5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye BETONARME VE TARİHİ YAPILARDAKİ YIPRANMALARIN FİBER OPTİK SENSÖRLE TESPİTİ DETECTION OF CRACKS AND DAMAGES IN CONCRETE AND HISTORICAL BUILDINGS USING FIBER OPTIC SENSORS Fidanboylu, K. a *, Efendioğlu, H. S. a, Toker, O. a ve Eşen, M. E. a a Fatih Üniversitesi, İstanbul, Türkiye E-posta: kfidan@fatih.edu.tr, hseckin@fatih.edu.tr, onur@fatih.edu.tr, enisesen50@yahoo.com Özet Bu bildirimizde, mikrokıvrım fiber optik sensörler ve modların güç dağlımına dayanan fiber optik sensörlerle basınç ve gerginlik ölçme deneyleri yapılmış ve bu sensörlerin yapıların durum gözlemlerinde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Yapılan deneylerin sonucunda mikrokıvrım fiber optik sensörlerin ve modların güç dağılımına bağlı fiber optik sensörlerin yapılardaki durum gözlemlerine uygun olabileceği ve ileride geliştirilebilicek daha karmaşık sistemlerin geliştirilmesine temel oluşturabileceği Anahtar kelimeler: Fiber optik sensör, mikrokıvrım, akıllı yapılar, modların güç dağılımı Abstract In this paper, experimental results on the measurement of stress and strain using two fiber optic sensors have been presented. The first fiber optic sensor is based on the microbending technique and the second one is based on the modal power distribution techniques. From these experimental results, it is shown that these techniques can be utilized in health monitoring of concrete structures and historical buildings. Keywords: Fiber optic sensor, microbending, smart structures, modal power distribution 1. Giriş modulasyonuna bağlı tekniklere dayanmaktadır. Bunlardan en yaygın kullanılanları ise interferometrik sensörlerdir. Bu bildiri betonarme ve tarihi yapılardaki yıpranmaların fiber optik sensörlerle tespiti konusu kapsamında akıllı yapılarda kullanılabileceği düşünülen Modların Güç Dağılımı ve Mikrokıvrım Sensörleri hakkındadır. Bu iki fiber, optik sensör çeşidinin gerginlik ve stres ölçümlerinde kullanılması incelenmiş, böylece betonarme ve tarihi yapılardaki kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu kapsamda deneyler yapılmış ve elde edilen sonuçlar bildiride verilmiştir. 2. Teorik Bilgi Akıllı yapı uygulamalarında sıklıkla kullanılan fiber optik sensör çeşitlerinden biri faz-modüleli interferometrik sensörlerdir. Yaygın olarak kullanılan intererometrik sensör örneklerinden biri literatürde SOFO olarak adlandırılmaktadır. Fransızca Surveillance d Ouvrages par Fibres Optiques tanımlamasından türemiş olan kısaltma optik fiberlerle yapısal görüntüleme anlamına gelmektedir. SOFO sisteminin çalışma prensibi Şekil 1 de şematize edilmiştir. SOFO sistemi akıllı yapı sisteminin gelişmiş bir örneğidir. Sensörde iki şerit halinde uzanan fiber optik kablo bulunmaktadır. Bunlardan biri ölçücü fiber, diğeri ise referans fiberdir. Yapıdaki tüm değişimler bu iki fiberdeki değişimlerin farklılığıyla ölçülmektedir. Bu analizi yapmak için alınan veriler çeşitli devre ve detektörlerden geçtikten sonra bilgisayar aracılığı ile görüntülenmektedir [2]. Faz, dalgaboyu, genlik ve polarizasyon modülasyonu gibi farklı çalışma prensiplerine dayanan fiber optik sensörler elektromanyetik girişime karşı duyarsız olma, küçük boyutluluk, düşük ağırlık, sağlamlık, ve elektriksel olarak pasif olma gibi avantajları nedeniyle bir çok uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Avantajlarının yanında; yakın geçmişte olan gelişmeler ve fiyat düşümleri fiber optik sensörlere olan ilgiyi arttırmıştır. Fiber optik sensörlerin kullanıldığı alanlardan