LED IŞINLARIN SU ORTAMINDAN GEÇMESİNİN ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 LE IŞINLARIN S ORTAMINAN GEÇMESİNİN ARAŞTIRILMASI Eldar Musayev, İsmail Tekin ludağ Üniversiesi, Mühendislik Mimarlık akülesi, Elekronik Mühendisliği Bölümü 659, Görükle, Bursa / Türkiye eldar@uludag.edu.r iekin@uludag.edu.r Absrac In his paper, propagaion of he kvazimonochromaic ligh in air, pure and sea waer are invesigaed. An experimenal seup is developed for he experimen. 47nm,,, and LEs are used in he experimen. The ligh inensiy disribuion of each LE wih he LE - phoodeecor disance are measured for he air, pure and sea waers. The ligh inensiy disribuions are approximaed wih he sandard funcions. Öze Bu çalışmada, kvazimonokromaik spekrumlu ışınların (LE ışınlarının) havadan, saf sudan deniz suyundan geçmesi araşırılmışır. Araşırmalar için deney düzeneği gelişirilmişir. Araşırmalarda 47nm,,, ve dalga boylu LE ler kullanılmışır. Her bir LE ışınının farklı oramlarda (havada, saf suda ve deniz suyunda) mesafe ile değişimi espi edilmişir. Işınların mesafe ile değişimi sandar fonksiyonlar ile aproksime edilmesi göserilmişir. Anahar kelimeler: LE, ışın şiddei, su, zayıflama, mesafe. Giriş Opik yönemler suyun özelliklerinin ölçülmesinde [-6], su içerisinin aydınlaılmasında [7-9] ve su içerisinde haberleşmede [] sıkça kullanılırlar. Genelde opik yönemlerin gerçekleşirilmesinde ışık kaynağı olarak lambalar ve lazerler kullanılmakadır. Yarıileken eknolojisinin gelişmesi ile kvazimonokromaik spekrumlu ışın veren diyoların (Ligh Emiing diodes, LEs) ölçüm sisemlerinde ve sensörlerde [22, 24, 25, 26], aydınlamada [2] ve kısa mesafe haberleşmede [2, 23] kullanım alanları armışır. Kvazimonokromaik spekrumlu LE lerin su oramında kullanılması için, kvazimonokromaik spekrumlu ışınların su oramından geçmesinin araşırılması gerekir. Yapılan lieraür araşırması, bu konuda boşluk olduğunu gösermekedir. Bu boşluğu doldurmak ve LE lerin kullanım alanlarını genişlemek için çeşili dalga boylarındaki kvazimonokromaik spekrumlu ışınların su oramından geçmesinin ve ışınların mesafe ile değişiminin araşırılmasına ihiyaç vardır. Araşırmaların yapılması için bir deneye düzeneğine ihiyaç vardır. 2. Kvazimonokromaik spekrumlu ışın vericilerin (LE lerin) seçilmesi Araşırmalar opik spekrumun görünür bölgesinde yapılması gerekir. Bundan dolayı seçilen LE ler de görünür bölgede ışın vermelidirler. Opik spekrumun görünür bölgesini kapsamak için 5 ade LE seçilmiş ve bu LE lerin spekrum karakerisikleri Şekil de göserilmişir. Burada - maksimum dalga boyu 47nm olan LE in, 2- maksimum dalga boyu olan LE in, 3- maksimum dalga boyu olan LE in, 4- maksimum dalga boyu olan LE in ve 5- maksimum dalga boyu olan LE in spekrumudur. Seçilen LE lerin önemli özellikleri ve paramereleri Tablo de göserilmişir. Tablo. Seçilen LE lerin özellikleri ve paramereleri malzeme Renk λ max, I,, λ /2, I 2 θ /2 nm ma V nm InGaN Mavi , InGaN Cyan , InGaN Yeşil , AlInGaP Zümrü ,2 3 2 yeşili AlInGaP Amber , λ,nm Şekil. Araşır için seçilen LE lerin spekrum karakerisikleri. 5

