansıyan dalgacıklar kademeli olarak artarlar ve ayak uyduramazlar. Bununla birlikte eğer ızgara şiddeti yeterliyse gelen gücün önemli bir miktarı eşleme işlemi başlamadan önce yansıtılabilir. (before de-phasing sets in) Eşleme ( de-phasing ) uzunluğu, ızgaranın fiziksel uzunluğu, ve önemli bir yansıma için gereken uzunluk arasındaki denge Bragg yansımasının dalgaboyu olarak tanımlanır. Izgaranın yaklaşık bir FWHM(fullwidth-half-maximum) bandgenişliği için genel bir ifade: λ/λ B = s ((n 1 /2n o )² + (1/N)²) ½ (3.4) S parametresi güçlü ızgaralar (yaklaşık 100% yansıma) için ~ 1 ve zayıf ızgaralar için ~ 0.5 dir.

25 13 Daha önce bahsedildiği gibi, FBGler; spektrum kaymalarının, dış etkenlerle ızgarada meydana gelen değişikliklerin bir fonksiyonu olmasından dolayı algılama (sensing) uygulamalarında kullanılması caziptir. Genel olarak, bir ızgaranın sıcaklık algılaması temel olarak fiber materyalin içerisindeki kırılma indeksinin sıcaklılığa bağlılığının bir sonucu olarak oluşur ve ızgara periyot aralığını değiştiren çok küçük bir derece materyalde termal bir açılıma dönüşür. Tipik olarak, Bragg dalgaboyunun tepe değerinde dalgaboyundaki önemsiz ölçüdeki değişiklik 10pm/C seviyelerindedir. Mekanik olarak uygulanacak bir gerilim kuvveti veya kırılım indeksinde gerilimin optik etkisinden dolayı oluşabilecek bir değişiklik fiziksel olarak ızgaranın aralıklarını arttıracak veya azaltacaktır, böylece germe Bragg dalgaboyunu kaydırmış olur. Mihver boyu yükler için, mikro gerilim başına dalgaboyu değişimi tipik olarak 1.2pm, veya 1% gerilim için 12nm dir. Şekil 3.3. FBG sensör seri çoklama

26 14 4.SİSTEMİN TANITIMI VE ÇALIŞMA PRENSİBİ 4.1.Modülasyon PZT ve FBG, uygun metodlarla bağlanır. Bu PZT aktuator yapılırken uygun bir yapıştırıcı madde kullanılarak yapılabilir. Örneğin [25]`de Terfenol-D isimli GMM (Giant Magnetostrictive Material) maddesinin FBG`ye bağlandığı gibi epoxy reçine uygulanıp, veya [17]`teki gibi optik yapıştırıcı uygulanıp ısıl işlem yapılarak gerçekleştirilebilir. Fakat bu işlem PZT ile yapılırken dikkat edilmesi gereken bir nokta vardır. PZT, Curie sıcaklığını aştığı zaman yapısı bozulur ve bu bozulmanın geri dönüşü yoktur. O yüzden ısıl işlem uygulanmadan önce, PZT`nin spekleri iyice incelenmelidir. Terfenol-D ise Curie sıcaklığını aştığında çalışamasa bile bu sıcaklığın altına düştüğünde eski yapısını kazanır ve sorunsuz olarak çalışmaya devam eder. Bu açıdan PZT`ye ısıl işlem uygulanması, yapısı bozulmadan gerçekleştirilse bile ömrünü kısaltan bir etken olabileceğinden tavsiye edilen bir işlem değildir. Bir başka seçenek ise PZT, aktuator haline getirildikten sonra uygun bir aparat yardımıyla FBG ile birleştirilmesidir. Örneğin Şekil 4.1`deki gibi bir aparat kullanıldığında, PZT`nin boyundaki değişme, dolayısıyla ürettiği gerilme kuvveti FBG`ye aktarılabilir. Ayrıca FBG`nin bağlanmış olduğu metallerin termal genleşmesi kullanılarak sıcaklık kompanzasyonu da gerçekleştirilebilir [23]. Bu projede simülasyonu yapılan sistemin gerçekleştirilmesi aşamasında bu yöntemin kullanılması düşünülmektedir. Bu şekilde oluşturulan sensör başlığı ile ölçülen EKG sinyalini PZT`nin girişine verdiğimizde boyu sinyalin genliğine bağlı olarak değişecektir. Bu boy değişimi bir ucu PZT`ye, bir ucu FBG`ye bağlanmış, ortasından bir mile sabitlenmiş olan parçayı hareket ettirecek ve FBG`nin üzerindeki gerilme kuvveti de bu boy değişimine bağlı olarak değişecektir. Bu da FBG`nin yansıttığı ışığın dalgaboyunun değişmesini sağlayacaktır. Böylece sinyalin genliğine bağlı olarak FBG`nin yansıttığı ışığın dalgaboyu değişmiş olacaktır.