biri betonarme veya tarihi yapıların durum gözlemleridir. Köprüler, barajlar, yollar, yüksek katlı binalar ve tarihi eserler üzerindeki farklı parametrelerin algılanmasında fiber optik sensörler son yıllarda kullanılmakta ve bu konu ile ilgili araştırmalar yapılmaktadır. Bu tip fiber optik sensölerle gerçekleştirilen düzenekler literatürde akıllı yapılar (smart structures) olarak da adlandırılmaktadır [1]. Literatürde fiber optik sensörlerin akıllı yapılarda kullanılmasına yönelik çalışmalar genellikle faz Şekil 1. SOFO sistemi [2]. El-Sherif ve arkadaşları tarafından geliştirilen Modların Güç Dağılımı fiber optik sensörlerde ışığın şiddet (genlik) dağılımın değişimine bağlı bir tekniktiktir. Fiber optik sinyaller fiber çıkışında bir patern oluşturacak şekilde fiber IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
içinde 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. Fiber girişine bir kaynaktan ışıma yapıldığında gerekli şartlarda fiber çıkışında bir halka şekli oluşturulabilir. Bu halka şeklindeki ışık şiddeti değişimin iki boyutlu analizi modların güç dağılımı tekniğinde kullanılır. Etkiden önce ve sonraki halka üzerindeki ışık şiddeti değişimleri karşılaştırılır. Bu işlem fotodedektör veya CCD kamera kullanılarak gerçekleştirilebilir. Böylece dışarıdan uygulanan etkiler ölçülebilir [3]. Modların güç dağılımının ölçülebilmesi için oluşturulabilecek sistemin genel hatları Şekil 2 de Bu düzenek lazer veya LED lerden oluşan bir ışık kaynağı, dış etkinin yapıldığı algılayıcı kısım, bir CCD kamera veya fotodedektör, görüntü işlemenin yapıldığı bilgisayar bulunan çıkış kısmı gibi bölümlerden oluşur [4]. Şekil 3. Mikrokıvrım sensör diyagramı [7]. 3. Deney Sonuçları 3.1. Mikrokıvrım Sensörü Deney Sonuçları Şekil 4 teki düzenek kurularak mikrokıvrım sensörü ile ilgili deneyler yapılmıştır. Bu deneyde ışık kaynağı olarak 650 nm dalgaboyunda 16 mw gücünde katı hal lazeri kullanılmıştır. Lazerden çıkan ışık 20X bir lensten geçerek odaklanmakta ve fibere girmektedir. Kullanılan fiber, sayısal açıklığı (NA) 0.37 olan, çekirdek/dış katman/kılıf uzunlukları sırasıyla 200/230/500 µm olan basamak indeksli çok modlu silika malzemeden üretilmiş bir fiberdir. Çıkış gücü, ışık gücünü ölçebilen hassas güç ölçer ile ölçülmektedir. Algılayıcı kısım ise özel yapım birbirine geçmeli eşit aralıklara sahip dişlileri olan iki paralel plakadan oluşmaktadır. Algılayıcı kısım Şekil 5 te Şekil 2. Modların güç dağılımı özelliği [4]. Dış etki sonucunda sınır koşullarının değişmesi 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 dış etkiler ölçülebilir [5]. Bu teknikte diğer tekniklerden farklı olarak lazer kaynağı yerine bir LED ve CCD kamera yerine bir veya daha fazla fotodedektör kullanılabileceğinden ucuz bir yöntemdir. Fiber optik mikrokıvrım sensörler bazı araştırmacılar tarafından geliştirilen en eski fiber optik sensörlerden biridir. Fiber optik mikrokıvrım sensörler, iki yüzey arasına yerleştirilmiş fiber optik kablodaki mikrokıvrım kaybı üzerine kurulu ışık şiddeti (genlik) modüleli bir yöntemdir. Fiberdeki mikrokıvrım kaybı, fiber kıvrımların (dişler) kalınlığı genliği, kıvrımlar arasındaki uzunluk (mekanik dalgaboyu), kıvrım sayısı ve fiber kablonun özelliklerinin bir fonksiyonudur. Işık fiber boyunca ilerlerken iki yüzey arasına yerleştirilmiş fiber optik kablo bir dış etkiye maruz bırakılırsa kıvrım bölgelerinde ışık kayıpları meydana gelir [6]. Oluşan kayıplar sensör çıkışına bağlı bulunan optik güç ölçer veya bir çeşit fotodedektör ile ölçülebilir. Mikrokıvrım sensör