2 3. Araşırmalar yapılması için deney düzeneğinin gelişirilmesi Gelişirilen deney düzeneği aşağıda sıralanan özelliklere sahip olmalıdır:. Işın vericiler (LE ler) kolayca değişirilebilmesi 2. LE lerin beslemesi darbeli olmalıdır 3. LE akımları ayarlanabilmelidir 4. arbeli akımın süresi ve boşluk süresi ayarlanabilmelidir 5. Işın vericilerin ve fooalıcının durumları (koordinaları) üç eksende ayarlanabilmelidirler 6. Gereken LE kolayca seçilebilmelidir 7. oosinyalin gerekli seviyeye çıkarılabilmelidir 8. eney düzeneğinin laborauar şarlarında kullanılabilmelidir Yukarıda sıralanan şarlara uygun bir deye düzeneği gelişirilmişir. ene düzeneğinin görünüşü Şekil 2 de verilmişir. Şekil 3. eney düzeneğinin şeması. Burada OS- darbe osilaörü, PS- anahar rejiminde çalışan bipolar ransisor, SW- beş konumlu LE leri devreye bağlayan anahar, R L -R L5 - LE lerin akım belirleyici dirençleri, Lλ - 47nm dalga boylu LE, L λ 2 - dalga boylu LE, Lλ 3 - dalga boylu LE, Lλ 4 - dalga boylu LE, Lλ 5 - dalga boylu LE, - foodiyo, R P - foodiyodun yük direnci, C ve R filre, PA- ön kuvvelendirici, CC - besleme gerilimi, O çıkış gerilimidir. LE ler darbeli akımla sürülmüşür. Şekil 4 de darbeli akımın zaman diyagramları göserilmişir. Şekil 4. arbeli akımın zaman diyagramları. Şekil 2. eney düzeneği. Şekil 2 de - 6cm x 3cm x 3cm ebalarında cam küve, 2- LE ler, 3- fooalıcı, 4 ve 5 ölçeklendirilmiş dikey uucular, 6 ve 7 ölçeklendirilmiş yaay uucular, 8 ve 9 ayar düğmeleri, ve LE lerin ve fooalıcıların bağlanı konekörleri, 2 ve 3 cevellerdir. eney düzeneği, LE lerin ve fooalıcının konumu değişirilebilecek şekilde asarlanmışır. LE lerin ve fooalıcıların konumları ceveller ile belirlenir. Şekil 3 de deney düzeneğinin şeması göserilmişir. Burada: I L -LE akımı, I m -LE akımının maksimum değeri, I AVG -LE akımının oralama değeri, -darbe süresi, B -boşluk süresidir. LE ler üzerinden akan akımın değeri en küçük ışın şiddeine sahip LE e göre seçilir. min CC CE(SAT) = K L () R L Burada - LE in eşik gerilimi, CE(SAT) - ranzisorlü anaharın doyum gerilimi, K L - akımı ışına çevirme kasayısı, CC - besleme gerilimi R L - akım belirleyici dirençir. LE akımları, fooalıcıda elde edilen foo işare gürülü seviyesinin üsünde olacak şekilde seçilir. R L - R L5 dirençleri ile LE lerde akan akımlar ayarlanır. LE üzerinden akan darbeli akımın oralama değeri [2], I AVG = I m (2) + B

3 şeklinde ifade edilebilir. Burada I AVG - oralama akım, - darbe süresi, B - boşluk süresi, I m - darbenin maksimum değeridir. arbeli modda oralama akımın, LE in ileim yönündeki akımından küçük veya eşi olduğunu kabul ederek ( I I ) darbeli akımın maksimum değeri, AVG şeklinde ifade edilebilir. I + B m = I (3) Araşırmada dör bileşenli fooalıcı kullanılmışır. ooalıcının zaman sabii ( τ = µ s ) dir. LE den akan darbeli akımın darbe süresi fooalıcının zaman sabiinin 3 veya 4 kaından büyük olmalıdır [2]. ooalıcıda oluşan foosinyalin genliği, fooalıcıya ulaşan ışın şiddei ile doğru oranılı olduğundan, denemelerde L (4) L max max alınmışır. Bu çalışmada, LE ile fooalıcı arasındaki mesafenin değişimi ile foosinyalin değişimi incelenmişir. = f (L) (5) Burada L- LE ile fooalıcı arasındaki mesafedir. Öncelikle gereken özelliklere sahip darbeli akım