Geri Dön

Intelligent design of intensity modulated fiber optic sensors using different fiber structures

Yoğunluk modülasyonlu fiber optik sensörlerin farklı fiber yapılar kullanarak akıllı tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 378411
  2. Yazar: HASAN SEÇKİN EFENDİOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TÜLAY YILDIRIM
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 127

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

Özet (Çeviri)

Fiber optic sensors (FOSs) have opened a new era in sensor technology providing great opportunities and they have been widely used for many years. FOSs prefer many advantages over traditional sensors and due to these advantages they could be prefered instead of other sensors in several applications. FOSs can be divided into four groups according to their operating principle: intensity modulated, wavelength modulated, phase modulated, and polarization modulated fiber optic sensors. Phase, wavelength and polarization modulated FOSs are more sensitive, but they are expensive and require complex hardware and signal processing techniques. On the other hand, intensity modulated FOSs are simpler to construct and more economical. The major objective of this dissertation is to develop spatial and total intensity modulated FOSs with improved performance. Improvements of spatial and total intensity modulated FOSs using Image Processing Techniques, Artificial Neural Networks (ANNs) and different optical fiber structures have been investigated in this thesis. The emphasis is on the development of fiber optic statistical mode sensors. Several experiments have been conducted and analyses/computations have been performed during the works. Force and displacement have been measured during the experiments. Several force and displacement values have been applied to the sensors, minimum and maximum applied measurands change depending the experiments. Statistical mode (specklegram) sensors are among the sensors which are based on utilizing the spatial intensity change. Spatial information can be retrieved by the analysis of change of patterns distribution at the sensor output using image processing techniques with statistical features. Several researches have been conducted utilizing fiber optic statistical mode sensors. However, only two different statistical features have been used for speckle image analysis. Reported results generally were based on simple image differencing or correlation. In this thesis firstly, the use of various local statistical features has been proposed and local statistical features computed for various local regions of the speckle patterns in fiber optic statistical mode sensors. Secondly, new statistical global features have been proposed for the design of fiber optic statistical mode sensors. All statistical features have been computed by different image processing algorithms. The first and second order moments, which are pth order moments, have been proposed as statistical features in this thesis. These new features compared with correlation and image difference features which were reported in the literature before. The statistical features have been compared in terms of different characteristics: precision error, non-linearity, and hysteresis. Hetero-core fiber structures are alternatives to stripped or etched evanescent fiber structures and they are characterized by the simplicity in their fabricated structure. Hetero-core fiber optic sensors can be designed with increased sensitivity due to enhanced mode field coupling effect at hetero-core sensing section. Few researches have been conducted to exploit spatial content of hetero-core structure in fiber optic statistical mode sensors. In these works, only correlation statistical feature have been used and no statistical feature except correlation used in the sensor design. New statistical features have been proposed for the design of hetero-core fiber optic statistical mode sensors in this dissertation. Different hetero-core optical fiber structures have been produced and experiments have been conducted. Differencing, first and second order moment statistical features have been compared with correlation feature. Comparative analysis of using different hetero-core fibers in hetero-core statistical mode sensors and multi-mode fibers in statistical mode sensors has been performed. Altering the hetero-core section length of the hetero-core statistical mode sensors has also been investigated in the thesis first time in literature. Designing intelligent statistical mode/hetero-core statistical mode and intelligent bending sensors has also been fulfilled in this dissertation. In order to estimate the sensor response of these sensors, it is necessary to carry out lengthy and complex mathematical computations. To overcome these problems ANNs have been used as a computational paradigm to improve FOSs' performance and to develop intelligent FOSs, because ANNs can generate appropriate outputs for given inputs without any necessity to mathematical formulations between input and output data. With this technique distortions or deviations in the sensor system can be automatically detected, thus sensor becomes an intelligent system. Using data taken from the experiments conducted by the sensors and using ANNs, different intelligent sensor architectures have been proposed to predict the force and displacement values measured by the sensors. Intelligent sensor architectures with single input-single output and multiple inputs-single output have been utilized. Multi-layer Perceptron (MLP) with many algorithms, Radial Basis Function (RBF) and General Regression Neural Network (GRNN) ANN models have been utilized in the analyses. Performance comparisons demonstrate that all of the ANN models and algorithms utilized in this thesis could predict the measured values with considerable errors.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    770532

    Polymer optical fiber sensor and the prediction of sensor responseutilizing artificial neural networks

    Polimer optik lif sensör ve sensör cevabının yapay sinir ağları kullanarak tahmin edilmesi

    DERYA HAROĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiNorth Carolina State University

    Tekstil Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. NANCY B. POWELL

    PROF. DR. ABDEL-FATTAH SEYAM

  2. Tez No

    758686

    Performance evaluation and experimental verification of vehicular visible light communication

    Araç görünür ışık haberleşmesinin performans değerlendirmesi ve deneysel doğrulaması

    BASSAM ALY ABDELRAHMAN MOHAMED

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. MURAT UYSAL

  3. Tez No

    363826

    Design of high-performance CMOS circuits for interval type-2 fuzzy logic controller

    Aralık değerli Tip-2 bulanık mantık sistemleri için yüksek başarımlı CMOS devre tasarımı

    ALİ NADERİ SAATLO

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ

  4. Tez No

    389373

    Comparative design of high rise RC building according to eurocode and ASCE 7-10/ ACI 318-11/ IBC 2012

    Eurocode ve ASCE 7-10 / ACI 318-11 / IBC 2012 yönetmeliklerine göre çok katlı betonarme binaların karşılaştırmalı tasarımı

    RAFAL WZİATEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KUTLU DARILMAZ

  5. Tez No

    800519

    Akıllı yansıtıcı yüzey destekli telsiz haberleşme sistemi ve insansız hava aracı konumlandırma

    Reconfigurable intelligent surface-assisted wireless communication system and unmanned aerial vehicles positioning

    EMİR ASLANDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DR. MEHMET AKİF YAZICI

Geri Dön