sistemi üç ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar ışık kaynağı, algılama bölümü ve çıkış gücü ölçüm kısmıdır. Mikrokıvrım sensöründe kaynaktan verilen ışık mercekte odaklandıktan sonra özel hazırlanmış iki yüzey arasına yerleştirilmiş fiberden geçirilerek bir foto sensör yardımıyla çıkışı alınabilir [7]. Bu düzeneğin diyagramı Şekil 3 de Şekil 4. Mikrokıvrım sensör düzeneği. Şekil 5. Mikrokıvrım sensör algılayıcı kısmı. Deneyler, sensördeki farklı kıvrım sayısı, farklı kıvrım kalınlığı ve farklı kıvrımlar arası uzunluk (mekanik dalgaboyu) göre yapılmış ve bu değişimlerin sensöre etkileri analiz edilmiştir. Farklı ağırlıklar sensöre uygulanarak farklı boyutlardaki sensör parametreleri ile sensör çıkışında oluşan ışık gücünün değişimi gözlemlenmiştir. Birinci düzenekte, sensör kalınlığı 6 mm olan, tek kıvrımlı bir sensörünün kıvrımları arasındaki yatay uzunlukları sırası ile 16, 18 ve 20 mm olarak değişitirilerek her biri
üzerinde farklı ağırlıklara göre çıkış gücü ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar Şekil 6 da Bu sonuçlardan görüldüğü gibi, ağırlık arttıkça sensör çıkışındaki ışık gücünün azaldığı tesbit edilmiştir. Ayrıca, kıvrımlar arasındaki yatay uzunluğun azalması ile hassasiyetin arttığı ortaya çıkmıştır. İkinci düzenekte, sensör kalınlığı 6 mm olan, çift kıvrımlı bir sensörünün kıvrımları arasındaki yatay uzunlukları sırası ile 16, 18 ve 20 mm olarak değişitirilerek her biri üzerinde farklı ağırlıklara göre çıkış gücü ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar Şekil 7 de Bu sonuçlardan görüldüğü gibi, ağırlık arttıkça sensör çıkışındaki ışık gücünün azaldığı tesbit edilmiştir. Birinci ve ikinci mikrokıvrım deneylerinden elde edilen sonuçlara göre, kıvrım sayısındaki artışın ışık şiddetindeki kaybı arttırdığı görülmektedir. Üçüncü düzenekte ise sensör kalınlığı 10 mm olan 3 kıvrımlı bir sensörün kıvrımlar arasındaki yatay uzunlukları sırası ile 24, 26 ve 28 mm olarak değişitirilerek her biri üzerinde farklı ağırlıklara göre çıkış gücü ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar Şekil 8 de Bu sonuçlardan da görüldüğü gibi, ağırlık arttıkça sensör çıkışındaki ışık gücünün azaldığı ve kıvrımlar arasındaki yatay uzunluğun azalması ile birinci ve ikinci mikrokıvmım deneylerinde olduğu gibi hassasiyetin arttığı gözlenmektedir. Ayrıca, sensör kalınlığının artması ile hassasiyetin azaldığı ortaya çıkmaktadır. Şekil 8. 10 mm kalınlık 24, 26 ve 28 mm aralıklı üç kıvrım ile yapılan deney sonuçları. 3.2. Modların Güç Dağılımı Sensörü Deney Sonuçları 3.2.1 Gerginlik Deneyi Sonuçları Şekil 9 da 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 kamera dan oluşmaktadır. Düzenekte ışık kaynağı 650 nm dalgaboyunda 16 mw gücünde katı hal lazeri kullanılmıştır. Kullanılan fiber sayısal açıklığı (NA) 0.37 olan, çekirdek/dış katman/kılıf uzunlukları sırasıyla 200/230/500 µm olan basamak indeksli çok modlu silika malzemeden üretilmiş bir fiberdir. Şekil 6. 6 mm kalınlık 16, 18 ve 20mm aralıklı tek kıvrım ile yapılan deney sonuçları. Şekil 9. Modların güç dağılımı gerginlik ölçümü için sensör düzeneği. Düzenekteki algılayıcı kısmı bu deney için özel olarak tasarlanmıştır. Fiber ipin içinden geçirilmiş ve iki ucu sabitlenmiştir. Daha sonra bir makara sistemi ile bu iki nokta arasına gerginlik uygulanmıştır. Algılayıcı kısım Şekil 10 da Burada d=33 cm lik fiber boyunca gerginlik uygulanmıştır. Şekil 7. 6 mm kalınlık 16, 18 ve 20mm aralıklı çift kıvrım ile yapılan deney sonuçları. Şekil 10. Gerginlik deneyinde algılayıcı kısım.