27 15 Şekil 4.1. PZT`nin FBG`ye bağlanılması için kullanılması düşünülen aparat. Bu işlemi, sensör başlığının girişindeki elektrik sinyalinin genlik modülasyonunu, çıkışındaki ışığın dalgaboyu modülasyonuna çevirmesi şeklinde yorumlayabiliriz Optik haberleşme ağı Şekil 4.2 `de görüldüğü gibi, sistemde her biri ayrı bir hastaya bağlı olması düşünülen 32 adet sensör başlığı bulunmaktadır. Bu sensör başlıklarına ait olan FBG`lerin her birinin yansıttığı merkez dalgaboyları, girişim engellemek ve doğru sonuçlar alabilmek için birbirinden farklı olmak zorundadır (WDM). Ayrıca bir güvenlik bandı da bulundurulması tercih edilir. Geniş bant ışık kaynağının spektrumu, 1x4 WDM Demux kullanılarak 4`e bölünmektedir. Sensör başlıklarının bulunduğu her bir kola sprektrumun ayrı bir parçası gönderilmektedir. Her FBG`den farklı merkez dalgaboylarında gelen ışıkların spektrumları, kuplörlerden geçtikten sonra 4x1 Mux (veya Combiner) ile birleştirilir.

28 16 Şekil 4.2. Simülasyonu yapılan sistemin blok şeması Bu durumda 4x1 Mux`un çıkışındaki ışığın spektrumunu incelediğimizde 32 adet peak görürüz. Buradaki her peak, bir FBG`nin kendi merkez dalgaboyunda yansıttığı ışığın spektrumudur. Bu peak`ler, ait oldukları FBG`ye bağlı bulunan PZT`nin girişindeki sinyalin genliğiyle senkronize bir şekilde spektrumda hareket ederler. Dolayısıyla, bu peak`lerin spektrumdaki konumu (dalgaboyu), bize peak`in ait olduğu sensör başlığının girişindeki sinyalin genlik bilgisini vereceklerdir. Peak`lerin spektrumdaki konumlarını ise sorgulama ünitesi tespit etmektedir. 4.2.Demodülasyon Bu peak`lerin bulunduğu ışık, sensör başlığıyla aynı dizayna sahip olan FBG demodülatöre giriş yapmaktadır. Demodülatör, ayar girişindeki testere dişi sinyalinin etkisiyle, spektrumda tarama yapmaktadır. Testere dişi sinyalinin rampa fonksiyonu olan her bir periyodu, FBG`nin yansıttığı dalgaboyunu spektrumda düşük dalgaboyundan yüksek dalgaboyuna kaydıracaktır. Böylece FBG her bir testere dişi periyodunda spektrumu bir kez tarayacak, yansıttığı ışığın dalgaboyu, girişindeki ışığın bulunduğu dalgaboyu ile çakıştığında, çıkışında bir optik darbe üretecektir. Böylece, girişteki ışığın o andaki dalgaboyuna bağlı olarak, çıkıştaki darbenin testere

29 17 dişi periyodundaki yeri değişecektir. Böylece, demodülatörün girişindeki dalgaboyu modülasyonu, darbe konumu modülasyonuna (Pulse Position Modulation - PPM) dönüştürülmüş olacaktır. Şekil 4.3. Sorgulama ünitesi

