Mems tipi ivmeölçerlerin yapı deprem mühendisliği uygulamalarında kullanımı ve performans değerlendirmesi
Use and performance evaluation of mems-type accelerometers in structural earthquake engineering applications
- Tez No: 1015909
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN ÜLKİR, DOÇ. DR. ABDÜLHAKİM ZEYBEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: MEMS, MEMS
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Muş Alparslan Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Dedektör ve Sensör Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, deprem mühendisliği deneylerinde kullanılmak üzere MEMS tabanlı sensörlere dayalı düşük maliyetli ve çok kanallı bir ivmeölçer veri toplama sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem, sarsma tablası deneylerinde kullanılan ölçekli yapı modellerinin dinamik tepkilerinin farklı noktalardan eş zamanlı ve güvenilir biçimde ölçülmesine olanak sağlayan ekonomik ve ölçeklenebilir bir ölçüm altyapısı sunmaktadır. Bu kapsamda mikrodenetleyici tabanlı bir donanım mimarisi tasarlanmış ve aynı I²C adresine sahip sensörlerin birlikte çalışabilmesini sağlamak amacıyla PCA9548A I²C çoklayıcı kullanılarak 8 kanallı veri toplama yapısı oluşturulmuştur. Sistem içerisinde MEMS tabanlı MPU6050 (6-DOF) ve BNO055 (9-DOF) IMU sensörleri birlikte kullanılmıştır. Toplamda 8 sensörden (6 adet MPU6050 + 2 adet BNO055) alınan üç eksenli ivme bileşenleri ile her örnekleme anında 24 eksenli ivme verisi elde edilmiştir. Sensör verilerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesi ve kaydedilmesi için Qt Framework tabanlı IMU_5 adlı bilgisayar yazılım arayüzü geliştirilmiştir. Arduino üzerinden 115200 baud seri haberleşme ile veri aktarımı sağlanmıştır. Veri işleme aşamasında ivme kayıtları örnekleme frekansı F_s=20“ Hz ”dikkate alınarak düzenlenmiştir. Ofset giderme ve detrend işlemlerinin ardından yapının dinamik davranışını temsil eden bantta gürültünün azaltılması amacıyla 0.1–6.0 Hz kesim frekanslarına sahip 4. derece Butterworth bant geçiren filtre uygulanmıştır. Filtrelenmiş ivme verileri zaman ve frekans alanında analiz edilerek sensörlerin kararlılığı ve sensörler arası uyum değerlendirilmiştir. Ölçüm sisteminin performansı, sarsma tablası üzerine yerleştirilen altı katlı ölçekli yapı modeli üzerinde gerçekleştirilen deneylerle değerlendirilmiştir. Ölçekli yapı modeli tasarımında geometrik ölçek katsayısı λ=45 seçilmiştir. Buna bağlı olarak modelin toplam yüksekliği yaklaşık 0.66 m, taban boyutları yaklaşık 0.13 m × 0.13 m, toplam kütlesi yaklaşık 5.04 kg ve hedef doğal frekansı yaklaşık 9.03 Hz olarak belirlenmiştir. Deney programında farklı ivme seviyeleri ve frekans aralıklarında 90'dan fazla sarsma tablası testi uygulanmış ve her bir koşul iki tekrar ile yürütülerek tekrarlanabilirlik kontrol edilmiştir. Elde edilen kayıtlar; zaman alanı karşılaştırmaları, PSD/FFT, zaman–frekans (spektrogram) analizleri ile ayrıca FRF ve koherans değerlendirmeleri üzerinden incelenmiştir. Bulgular, düşük maliyetli MPU6050 sensörünün uygun veri toplama altyapısı ve veri işleme adımlarıyla birlikte kullanıldığında, referans sensör olarak ele alınan BNO055 ile zamansal ve spektral açıdan uyumlu ölçümler sağlayabildiğini ve yapının dinamik davranışını güvenilir biçimde temsil edebildiğini göstermektedir. Maliyet–performans değerlendirmesinde, MPU6050'in yaklaşık ≈100 TL, BNO055'in ise yaklaşık ≈3000 TL mertebesinde olduğu belirtilmiştir. Buna rağmen deneysel çıktılarda sensörler arasında mühendislik yorumunu değiştirecek düzeyde bir uyumsuzluk gözlenmemiştir. Sonuç olarak bu çalışma; ekonomik sensör teknolojileri ile geliştirilen çok kanallı ölçüm sistemlerinin, çok noktalı ölçüm gerektiren deneysel deprem mühendisliği çalışmalarında uygulanabilir bir yaklaşım sunduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a low-cost, multi-channel accelerometer data acquisition system based on MEMS sensors was developed for earthquake engineering experiments. The developed system provides an economical and scalable measurement infrastructure that enables simultaneous and reliable monitoring of the dynamic responses