Gerginlik deneyinde modların güç dağılımı tekniğinden faydalanarak çok modlu fiberin uygulanan bir gerginliğe karşı yapıda oluşturduğu değişim eş zamanlı olarak gözlemlenmiştir. 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 kuvvetler şeklinde uygulanmıştır. CCD kamera ile yarı geçirgen kağıt üzerine düşen halka resimleri her bir farklı kuvvet için çekilmiştir. Fotoğraf çekimlerinin yanında aynı zamanda her bir kuvvet 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 kuvvetler için çizdirilmiştir. CCD kamera ile çekilen resimler ve manuel ölçüm için ışık şiddeti profilleri sırasıyla Şekil 11 ve Şekil 12 de Şekil 13. Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (CCD kamera). Deneyde sırasıyla 9.81 N, 19.62 N, 29.43 N ve 58.44 N luk kuvvetler uygulanarak algılayıcı kısımda gerginlik oluşturulmuştur. Her kuvvet artışında halka üzerindeki ışık şiddeti (gücü) azalırken, aynı anda merkeze doğru ışık gücü artmıştır. 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 kuvvet artışında azalmasının yanında, merkez civarında arttığı gözlenmiştir. 3.2.2 Basınç Deneyi Sonuçları Şekil 11. Farklı kuvvetler için fiber çıkışında oluşan halka şekilleri. Şekil 14 te görülen deney düzeneği, 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 dan oluşmaktadır. Şekil 12. Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (güç ölçer). 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 13 de görüldüğü gibi çizdirilmiştir. Şekil 14. Modların güç dağılımı basınç ölçümü için sensör düzeneği. Düzenekteki algılayıcı kısım Şekil 15 (a) da Algılayıcı kısım birbirine paralel iki metal plakadan oluşmaktadır. Fiber metal plakaların arasından geçmektedir. Ayrıca sensör hassasiyetini arttırmak için küçük bir dikdörtgensel metal plaka fiberin üzerine plakaların arasına yerleştirilmiştir (Şekil 15 (b)). Basınç fiberin d=2.2 cm lik kısmı boyunca uygulanmıştır.
Şekil 15. Basınç deneyi için algılayıcı kısım. Basınç algılayıcı kısımdaki üst metal plakaya artan kuvvetler şeklinde beş farklı kuvvet seviyesi için uygulanmıştır. Gerginlik deneyinde olduğu gibi, basınç artan kuvvetler şeklinde uygulanmıştır. CCD kamera ile yarı geçirgen kağıt üzerine düşen halka resimleri her bir farklı kuvvet için çekilmiştir. Fotoğraf çekimlerinin yanında aynı zamanda her bir kuvvet 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 kuvvetler için çizdirilmiştir. CCD kamera ile çekilen resimler ve manuel ölçüm için ışık şiddeti profilleri sırasıyla Şekil 16 ve Şekil 17 de Şekil 17. Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (güç ölçer). Şekil 18. Normalize ışık gücünün çıkış açısına göre değişimi (CCD kamera). 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 18 de çıkış açısına göre CCD kamera görüntülerinin profilleri çizdirilmiştir. Her bir basınç seviyesi artımında Şekil 18 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 basınç seviyesinde merkeze doğru ışık gücü artarken halka üzerindeki ışık gücü azalmıştır. Etkiden önceki ve sonraki halka üzerindeki güç dağılımları değişmiştir. 4. Sonuç Şekil 16. Farklı kuvvetler için fiber çıkışında oluşan halka şekilleri. Bu çalışmamızda, mikrokıvrım fiber optik sensörler ve modların güç dağlımına dayanan fiber optik sensörlerle basınç ve gerginlik ölçme deneyleri yapılmış ve bu sensörlerin yapıların durum gözlemlerinde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Tüm deney düzenekleri, gerçek hayattaki durumları göz önünde bulundurarak laboratuvar ortamı için özel olarak tasarlanmıştır. Mikrokıvrım sensör deneyleri kıvrım sayısı, kıvrım kalınlığı ve kıvrımlar arasındaki yatay uzunlukları değişik olan sensörler üzerinde artan ağırlıklar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde, ağırlık arttıkça sensör