30 18 5.YAZILIM BAZINDA SİMÜLASYONLARLA SİSTEMİN İNCELENMESİ Projede uygun çalışma düzeni olarak, kademe kademe ilerleyerek sonuca ulaşmak uygun görülmüştür. Öncelikle tek bir sinyalin bilgisayara aktarılması simüle edilmiştir. Bu denemenin sonuçlarından ve sahip olduğumuz teorik bilgilerden faydalanarak birçok sinyalin aynı anda bilgisayarda gözlenmesi simüle edilmiştir. Simülasyonun analizini kolaylaştırmak amacıyla bilgisayarda gözlenecek sinyal sinusoidal seçilmiştir. Sistemde geniş bant ışık kaynağı olarak tanıtılan parçanın, OptiSystem`de karşılığı bulunamadığından, bunu sembolize etmek için simülasyonda, merkez dalgaboyları uygun şekilde ayarlanmış bir CW laser dizisinin spektrumlarını birleştirerek, 40nm lik dalgaboyu aralığına sahip (1520nm~1560nm) bir ışık kaynağı oluşturulmuştur. Gerçek uygulamalarda ise EDFA ASE geniş bant ışık kaynağı kullanılabilir. Gerçek sistemde veri yakalama kartı ve PC ile fotodiyottan çıkan sinyali sample edip MATLAB ortamına alınmaktadır. Simulasyonda bu görevi 'MATLAB Component' isimli blok gerçekleştiriyor. Fotodiyottan çıkan sinyali MATLAB Component`ın girişine vererek bilgisayara aktarma işlemi simüle edilmiştir. MATLAB Component, hazırlamış olduğumuz M-file`ı çalıştırarak, sinyali işleyip giriş sinyalini geri kazanmakta ve sinyalleri göstermektedir. Şekil 5.1 de de görüldüğü gibi OptiSystem`de FBG`nin sadece optik giriş ve çıkışları mevcuttur. Gerçekte, yansıttığı dalgaboyu, sıcaklık, gerilme kuvveti gibi parametrelerden etkilenmesine rağmen programda bu parametrelerin etkisini görememekteyiz. FBG`nin yansıttığı dalgaboyunu ancak kendimiz bir değer atayarak değiştirebilmekteyiz. Dolayısıyla gerilme kuvvetinin, yani PZT`nin etkisini ancak kendimiz yansıyan dalgaboyunu değiştirerek simüle edebilmekteyiz. Bu sebeple FBG`nin yansıttığı ışığın dalgaboyuna sırayla değerler atayıp programı arka arkaya çalıştırıyoruz. Bu değerler, örneklenmiş bir sinüs dizisinin elemanları şeklinde seçildiğinde, yansıyan dalga boyunu bir sinüs sinyali oluşturacak şekilde değiştirebiliyoruz.

31 19 Şekil 5.1. Tek girişli sistemin OptiSystem layout görüntüsü Bunu başarabilmek için bir döngü oluşturulmuştur. Bu döngünün her bir çevriminde, FBG`lerin yansıttığı dalgaboyu farklı bir değer almaktadır. Bu şekilde dijitize bir çalışma, alınacak sonuçları olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Fakat döngünün çevrim sayısını çok fazla yaparak değişim miktarını çok küçültebilmekteyiz. Bu sayede FBG`nin yansıyan dalgaboyu sanki sürekli (continuous) olarak değişiyormuş gibi işlem yapmamız mümkün olabilmektedir. Şekil 5.2. Giriş sinyali ve geri kazanılan sinyal

32 20 Şekil 5.3. WDM sisteminin layout görüntüsü a) Giriş b) Çıkış Şekil ve 7. giriş ve çıkış sinyalleri Buna göre ve 7. giriş ve çıkış sinyallerinin görüntüsü Şekil 5.4`de verilmiştir (soldaki sütun girişler, sağdaki sütun ise çıkışlara ait grafiklerdir).

