Intelligent design of intensity modulated fiber optic sensors using different fiber structures
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2014
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: HASAN SEÇKİN EFENDİOĞLU
Danışman: Tülay Yıldırım
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Fiber optik sensörler (FOS'lar) çok iyi olanaklar sunarak sensör teknolojisinde yeni bir çığır açmış ve yıllardır yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. FOS'lar geleneksel sensörlere göre bir çok avantajlar sunmakta ve bu avantajları nedeniyle çeşitli uygulamalarda diğer sensörlerin yerine tercih edilmektedir. Çalışma prensibine göre FOS'lar dört gruba ayrılabilir: ışık yoğunluk (şiddet) modülasyonlu, dalgaboyu modülasyonlu, faz modülasyonlu ve polarizasyon modülasyonlu fiber optik sensörler. Faz, dalgaboyu ve polarizasyon modülasyonlu sensörler daha hassastır fakat maliyetlidirler, karmaşık donamım ve sinyal işleme teknikleri gerektirirler. Diğer taraftan yoğunluk modülasyonlu FOS'ların yapımı basittir ve daha ekonomiktir. Bu tezin başlıca amacı performansı geliştirilmiş uzaysal ve toplam yoğunluk modülasyonlu FOS'lar geliştirmektir. Görüntü İşleme Teknikleri, Yapay Sinir Ağları (YSA) ve farklı tipte optik fiber yapıları kullanılarak uzaysal ve toplam yoğunluk modülasyonlu FOS'ların performanlarının iyileştirilmesi bu tezde araştırılmıştır. Araştırmalar istatistiksel mod sensörlerinin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Çalışmalar süresince çeşitli deneyler ve analiz/hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kuvvet ve yerdeğiştirme ölçülmüştür. Çeşitli kuvvet ve yerdeğiştirme değerleri sensörlere uygulanmıştır, uygulanan minimum ve maksimum etkiler deneylere göre değişmektedir. İstatistiksel mod sensörleri uzaysal ışık yoğunluk değişiminin kullanıldığı sensörler arasındadır. Uzaysal bilgi, sensör çıkışında oluşan örüntüdeki dağılım değişiminin istatistiksel öznitelikler ile görüntü işleme teknikleri kullanarak elde edilebilir. İstatistiksel modlu fiber optik sensörler kullanarak çeşitli araştırmalar yapılmıştır. Bununla birlikte, sadece iki farklı istatistiksel öznitelik benekli örüntü analizi için kullanılmıştır. Bildirilen sonuçlar, genellikle basit örüntü farkı alma veya korelasyona dayanmaktadır. Bu tezde öncelikle, çeşitli lokal istatistiksel özniteliklerin kullanımı önerilmiştir ve lokal öznitelikler fiber optik istatistiksel mod sensörlerindeki lokal benekli örüntü alanlarının kullanılması ile hesaplanmıştır. İkinci olarak, yeni global istatistiksel öznitelikler fiber optik istatistiksel mod sensör tasarımı için önerilmiştir. Tüm istatistiksel öznitelikler, farklı görüntü işleme algoritmaları ile hesaplanmıştır. Bu tezde p. dereceden momentler olan birinci ve ikinci dereceden momentler istatistiksel öznitelikler olarak önerilmiştir. Bu yeni öznitelikler daha önce literatürde kullanılmış olan örüntü farkı ve korelasyon öznitelikleri ile karşılaştırılmıştır. İstatistiksel öznitelikler farklı özellikler: hassasiyet hatası, nonlineerlik ve histerisizlik bakımından karşılaştırılmıştır. Hetero-özlü optik fiber yapılar soyularak veya kazınarak oluşturulmuş sönen alanlı fiber yapılara alternatiftir ve üretimindeki basitlik nedeniyle karakterize edilmişlerdir. Hetero-özlü fiber optik sensörler hetero-öz algılama bölgesindeki mod alan kuplajının arttırılmasına bağlı olarak hassasiyeti yükseltilmiş bir şekilde tasarlanabilmektedir. Fiber optik istatistiksel mod sensörlerindeki hetero-özlü yapının uzaysal içeriğinden faydalanılması çok az araştırmada kullanılmıştır. Bu çalışmalarda, sadece korelasyon istatistiksel özniteliği kullanılmıştır ve korelasyon dışında başka hiçbir istatistiksel öznitelik sensör tasarımında kullanılmamıştır. Bu tezde hetero-özlü fiber optik istatistiksel mod sensörlerinin tasarlanmasında yeni öznitelikler önerilmiştir. Hetero-özlü farklı fiber optik yapılar üretilmiş ve deneyler gerçekleştirilmiştir. Fark, birinci ve ikinci dereceden moment istatistiksel öznitelikleri korelasyon ile karşılaştırılmıştır. Farklı hetero-özlü optik fiberlerin hetero-özlü fiber optik sensörlerde kullanımı ve çok modlu optik fiberlerin istatistiksel mod sensörlerinde kullanımının karşılaştırmalı analizi yapılmıştır. Hetero-öz bölgesindeki uzunluğun değiştirilmesi literatürde ilk defa olarak araştırılmıştır. Bu tezde aynı zamanda akıllı istatistiksel mod/hetero-özlü istatistiksel mod ve akıllı bükülme sensörlerinin tasarlanması da gerçekleştirilmiştir. Bu sensörlerin sensör cevaplarını tahmin etmek için uzun ve karmaşık matematiksel hesaplamaları gerçekleştirmek gerekmektedir. Bu problemlerin üstesinden gelmek için YSA'lar FOS'ların performasını geliştirmek ve akıllı FOS'lar geliştirmek için sayısal bir paradigma olarak kullanılmıştır, çünkü YSA'lar giriş ve çıkış verileri arasındaki matematiksel formülasyonlara gerek olmaksızın verilen girişler için uygun çıkışlar üretebilir. Bu teknik ile sensör sistemindeki bozulmalar veya sapmalar otomatik olarak algılanabilir, böylece sensör akıllı bir sistem olur. Sensörler ve YSA'lar kullanılarak yapılan deneylerden alınan veriler kullanılarak, sensörler tarafından ölçülen kuvvet ve yerdeğiştirme değerlerini tahmin etmek için farklı akıllı sensör mimarileri önerilmiştir. Tek giriş-tek çıkış ve çoklu giriş-tek çıkışlı akıllı sensör mimarileri kullanılmıştır. Farklı algoritmaları ile birlikte Çok Katmanlı Algılayıcı, Radyal Temelli Fonksiyon ve Genelleştirilmiş Regresyon Sinir Ağı YSA modelleri analizlerde kullanılmıştır