çıkışındaki ışık gücünün azaldığı görülmüştür. Ayrıca, sensör üzerindeki kıvrım sayısındaki artışın ışık şiddetindeki kaybı arttırdığı gözlemlenmiştir. Diğer taraftan, sensör kalınlığının ve kıvrımlar arasındaki yatay uzunluğun artmasının sensör hassasiyetini azaltığı ortaya çıkmıştır. Modların güç dağlımına dayanan fiber optik sensör deneylerinde artan kuvvetler kullanılarak fiber üzerindeki gerginlik ve basınç arttırılmıştır. Gerginlik ve basıncın artmasıyla halka üzerindeki ışık şiddetinin azaldığı, aynı anda merkeze doğru ışık gücünün ise arttığı görülmüştür. Böylelikle, yüksek dereceli modların gücü düşük dereceli modlara kaymıştır. Güç ölçer profilleri ve CCD kamera görüntü profillerinde de tepe noktadaki ışık gücünün her bir kuvvet artışında azalmasının yanında, merkez civarında arttığı gözlenmiştir. [5] El-Sherif M. A., Smart structures and intelligent systems for health monitoring and diagnostics, ABBI, Vol. 2 No. 3-4, pp. 161-170, 2005. [6] Luo F, J. Liu, N. Ma, T.F. Morse A Fiber Optic Microbend Sensor for Distributed Sensing Application in the Structural Strain Monitoring, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Laboratory for Lightwave Technology, 1999. [7] Pandey N.K., B.C. Yadav, Embedded Fibre Optic Microbend Sensor for Measurement of High Pressure and Crack Detection, Materials & Sensors Research Laboratory, 2006. Betonarme ve tarihi yapılardaki durum gözlemleri büyük bir öneme sahiptir. Bu nedenle farklı tipte ileri teknolojik ürünlerler ile yapıların durumları gözlenmektedir. Durum gözlemlerinde genellikle kullanılan ileri teknolojik ürünler sensörlerdir. Fiber optik sensörler, yapıların durumlarının gözlemlenmesinde kullanılmaya başlanan ve son yıllarda gittikçe önemi artan ileri teknolijik ürünlerdir. Fiber optijk sensörlerle durum gözlemi kavramı akıllı yapılar kavramını ortaya çıkarmıştır. Yapılan deneylerin sonucunda mikrokıvrım fiber optik sensörlerin ve modların güç dağılımına bağlı fiber optik sensörlerin yapılardaki durum gözlemlerine uygun olabileceği ve ileride geliştirilebilicek daha karmaşık sistemlerin geliştirilmesine temel oluşturabileceği Mikrokıvrım sensörlerinin basit yapısı, kolay kurulumu yanında, ucuz maliyette olması gibi sebeplerin olması bu uygulamalar için ideal olabileceği görülmektedir. Ayrıca, modların güç dağlımı tekniğinin de düşük maliyette gerçekleştirilebilir olması ve ışık şiddetinin dağılımı üzerinden işlem yapması sebebiyle daha hassas bir şekilde ölçüm yapılabilirliğini ortaya çıkartmaktadır. 5. Teşekkür Bu çalışma İstanbul Büyükşehir Belediyesi tarafından, Projem İstanbul Araştırma Projeleri çerçevesinde yürütülen 07İBBAP10 numaralı proje kapsamında desteklenmiştir. Kaynaklar [1] Udd, E., Fiber Optic Smart Structures, Proceedings of IEEE vol. 84, 6, 884 894, 1996. [2] Inaudi, D., Fiber Optic Sensor Network for the Monitoring of Civil Engineering Structures, Newnes, EPFL, 1997. [3] El-Sherif M. A., and J. Radharrishnan Advanced Composites with Embedded Fiber Optic Sensors for Smart Applications, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 16 No. 2, 1997 [4] El-Sherif, M. A., S. Hu, C. Lei, F. K. Ko Optomechanical Properties of A Sapphire Fiber Optic Sensor, 25th International SAMPE Technical Conference, 26 October-28 October 1993, 25:901-907.