seçilir. arbeli akımların değerleri o şekilde seçilirler ki maksimum mesafede foosiynal gürülünün üsünde bulunsun. LE uucuya Şekil de göserilen spekrumlu LE ler yerleşirilir. LE uucu ve fooalıcı uucusu karşılıklı yerleşirilir. Kuvee su olmadığında, saf su olduğunda ve deniz suyu olduğunda LE ler ve fooalıcı arasındaki mesafeyi değişerek, mesafe ile foosinyalin değişimi espi edilir. Araşırmalar havada, saf suda ve deniz suyunda olmak üzere üç farklı oramda için yapılmışır. LE ile fooalıcı arasındaki mesafe adım adım arırılarak foosinyalin mesafe ile değişimi elde edilmişir. enemelerde 8 noka için ölçümler yapılmışır. Işın vericinin ve fooalıcının yerleşiminden kaynaklanan haaları azalmak için her noka için ölçümler ar kez ekrarlanmış ve oralamaları alınmışır. MATLAB programı ile inerpolasyon yapılarak ara değerler elde edilmişir. 4. Araşırma Sonuçları ve Tarışma / max 47nm L(cm) Şekil 5. Havada farklı dalga boylu LE ışınlarının mesafe ile zayıflaması. Bu diyagramların incelenmesi gösermekedir ki : Havada yakın mesafelerde (5cm ile 2cm arasında) 47 nm ve 55 nm dalga boyundaki ışınlar daha az zayıflamakadır. Havada, ve dalga boyundaki ışınların zayıflama eğrileri aynidir. / max 47nm L(cm) Şekil 6. Saf suda farklı dalga boylu LE ışınlarının mesafe ile zayıflaması. Saf suda durum farklıdır. li ışınların saf suda zayıflaması daha azdır. Saf suda 47nm,, ve dalga boyundaki ışınların zayıflama eğrileri aynidir. Araşırma sonuçları üç farklı durum için normalize edilmiş diyagramlar şeklinde Şekil 5, Şekil 6 ve Şekil 7 de göserilmişir.

4 / max 47nm L (cm) a Şekil 7. eniz suyunda farklı dalga boylu LE ışınlarının mesafe ile zayıflaması. eniz suyunda saf suda gibi li ışınların zayıflaması daha azdır. eniz suyunda 47nm,, ve dalga boyundaki ışınların zayıflama eğrileri aynidir. Elde edilen deney sonuçlarının sandar fonksiyon ile apraksime edilmesi için Bugger-Berr ve foosinyalin mesafe ile karesel değişimi fonksiyonları seçilmişir. eney sonuçları Malab programında işlenmişir. eneysel eğriler ile sandar fonksiyonların arasındaki oralama karesel haalar hesaplanmışır. Tablo 2 de elde edilen deneysel sonuçların sandar fonksiyonlara uyumluluğu (oralama karesel haa payı) verilmişir. b Tablo 2. Elde edilen deneysel sonuçların sandar fonksiyonlar ile aproksime edilmesinde oralama karesel haa payı. alga boyu Havada, δ %) Saf suda, δ (%) eniz suyunda, δ (%) Exp. Kar. Exp. Kar. Exp. Kar. 47nm,32 2,3 8,82, 7,43,44 2,34,56 8,2,8 7,73,32 5,3, 9,6,7 8,32,48 5,64,5 9,45 2,6 7,7,3 5,39,23 9,84 3,35 8,43 2,22 Şekil 8 de bir örnek olarak 47nm li dalga boyu için deneysel ve sandar fonksiyonların grafikleri göserilmişir. c Şekil 8. havada, saf suda ve deniz suyunda 47nm dalga boylu LE ışının oluşurduğu foosinyalin mesafe ile değişimi. Burada:a-havada, b-saf suda, c-deniz suyunda, -deney sonuçları ile elde edilen eğri, 2 -karesel fonksiyonu ile elde edilen eğri ve 3-eksponena ile elde edilen eğridir eney sonuçlarının incelenmesi gösermekedir foosinyalin mesafe ile değişimi:. Havada karesel ve eksponansiyel fonksiyonla ifade edilebilir. 2. Saf ve deniz sularında karesel fonksiyonla ile edilmesi daha el verişlidir.