33 21 6. FBG ÖLÇÜM PRENSİBİ Optik fiber çekirdeği, güçlü morötesi (UV) ışığa maruz kaldığında kırılma indisi kalıcı olarak değişen bir yapıya sahiptir. Bu özellik kullanılarak fiber çekirdeğine UV girişim deseni düşürdüğümüzde, girişim desenine maruz kalan bölgelerde desenin yapısına bağlı olarak kırılma indisi değişik bölgeler (diskler) periyodik olarak oluşturulabilmektedir. Bragg Grating (Bragg ızgarası) olarak bilinen bu yapı, içerisine giren ışığı bir dizi yansımaya tabi tutar ve sonuçta belli bir dalgaboyunu (Bragg dalgaboyu) geri yansıtır. Gelen ışığın spektrumunun geri kalan kısmını ise geçirir. Burada yansıyan dalgaboyu bazı parametrelere bağlı olabilir. Bunların başlıcaları; diskler arasındaki uzaklığa bağlı olarak FBG üzerindeki gerilme kuvveti (strain), basınç ve sıcaklıktır. Bu projede, FBG üzerindeki gerilme kuvvetine bağlı olarak Bragg dalgaboyunun değişmesi prensibi kullanılacaktır. Özetle, FBG`ye belli bir kuvvet uyguladığımızda boyu küçük bir miktar uzar, dolayısıyla diskler arasındaki uzaklık artar. Bu durumda Bragg dalgaboyu değişir. Şekil 6.1. FBG ve Bragg dalgaboyu Bragg dalgaboyu, λ B, aşağıdaki ifadeyle bulunur [1]: λ B =2 n eff Λ (6.1) Buradaki Λ, ızgara periyodudur. Yani diskler arasındaki uzaklıktır (m); n eff ise fiberin etkin indisidir. Strain, Bragg dalgaboyunu değiştiren tüm faktörlerin

34 22 arasında en etkilisidir. Çünkü ızgaraya strain uygulamak, direk ızgara periyodunu değiştirmeye yönelik bir harekettir. Ayrıca gerçek kırılma indisi n de harici basınca bağlı olarak değişir. Straine bağlı olarak Bragg dalgaboyu değişimi şu şekilde çıkarılabilir: λ B / λ B = ε z - n 2 eff / 2 [ P 12 - µ ( P 11 + P 12 ) ] ε z (6.2) Burada λ B, strain sebebiyle oluşan Bragg dalgaboyundaki kaymadır. P 11 ve P 12 sabitler, µ Poisson oranı, ε z ise uygulanan straindir. Eş. 6.2`den, FBG`nin dalgaboyu kayma hassasiyeti olarak P tanımlarsak: P= n 2 eff / 2 [ P 12 - µ ( P 11 + P 12 ) ] (6.3) Eş. 6.2 şu şekilde sadeleşir: λ B / λ B = (1 P) ε z (6.4) Tipik quartz fiber için; n=1.46, µ= 0.16, P 11 = 0.12, P 12 = 0.27`dir. O halde P = 0.22 : λ B / λ B = 0.78 ε z (6.5) Yine Quartz fiber için düşünürsek, λ B =1550nm için FBG`nin strain hassasiyeti: λ B / ε z = 0.78 λ B = pm/µε z (6.6) λ B = ε z pm/µε z = ε z ( µm ) (6.6.1) 6.1. PZT Elektrostriktif Yer Değiştirme Gerilim Arasındaki İlişki PZT, piezoelektrik etki gösteren seramik bir maddedir. Kurşun Zirkonat- Titanat (Lead Zirconate-Titanate Pb (Zr Ti) O 3 ) maddelerinden uygun

35 23 üretim teknikleriyle oluşturulmuştur. Bu madde, içerisinden geçen elektrik alanla polarize olur. Yapısındaki elektrik dipollerin aynı yöne yönelmesi, maddenin boyunda bir değişmeye sebep olur. Madde bu şekilde strain üretir. Piezoelektrik etki, pozitif ve negatif olmak üzere iki şekildedir. Pozitif piezoelektrik etki, maddenin polarizasyon doğrultusundaki boy değişiminin (yani strain) uygulanan elektrik alanla veya gerilimle doğru orantılı olmasıdır. Bu doğrultuda, uygulanan gerilim yükseldikçe, üretilen strain artar. Polarizasyona dik doğrultuda ise uygulanan gerilim yükseldikçe, strain azalır. Buna negatif piezoelektrik etki denir. Şekil 6.2. Elektrostriksiyon karakteristiği. Düşey yönde pozitif, yatay yönde negatif piezoelektrik etkiyi gözlemleyebiliriz. PZT`ye bir elektrik alan (E) uygulandığında, oluşan strain (S) ile arasındaki orantı şu şekilde gösterilir: S=d E (6.7)