of scaled structural models used in shaking table tests. A microcontroller-based hardware architecture was designed, and to allow multiple sensors with the same I²C address to operate together, a PCA9548A I²C multiplexer was employed to establish an 8-channel multi-sensor acquisition structure. The system integrates MPU6050 (6-DOF) and BNO055 (9-DOF) IMU sensors; in total, measurements were collected from 8 sensors (6 MPU6050 + 2 BNO055). Using three-axis acceleration outputs, the setup produces 24 acceleration components per sample. A computer-based software interface, IMU_5, was developed using the Qt framework for real-time visualization and logging of sensor data. Data transfer from the microcontroller to the PC was performed via serial communication at 115200 baud. During preprocessing, the acceleration records were organized using a sampling frequency of F_s=20“ Hz”; offset removal and detrending were applied, and a 4th-order Butterworth band-pass filter with cutoff frequencies of 0.1–6.0 Hz was used to suppress drift and high-frequency noise while preserving the structural response band. The processed data were then evaluated in both time and frequency domains to assess measurement stability and inter-sensor consistency. System performance was validated through shaking table experiments conducted on a six-story scaled structural model. For model design, a geometric scaling factor λ=45was adopted, resulting in an approximate model height of 0.66 m, plan dimensions of about 0.13 m × 0.13 m, a total mass of approximately 5.04 kg, and a target natural frequency of roughly 9.03 Hz. The experimental program comprised more than 90 shaking table tests across different acceleration levels and excitation frequencies, and each condition was repeated twice to evaluate repeatability. The recorded responses were analyzed using time-history comparisons, FFT/PSD, time–frequency (spectrogram) analysis, and dynamic system indicators such as FRF and coherence. The findings indicate that, when combined with an appropriate acquisition and processing workflow, the low-cost MPU6050 sensors can represent the dynamic behavior of structural systems in a manner consistent with the BNO055 reference measurements. A cost–performance evaluation also highlights a substantial cost advantage (approximately ≈100 TL for MPU6050 versus ≈3000 TL for BNO055, i.e., about 30× difference) while maintaining practically usable measurement agreement for experimental structural dynamics. Overall, the study demonstrates that measurement systems built on economical MEMS sensor technologies provide a practical solution for multi-point experimental earthquake engineering applications.
Benzer Tezler
- Development of an integrated resonant mems temperature sensor
Entegre rezonant mems sıcaklık duyargası geliştirilmesi
TALHA KÖSE
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Capacitive cmos readout circuits for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performans MEMS ivmeölçerler için sığasal cmos okuma devreleri
REHA KEPENEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
YRD. DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Development and comparison of the extended kalman filter and unscented kalman filter for both tightly coupled and loosely coupled INS/GNSS integration by using MEMS IMU
MEMS tipi AÖB kullanılarak sıkı bağlı ve gevşek bağlı AÖB/KKS bütünleştirme teknikleri ile genişletilmiş ve kokusuz kalman filtre algoritmalarinin geliştirilmesi ve karşilaştirilmasi
ONUR GÜREŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BUYURMAN BAYKAL
- High-performance readout circuit for resonator-based MEMS accelerometer using digital control loop
Dijital kontrol döngüleri kullanarak MEMS titreşen yay tipi ivmeölçer için yüksek performanslı okuma devresi geliştirilmesi
MUHAMMAD ALI
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Design and simulation of electrostatically actuated MEMS cantilever beam switch
Elektriksel olarak aktive olan kiriş tipi MEMS anahtarların tasarımı ve simulasyonu
AYŞE ÖZGÜL ERTANIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERHAT İKİZOĞLU