Optimization of piezo-fiber scanning architecture for low voltage, 3D and unwarped actuation
Alçak gerilimli, 3B taramalı, eğriliği düzeltilmiş piezoelektrik fiber tarama mimarisi
- Tez No: 467076
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. ONUR FERHANOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Piezo tabanlı fiber tarama probları, çeşitli optik görüntüleme yöntemleri için düşük maliyetli ve kompakt araçlar olarak ortaya çıkmış ve ulaşılması zor doku sitelerine erişime izin vermiştir. Bu araçlar, bir fiber optik kablonun, fiber parçasının mekanik rezonansıyla tahrik edilen bir piezoelektrik eleman aracılığıyla taranmasını istemektedir. Bununla birlikte, piezo-tarama yapısının dinamikleri genellikle ihmal edilir, bu da verimsiz bir elektromekanik dönüşümle sonuçlanır. Bu çalışma deneysel kanıtlarla birlikte, verilen bir tahrik voltajı için maksimum yer değiştirmeyi sağlamak için piezo tarayıcının ve fiber optik kablonun geometrilerini toplu olarak optimize etmek için bir metodoloji sunmaktadır. Bulgularımız, fiber optik kablo ve piezo-tarayıcının tek tek rezonanslarının eşleştirilmesinin tek tek optimum elektromekanik dönüşüm verimi sağladığını önermektedir. Simülasyonlar, devre modeli ve deney sonuçları, eşsiz olmayan (yani, piezo eleman uzunluğu yaklaşık $ \ pm $ 20 \% oranında değiştiğinde), piezo ve fiber rezonansları eşleştirildiğinde elde edilen fiber deplasmanında x2'den daha fazla iyileşmeyi ortaya koymaktadır. Optimal değeri) durumunda. Piezo elemanın harekete geçirilmesi için daha düşük güç tüketimi sunmanın yanısıra bulgularımız, hasta güvenliği için çok önemli olan piezo tabanlı fiber tarama problarını kullanarak daha güvenli (elektrik şoku içermeyen) minimal invaziv prosedürlerin yolunu açmaktadır. İkincisi, piezo-tarayıcı bir fiber endoskopik cihaz mimarisi 3D görüntüleme veya ablasyon için önerildi. Endoskopik cihaz, optik eksene dik olarak yerleştirilen bir piezoelektrik membrandan, piezoelektrik membrandan uzanan ve bu elektromanyetik membran ile harekete geçiren bir fiber optik kablo ile ışın iletimi ve toplanması için bir veya birden fazla mercekten oluşur. Piezoelektrik silindirleri fiber harekete geçirme için kullanan eşdeğerlerinin aksine, önerilen mimari, eksenel doğrultuda yarı-statik harekete geçirme ve yanal doğrultularda rezonant harekete geçirme ile odak düzleminin ayarlanmasına izin veren bir 3B tarama paterni oluşturmaktadır. Dört kadranlı piezoelektrik membranın harekete geçirilmesi, yanal tarama için iki ortogonal elektrodun AC sinyalleriyle sürülmesini ve aynı zamanda tüm elektrodların eksenel tarama ve odaklama ayarı için sürülmesini içerir. Uygulanan DC voltaja göre eksenel yer değiştirme davranışını izlemek için farklı boyutlarda piezoelektrik membranları karakterize ettik (5 - 15mm çap). Aynı zamanda bir çözünürlük hedefi üzerinde eşzamanlı yanal ve eksenel harekete geçirme göstermekte ve eksenel çalıştırma yoluyla fokal kaymanın bir göstergesi olarak seçilen bir düzlemdeki yanal çözünürlük değişimini gözlemliyoruz. Deneysel sonuçlara dayanarak, doku örneklerinin optimal 3D görüntülemesi için optik ve geometrik parametreleri tanımlıyoruz. Bulgularımız, piyasada bulunan MEMS tarayıcı cipsleri ile karşılaştırılabilir boyutlara ve tahrik gerilimi gereksinimine sahip olan basit bir piezoelektrik membranın alt hücresel çözünürlüğe sahip doku epitelyum görüntüsü sunduğunu ortaya koyuyor. Son olarak, tipik olarak dairesel bir enine kesite sahip olan tarama modelinin dinamiği, fiber geometrisi ve malzeme özellikleri ile belirlenir. Dairesel simetriye sahip olan geleneksel bir fiber, dikey mekanik modlar arasında kuplajla sonuçlanır; çünkü her iki yöndeki sertlik teorik olarak aynıdır. Burada, dairesel simetriyi kırmak için polarizasyon-koruyan fiberlerın asimetrisini kullanırız ve böylece konvansiyonel fiberlerde karşılaşılan tarama modelinde çözgü etkilerini hafifletiriz. Simülasyonlar ve deneyler yoluyla, tipik ve polarizasyon sağlayan liflerin, dairesel bir piezoelektrik membran ile harekete geçirilerek mekanik frekans tepkilerini gösteriyoruz. Dikey yönler arasındaki geleneksel fiber rezonans frekansları için sadece birkaç Hz fark gözlenirken, farklı rezonans frekansları gözlemliyoruz (polarizasyon bakım fiber için 30 Hz farkı gözlemliyoruz.) Polarizasyon koruyan fiberin taramasına karşılık olarak temiz bir lissajous desen üretiyor. Önerilen metodoloji, diğer çalışmalara göre daha üstündür, aksi halde harekete geçiriciye veya fiberin kendisine entegre edilmesi için ekstra bir bileşen gerekmez.