36 24 Burada d, piezoelektrik strain sabitidir (m/v). S`in negatif ya da pozitif olması, polarizasyon doğrultusuna bağlı olarak değişir. Pozitif veya negatif piezoelektrik etki için d aynıdır. PZT`ye bir elektrik alan uygulandığında, polarizasyon doğrultusunda oluşan strain ε e olsun. ε e = d 33 U / M (6.8) Burada U, PZT`ye uygulanan gerilim; M, elektrotlar arasındaki uzaklık (E = U/ M); d 33 ise polarizasyon doğrultusundaki strain katsayısıdır. Şekil 6.3. Polarizasyon doğrultusundaki elektrostriktif bozulma 6.2. Gerilim Sensörünün Karakteristiği Şekil-I`da görülen aparat ile birbirine bağlı bulunan PZT ve FBG`nin strainleri, kayıpları ihmal edersek yaklaşık olarak birbirine eşittir. ε e ε z (6.9) Eş. 6.9, Eş. 6.8 ve Eş `i birleştirip yeniden yazarsak, λ B = d 33 U W / M (µ m ) (6.10)

37 25 Buradaki W, kuplaj katsayısıdır. PZT`nin straininin kaçta kaçının FBG`ye uygulanabildiği bilgisini verir. En iyi durumda, 1 olur Modülasyon Eş. 6.10`da görülen denklem, sensör başlığının giriş çıkış ilişkisidir. Giriş değişkeni olan U, PZT`nin girişine verilen gerilim sinyalidir. Bu sistemin gerçekleştirilme aşamasında, giriş gerilim sinyali olarak hastalardan ölçülen EKG sinyali kullanılacaktır. Çıkış değişkeni ise FBG`nin Bragg dalgaboyundaki kaymadır. FBG`nin çıkışının spektrumunu incelendiğinde, sadece Bragg dalgaboyunda dar bantlı, şiddeti sabit bir ışık olduğu görülecektir. Bu ışığın spektrumdaki konumu, yani dalgaboyu, Eş. 6.10`da da açık bir şekilde görüldüğü gibi giriş geriliminin genliğine bağlıdır. Bu iki değer arasında doğrusal bir ilişki vardır. Dolayısıyla giriş gerilimi 0 olduğunda dalgaboyu kayması da 0 olacak; giriş gerilimi arttıkça dalgaboyu kayması da pozitif yönde artacak, yani Bragg dalgaboyu artacak; giriş gerilimi azaldıkça da dalgaboyu kayması azalacak, yani Bragg dalgaboyu azalacaktır. Bu durumda çıkıştaki ışık spektrumda, giriş gerilimi ile senkronize bir şekilde hareket etmektedir. Böylece giriş geriliminin genlik modülasyonu, çıkıştaki ışığın dalgaboyu modülasyonuna dönüştürülmüştür Demodülasyon Demodülatör olarak kullanılan PZT FBG çiftinin çalışma prensibi, gerilim sensörü başlığının çalışma prensibiyle aynıdır. Yine Eş. 6.10`daki denkleme göre demodülatörün çıkışı, U giriş gerilimine bağlı bir λ B (U) Bragg dalgaboyu kayması fonksiyonudur. Aynı düzeneğin demodülatör olarak çalışmasını sağlayan ise giriş gerilimi olarak bir testere dişi sinyali kullanıyor olmamızdır. Demodülasyon işleminin amacı, sensörün giriş gerilimini geri kazanmaktır. Bunun için sensörün çıkışındaki ışığın dalgaboyunu bilmemiz gerekmektedir.