5 Kaynaklar. A. Alber and P. Gege, "Inversion of irradiance and remoe sensing reflecance in shallow waer beween 4 and 8 nm for calculaions of waer and boom properies," Appl. Op. 45, (26) 2. G. all'olmo and A. A. Gielson, "Effec of bio-opical parameer variabiliy on he remoe esimaion of chlorophyll-a concenraion in urbid producive waers: experimenal resuls," Appl. Op. 44, (25) 3. V. Sivaprakasam and. K. Killinger, "Tunable lraviole Laser-Induced luorescence eecion of Trace Plasics and issolved Organic Compounds in Waer," Appl. Op. 42, (23) 4. A. Kuwako, Y. chida, and K. Maeda, "Supersensiive eecion of Sodium in Waer wih se of ual-pulse Laser-Induced Breakdown Specroscopy," Appl. Op. 42, (23) 5.. -K. Qing, M. P. Meng,. A. Payne, and M. -G. C. anao, "Convecive-iffusion-Based luorescence Correlaion Specroscopy for eecion of a Trace Amoun of E. coli in Waer," Appl. Op. 42, (23) 6. G. &a. ;n. a Cosa, J. E. Parra, and. Mosqueda, "Laser-Induced Migraion of Oil Paricles Suspended in a Waer Marix," Appl. Op. 4, (22) 7. WHITCOMB, L.,. YOERGER, H. SINGH, J. HOWLAN Advances in nderwaer Robo Vehicles for ep Ocean Exploraion: Navigaion, Conrol, and Survey Operaions. Roboics Research 9: Proceedings of he Ninh Inernaional Symposium of Roboics Research (ISRR 99), Ocober 9-2, Snowbird, ah, SA. 8. B. C. Bailey, J. H. Bla,. M. Caimi, Radiaive ransfer modeling and analysis of spaially varian and coheren illuminaion for undersea objec deecion, IEEE Journal Of Oceanic Engineering, 28 (4), (23).. 9. J. S. Jaffe, Compuer modeling and he design of opimal underwaer imaging sysems, IEEE Journal of Oceanic Engineering 5(2), - (99).. L. E. Eses, G. ain, J.. Haris, Laser beam propagaion hrough he ocean's surface, OCEANS 96, MTS/IEEE, Prospecs for he 2s Cenury Conference Proceedings,, (996).. H.-H. Chen, C.-M. Wu, An algorihm of image processing for underwaer range finding by acive riangulaion, Ocean Engineering 3, (24). 3. H. Yang, H. R. Gordon, Remoe sensing of ocean color: assessmen of waer-leaving radiance bidirecional effecs on amospheric diffuse ransmiance Appl. Op. 36 (3), (997). 4. C.. Mobley, Ligh and Waer, Academic Press, M. Sogandares, E. S. ry, Absorpion specrum (34-64nm) of pure waer. I. I. Phoohermal measuremens, Appl. Op. 36 (33) (997). 6. R. M. Pope, E. S. ry, Absorpion specrum (38-7nm) of pure waer. II. Inegraing caviy measuremens. Appl. Op. 36 (33) (997). 7. J. Aiken, S. J. Hudson, J. P. Vessey, 994. The measuremen of opical aenuaion in sea waer, OCEANS 94, Oceans Engineering for Today s Technology and Tomorrow s Preservaions, 2, , (994). 8.. Sramski, E. Boss,. Bogucki, K. J. Voss, The role of seawaer consiuens in ligh backscaering in he ocean, Progress in Oceanography 6, (24). 9. E. S. ry, Visible and near-ulraviole absorpion specrum of liquid waer: commen, Appl. Op. 39 (6) (2). 2. E. Musayev, İ. Tekin, The principle of obain o opical signal from posiive and negaive edge of pulse daa, SI 99, Bilken, Ankara, 999, pp Musayev E., Opoelecronic circuis and sysems, Birsen Press, Isanbul, 999, 284 p. 22. Musayev E., Conversion Mehod And Sysem, Sensors And Acuaors : A, Elsevier, 25 (26), pp , 23. Musayev E., Opoelecronıc Sep Couner, IEE Proc. Opoelecronics, April 26, Volume 53, Issue 2, p Musayev E., Opoelecronic Nondesrucive Tesing Techniques Of Cocoon Properies And Applicaions, NT And E Inernaional, 38 (25) pp.59-68, Musayev E., An Opoelecronic efec eecion Mehod and Sysem Insensiive o Yarn Speed, Journal of Opics A: Pure and Applied Opics, 6 (24) pp Musayev E., Karlik S. E., A novel liquid level deecion mehod and is implemenaion, Sensors and Acuaors : A, Vol.9, Issues -2, ecember 23, pp E. A. McLean, H. R. Burris, Jr., M. P. Srand, Shorpulse range-gaed opical imaging in urbid waer, Appl. Op. 34 (2), (995).