Özet (Çeviri)
Piezo-based fiber scanning probes have emerged as low-cost and compact tools for various optical imaging modalities, allowing access to tissue sites that are hard to reach. These instruments exploit scanning of a fiber optic cable via a piezoelectric element, which is driven at the mechanical resonance of the extended fiber piece. However, the dynamics of the piezo-scanning structure is often neglected, resulting in an inefficient electromechanical conversion. This work presents a methodology, together with experimental evidence, to collectively optimize the geometries of the piezo-scanner and the extended fiber optic cable to achieve maximum displacement for a given drive voltage. Our findings suggest that matching the individual resonances of the fiber optics cable and the piezo-scanner alone, leads to optimum electromechanical conversion efficiency. Simulations, circuit model, and experimental results reveal more than x2 improvement in the achieved fiber displacement when piezo and fiber resonances are matched, as opposed to the unmatched (i.e., when piezo element length is varied approximately by $\pm$ 20 \% from its optimal value) case. Besides offering lower power consumption for the actuation of the piezo-element, our findings paves the way for safer (electric shock-free) minimally-invasive procedures using the piezo-based fiber scanning probes, which is crucial for patient safety. Secondly, a piezo-scanning fiber endoscopic device architecture is proposed for 3D imaging or ablation. The endoscopic device consists of a piezoelectric membrane that is placed perpendicular to the optical axis, a fiber optic cable that extends out from and actuated by the piezoelectric membrane, and one or multiple lenses for beam delivery and collection. Unlike its counterparts that utilize piezoelectric cylinders for fiber actuation, the proposed architecture offers quasi-static actuation in the axial direction along with resonant actuation in the lateral directions forming a 3D scanning pattern, allowing adjustment of the focus plane. The actuation of the four-quadrant piezoelectric membrane involves driving of two orthogonal electrodes with AC signals for lateral scanning, while simultaneously driving all electrodes for axial scanning and focus adjustment. We have characterized piezoelectric membranes (5 – 15mm diameter) with varying sizes to monitor axial displacement behavior with respect to applied DC voltage. We also demonstrate simultaneous lateral and axial actuation on a resolution target, and observe the change of lateral resolution on a selected plane as an indicator of focal shift through axial actuation. Based on experimental results, we identify the optical and geometrical parameters for optimal 3D imaging of tissue samples. Our findings reveal that a simple piezoelectric membrane, having comparable dimensions and drive voltage requirement with off-the-shelf MEMS scanner chips, offers tissue epithelial imaging with sub-cellular resolution. Finally, typically having a circular cross-section, the dynamics of the scan pattern is determined by the fiber geometry and material properties. Having circular symmetry, a conventional fiber results in coupling between its orthogonal mechanical modes, as the stiffness along both directions are theoretically identical. Here, we utilize the asymmetry of polarization-maintaining fibers to break the circular symmetry and thus mitigate the warping effects in the scan pattern that is encountered in conventional fibers. Through simulations and experiments we demonstrate the mechanical frequency response of typical and polarization-maintaining fibers through actuating them with a circular piezoelectric membrane. We observe distinct resonance frequencies (~ 30 Hz difference for the polarization maintaining fiber, whereas only a few Hz of difference is observed for the conventional fiber resonance frequencies between orthogonal directions. In return scanning of the polarization maintaining fiber produces a clean lissajous pattern. The proposed methodology is superior with respect to other studies, as it necessitates no extra components to be integrated to either the actuator or the fiber itself. Although, the three aims mentioned above, seem to be independent; they are crucially linked in the design and realisation of an optimal compact imager for tissue characterisation. Once all utilized, the compact laser scanning endoscopy unit will be able to i) perform lateral imaging at very low voltage-levels (important for safety concerns), ii) perform axial actuation that leads to imaging of multiple depth sections and, iii) perform clean-cut lissajous scanning that leads to unwarped imaging. It is also noteworthy to mention that all 3 aims can be realised with a very low-cost piezoelectric membrane (a simple buzzer unit) and a single lens unit, leading to a significant cost advantage over other endoscopic tools employing MEMS, micro motors or piezo-cylinders. A detailed chart-comparison of the proposed imaging tool with other endoscopic probes in literature, is provided in the last chapter.
Benzer Tezler
- An investigation into mechanical and thermal characteristics of synthetic jet actuators with compact packaging
Başlık çevirisi yok
ONURALP IŞIL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
DR. ÖĞR. ÜYESİ POLAT ŞENDUR
- Development and control of an active torsional vibration damper for vehicle powertrains
Taşıt güç aktarma sistemleri için aktif torsiyonel titreşim damperi geliştirilmesi ve kontrolü
ALİŞAN YÜCEŞAN
Doktora
İngilizce
2021
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- Konfokal fabry-perot interferometre tasarımı, oluşturulması ve parametrelerinin dış kaviteli diyod lazer sistemi kullanılarak araştırılması
Başlık çevirisi yok
İBRAHİM AKI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEKİR AKTAŞ
- Nanomechanical strain testing of low dimensional materials with micro-electro mechanical system (MEMS) chips
Mikro-elektro mekanik sistem (MEMS) cip ıle düşük boyutlu malzemelerin nanomekanik gerilme testi
UĞUR BAŞÇI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TALİP SERKAN KASIRGA
- Esnek sistemlerde aktif titreşim kontrolü
Active vibration control of flexible systems
ARZUMAN CAN KUTLUCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN SÜMER