38 26 Sensörün optik girişinde, geniş bantlı bir ışık vardır. Sensör bunun dar bir bandını seçip çıkışına yansıtmaktadır. Demodülatörün optik girişinde ise sensörden farklı olarak dar bantlı bir ışık bulunmaktadır. Ancak iki düzeneğin de çalışma prensipleri aynı olduğundan, demodülatör de optik girişindeki ışığın spektrumunun dar bir bandını seçip çıkışına yansıtmaktadır. Optik girişte ise sadece bir dalgaboyunda ışık bulunmaktadır. Başka hiç bir dalgaboyunda ışık bulunmamaktadır. Demodülatörün Bragg dalgaboyu ışık bulunmayan dalgaboyunda ise, çıkışında da ışık bulunmayacak, sadece ışığın bulunduğu dalgaboyunda olduğu zaman çıkışında ışık görülecektir. O halde hangi dalgaboyunda ışık olduğunu tespit etmek için, basitçe demodülatörün ayar girişine bir rampa fonksiyonu verilir. Rampa fonksiyonunun başındayken Bragg dalgaboyunun spektrumun en düşük dalgaboyunda olması sağlanır. Rampa gerilimi yükseldikçe, Bragg dalgaboyu da artacak, spektrumu düşük dalgaboyundan yüksek dalgaboyuna doğru tarayacaktır. Hiç bir bölgede çıkışta ışık görülmezken, sadece Bragg dalgaboyu girişte ışık bulunan dalgaboyuna denk geldiği zaman demodülatörün çıkışında ışık görülecektir. Bu dalgaboyuna λ in diyelim. Böylece, rampa fonksiyonu boyunca 0 olan optik çıkışta, sadece λ B = λ in olduğu anda bir ışık darbesi gözlenecektir. Eğer λ in küçükse, demodülatörün çıkışındaki ışık darbesi, rampa fonksiyonun başlarında olacaktır. Eğer λ in büyükse, çıkıştaki darbe, rampanın sonlarında olacaktır. Böylece girişteki ışığın dalgaboyunu çıkıştaki darbenin konumu bilgisine çevirmiş bulunmaktadır. O halde bu aşamada, girişteki ışığın dalgaboyu modülasyonu, çıkıştaki ışıkta darbe konum modülasyonuna (Pulse Position Modulation PPM) dönüştürülmüştür diyebilmekteyiz. Demodülatörün çıkışında ışık darbesi oluştuğunda, bu darbenin konumu bize sadece darbe anındaki λ in değerini verir. λ in`in ani değerinden öte ihtiyacımız olan, λ in`in spektrumda yaptığı hareketi tespit edebilmektir. Bunun için

39 27 demodülatörün ayar girişine, her bir periyodu bir rampa fonksiyonu olan testere dişi sinyali verilmektedir. Dolayısıyla, her bir periyottaki darbe, o andaki λ in değerini bize sağlamaktadır. Bütün bu ani değerleri zaman ekseninde uygun zamanlara yerleştirdiğimizde, λ in`in tüm hareketini elde edebilmiş olmamız gerekmektedir. Yukarıda anlatılan demodülasyon işlemi, bir anlamda optik ortamda yapılan bir örnekleme işlemidir. Sürekli bir harekete sahip olan λ in`in, belli bir periyotta ani değerlerini, yani örneklerini almış oluyoruz. O halde testere dişi sinyalinin frekansı da örnekleme frekansı olmaktadır. Örnekleme teorisinin en önemli kurallarından biri olan Nyquist kriterine göre, örnekleme frekansı, örneklenecek sinyalin en büyük frekans bileşeninin frekansının en az iki katı olmalıdır.ancak bu şekilde sağlıklı, doğru bir geri kazanım elde edebiliriz. Mümkün olduğunca yüksek kalitede sonuç alabilmek adına, testere dişi sinyalinin frekansı çok yüksek tutulmuştur WDM Optik Sensör Ağı Modüle edilen giriş sinyallerinin, merkezi bir kontrol ünitesinde (bilgisayar) toplanması istenmektedir. Bunun için her bir sensör başlığının merkez dalgaboylarının spektrumda hiçbir şekilde birbirleriyle girişim yapmayacak şekilde farklı noktalarda seçilmesi gerekmektedir. Bu konfigürasyonla dalgaboyu bölmesi çoklama (Wavelength Division Multiplexing WDM) prensibinden faydalanmak amaçlanmaktadır. Sensör ağı olarak 3 farklı ağ tasarımı üzerinde durulmuştur. Çalışma mantıkları arasında bazı farklar bulunan bu tasarımların ortak özelliği, hepsinin birer hibrit star-bus topolojisi teşkil etmesidir. Tasarımların hepsinde 32 hastadan EKG sinyali alındığı kabul edilmiştir. Şimdi bu tasarımları inceleyelim.

40 Ağ tasarımı 1 Bu tasarımda yıldız noktasını bir 2x4 optik kuplör oluşturmaktadır. Geniş bant ışık kaynağı, 32 FBG`nin merkez dalgaboyları ve güvenlik bantlarını kapsayacak şekilde seçilmelidir. Kuplör ışık kaynağı spektrumunu 4 farklı kola dağıtmaktadır. Her kolda bulunan 8 FBG, farklı dalgaboylarını geri yansıtacak, ve kuplöre geri dönen ışıkların spektrumunda, 8 farklı FBG`ye ait 8`er adet peak bulunacaktır. Ayrıca her bir kolun spektrumları da birbirlerinden farklı bölgelerde bulunacaklardır. Kuplör üzerinden 4 farklı koldaki spektrumlar tekrar birleşeceklerdir. Bu durumda kuplörün çıkışındaki ışığın sprektrumunda 32 adet her biri farklı FBG`ye ait peak bulunacaktır. Bu peakler, ait oldukları sensör başlığının girişindeki sinyalin genliğiyle senkronize bir şekilde spektrumda salınım yapmaktadırlar. Demodülatör, bu spektrumu baştan sona tarayacak kapasitede olmalıdır. Böylece demodülatörün çıkışında her bir testere dişi periyodunda 32 adet peak bulunacaktır. Bu optik sinyal, fotodiyotla elektrik sinyale dönüştürülüp veri yakalama kartı üzerinden kontrol ünitesine verilecektir. Kontrol ünitesinde uygun sinyal işleme teknikleri kullanılarak PPM modülasyonuna sahip sinyal, ayrıştırılıp her bir sensör başlığının girişindeki sinyal ayrı ayrı elde edilebilecektir. Şekil 6.4. Ağ tasarımı 1

41 29 Şekilde görülen 1 numaralı tasarımın dezavantajı ise ışığın demodüle edilene kadar iki kere 2x4 kuplör üzerinden geçiyor olmasıdır. İlk geçişinde ışığın gücü dörtte birine, ikinci geçişinde ise yarısına düşmektedir. Dolayısıyla ışık gücü kuplörün çıkışında 1/8`ine düşmüş oluyor. Işık kaynağı bu kaybı karşılayabilecek kapasitede seçilmezse, ışık çok zayıflayacağından sağlıklı bir işlem yapılamayacaktır Ağ tasarımı 2 Bu sistemde ise yıldız noktası olarak bir 1x4 WDM Demux kullanılıyor. Böylece her bir koldaki FBG`ler hangi bant aralığını işgal edeceklerse, o kola girişteki geniş bant spektrumunun sadece gerekli olan parçası aktarılacaktır. FBG`lerin yansıttığı ışık ise her bir kolun başına yerleştirilen 2x2 kuplörler vasıtasıyla koldan ayrılıp, bir 4x1 WDM Mux üzerinden WDM sinyali oluşturacak şekilde tekrar birleşmektedir. Bu noktadan sonra oluşmuş olan PPM sinyali uygun sinyal işleme teknikleriyle ayrılıp her sensör başlığının girişindeki sinyalin şekli ayrı ayrı elde edilebilmektedir. Şekil 6.5. Ağ tasarımı 2

42 30 Şekilde de görebileceğimiz gibi, bu topolojide ışık 2x2 kuplörden iki defa geçiyor. Dolayısıyla Mux`a giden ışığın gücü 1/4`üne düşmüştür. Bu etken, 1 numaralı topolojiye göre avantajlı olduğu noktadır Ağ tasarımı 3 Bu sistemin çalışma prensibi diğerlerinden biraz farklıdır. Yıldız noktası olarak bir 1x4 optik anahtar düşünülmüştür. Bu anahtar girişindeki ışığın tümünü istenilen zamanlama ile çıkışındaki 4 koldan birine aktarır. Yani belli bir anda, optik anahtarın çıkışındaki kollardan sadece birisinde ışık bulunmaktadır. Diğerleri ise o sırada çalışmamakta, kendi işlem sıralarını beklemektedir. Bu sistemi doğru çalıştırabilmek için küçük zaman aralıklarında, optik anahtarın çıkışındaki kollar sırayla ışıklandırılacak, yansıyan dalgaboyları alınacaktır. Bu kısaca anlatmış olduğumuz sisteme zaman bölmeli çoklama (Time Division Multiplexing TDM) denir. Bu topolojide testere dişinin her bir periyodu, başka bir koldaki FBG`lere ait 8`er adet peak içerir. Bu topolojide, TDM ile WDM birlikte kullanılmıştır. Şekil 6.6. Ağ tasarımı 3

43 31 Bu tasarımda, yine kuplör sebebiyle ışığın gücü 1/4`üne azalmaktadır. Fakat optik anahtar kullanılması sebebiyle bilgisayara biraz fazla iş düşmüş olmaktadır. Arka arkaya gelecek olan 4 periyodun sonuçlarını aldıktan sonra, bu sonuçların her birini başka bir koldaki FBG`ler ile ilişkilendiriyor. Buna TDM denir. Buna karşın ışık kaynağının sadece 8 adet FBG`nin dalgaboylarını ve güvenlik bantlarını kapsaması yeterli olmaktadır. Aynı şekilde demodülatörün de spektrumda tarayacağı alan çok daha küçüktür. Bu projede tasarlanan sistem için 2 numaralı tasarım uygun görülmüştür Simülasyon OptiSystem`de geniş bantlı ışık kaynağı bulunmadığından, kendimiz bir kaynak oluşturduk. Bunu bir CW lazer dizisinin spektrumları, WDM Mux ile birleştirilerek gerçekleştirildi. 40nm (1520~1560nm) bant genişliğine sahip bir kaynak oluşturmuş olduk. Şekil 6.7. OptiSystem`de oluşturulan ışık kaynağı

44 32 Şekil 6.8. OptiSystem`de, oluşturulan ışık kaynağının OSA çıktısı Gerçek sistemde veri yakalama kartı (data acquisition card) ve PC ile fotodiyottan çıkan sinyali sample edip MATLAB ortamına alınmaktadır. Simülasyonda bu görevi 'MATLAB Component' isimli blok gerçekleştiriyor. Fotodiyottan çıkan sinyali MATLAB Component`ın girişine vererek bilgisayara aktarma işlemi simüle edilmiştir. MATLAB Component, hazırlamış olduğumuz M-file`ı çalıştırarak, sinyali işleyip giriş sinyalini geri kazanmaktadır. Sistem önce tek giriş için çalıştırıldı. Bu sonuçlardan faydalanarak çoklu giriş için de çalıştırıldı. Çoklu giriş için 8 adet sinyal girişi yeterli görüldü. Ayrıca simülasyonda takip ve işlem kolaylığı açısından giriş sinyalleri olarak sinusoidal sinyaller kullanılmıştır.

45 33 Şekil 6.9. OptiSystem`de, gerilim sensörünün layout görüntüsü Şekilde Uniform Fiber Bragg Grating isimli parça gerilim sensörünü, Uniform Fiber Bragg Grating_1 isimli parça ise demodülatörü temsil etmektedir. Tek girişli sistemde giriş sinyali ve geri kazanılan çıkış sinyali şu şekildedir: Çok girişli sistem için ise WDM kullanıldı. Bu kısımda ise birçok sinyali aynı anda modüle edip, aynı anda demodüle edilmesi işlemi gerçekleştirildi. Simülasyonda örnek teşkil etmesi amacıyla 8 adet giriş sinyali kullanılmıştır. Girişteki 8 adet sinüsü birbirinden ayırt edebilmek için her biri farklı fazda oluşturulmuştur. Her bir sinüs, bir öncekinden π / 8 radyan geridedir.

46 34 Şekil Tek giriş sinyalli sistemde giriş olarak verdiğimiz sinyalin şekli ve elde ettiğimiz çıkışın şekli Şekil WDM sistemin layout görüntüsü

47 35 Şekil WDM sistemde girişler (solda) ve çıkışlar (sağda) Şekil 6.11`de sistemin layout görüntüsünü, Şekil 6.12`de ise sisteme giriş olarak verdiğimiz sinyallerin şeklini (sol sütunda), ve kontrol biriminde geri kazanılan sinyallerin şeklini (sağ sütunda) görebilmekteyiz (Şekil 6.12`de girişler ve çıkışlar yukarıdan aşağıya doğru 1., 2., 3.,..., 8. şeklindedir).