Structural health monitoring using frequency selective surface as a passive sensor
Yapısal sağlık izlemede frekans seçici yüzeylerin kullanılması
- Tez No: 665210
- Danışmanlar: PROF. DR. SEDEF KENT PINAR, DR. BORA DÖKEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Yapısal sağlık izleme (SHM), hasarları ve deformasyonları tespit etme kabiliyeti nedeniyle çeşitli mühendislik sektörlerinde yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu hasarlar, normal veya kesme gerinim hasarları, sivil yapıların eğilmesi ve katmanlı yapılarda delaminasyondur. Bu, yapının yaşı, yanlış bir yapım süreci ve belki de çevresel bir sebep gibi birçok iç ve dış nedenden dolayı olabilir. Bu, Yapısal sağlık izlemeyi bir yapının kalan ömrünü tahmin etmedeki önemi için gerekli kılar veya örneğin bir deprem meydana geldiğinde SHM, hasarın büyüklüğünü kaydetmek için yapılar için hızlı analizler yapmak için kullanılabilir. Ülkeler, Yapısal sağlık izlemeyi geliştirmek için çok çaba, zaman ve para harcıyor. Malzemelerin mekaniği veya malzemelerin mukavemeti, yapıdaki deformasyonla ve yük altında oluşan gerilmeyle ilgilenir, burada bu yapının davranışını inceler ve kirişler, kolonlar ve şaftlar gibi yapısal elemanlardaki gerilmeleri ve gerilmeleri hesaplar . Dikkat edilmesi gereken en önemli parametrelerden biri yapı elemanı geometrisi ve özellikleridir, uzunluk, derinlik, genişlik ve ani değişikliklerin farklı anlamlara sahip olabileceği yerlerde dikkate alınmalıdır. Herhangi bir malzeme birçok faktörden dolayı bazı değişikliklere maruz kalabilir; bu faktörler temel olarak normal şekil değiştirme, kayma gerilmesi, kolon burkulması ve delaminasyon olarak kategorize edilebilir. Bugün araştırmacılar, SHM'de kullanmak için sensörler geliştiriyor. SHM'de kullanılan algılayıcılar (sensorler) temelde aktif ve pasif olarak ikiye ayrılmaktadır. Pasif algılayıcılar uygun maliyetli olmaları, kolaylıkla monte edilebilmeleri ve sonuç olarak daha uzun ömürlü olmaları sebebiyle tercih edilmektedirler. Frekans seçici yüzeylerin (FSY) SHM'de pasif algılayıcı olarak kullanımı günümüzdeki önemli araştırma konularından biri olmaya başlamıştır. FSY'ler dielektrik tabakalar üzerine basılmış düzlemsel periyodik iletken yapılardır. Gelen elektromanyetik dalgalar FSY'in iletken geometrileri üzerinde akım üretirken, iletkenler arasındaki iletken olmayan boşluklar üzerinde de bir elektrik alan üretilir. FSY'lerin periyodik iletken yapıları endüktans gibi davranırken, iletkenler arasındaki dielektrik boşluk kapasite gibi davranacaktır. Dolayısıyla, FSY'ler uzamsal filtre davranışı sergilerler. Frekans tepkileri, periyodik iletken geometrilerine, üzerine yazdırıldıkları dielektrik tabakaların elektriksel özelliklerine ve gelen elektromanyetik dalgaların frekans ve geliş açısına bağlıdır. FSY algılayıcının üzerine monte edildiği yapıda bir deformasyon meydana geldiğinde FSY'nin frekans cevabı da değişecektir. Frekans cevabındaki değişiklik sivil yapıdaki hasar miktarını verecektir. Bu çalışmada, iki tane tasarım, biri çift daire şekilli geometriye dayanan yeni bir FSY geometrisi, ikincisi ise çapraz şekilli geometriye dayanan yeni bir FSY geometris önerilmiştir. Önerilen birinci FSY geometrisi, sivil yapılarda meydana gelebilecek yana yatma hasarını algılayabilmektedir, bu yeni eleman geometrisi, doğrusal bir frekans tepkisi değişikliği ile sivil yapılardaki sapmayı tespit edebilir, bu, üzerine monte edilmiş bir FSS pasif sensörüne sahip herhangi bir inşaat yapısının, frekans yanıtının değiştirilmesini ve yapının maruz kaldığı aynı miktarda sapma ile doğrusal olarak değişmesini sağlar. Buradaki amacımız, yapımızın hangi açıdan saptığını anlamamız için FSS'nin olay açısını değiştirirken tepkisinin doğrusal olması gereken sivil yapılarda eğilmeyi tespit etmektir. Bazı FSS tasarımlarının olay açısı değişimi için kararsız bir frekans tepkisine sahip olduğu kabul edilir, ancak bu bizim için yeterli değildir. Amacımız, yapı doğrusal bir şekilde saparken kararsız bir frekans tepkisine sahip olmaktır. Dairesel döngü elemanları minyatürize edilmiş küçük elemanlardır ve örneğin dipol elemanla karşılaştırıldığında iyi ve kararlı bir frekans tepkisine sahiptirler, ancak aynı zamanda dipol elemanlarını da düşünürsek, boyut olarak çok büyük olacaklar ve büyük bir dizi olacaktır. FSS'mizi yapının küçük bir alanına monte etmek yerine, büyük elemanlar kullanırsak daha geniş bir alanı kaplamak zorunda kalacağımız durumumuzda bir dezavantaj olabilir. Bu pratik bir çözüm değil; bu nedenle dairesel elemanlar daha uygundur. Ayrıca, sadece olay açısına duyarlılığı düşünmediğimizden ve doğrusallığın bizim durumumuz için çok kritik bir faktör olduğu durumlarda, frekans yanıtının değişiminin doğrusal olmasını istediğimizden. Bu nedenle, örneğin, üçlü, çift kutuplu, çapraz çift kutuplu elemanlar, olay açısı değişikliğine karşı daha iyi bir hassasiyete sahip olabilir, ancak bükülmüş (dairesel) elemanların yapacağı gibi doğrusal bir performans vermeyecektir. Çift halkalı döngü FSS tasarımının kullanılmasının nedeni, hem iç hem de dış döngü endüktansının tek daireli döngü ile aynı şekilde çalışmasıdır. Diğer önemli şey, iç döngünün ikinci bir S21 yaratmasıdır, bu nedenle iki rezonans arasında dar bir S11 oluşturur. Ayrıca, iki komşu iç döngü geometrisi arasındaki mesafe oldukça büyük hale gelir. Bu nedenle ikinci S21 rezonansının açı kararlılığı oldukça düşüktür. Bu durum, S11 rezonansının düşük açı stabilitesine neden olur, burada aradığımız hedef budur. Ayrıca tasarımda dairesel geometriler kullanıldığı için rezonans frekansında ani sapmalar oluşmaz. Küçük açılı yapılardaki değişikliği fark etmemizi sağlamak için birim hücre geometrileri arasındaki mesafe büyük olacak şekilde düzenlenmiştir. Bununla birlikte, elemanlar arası mesafeyi arttırdığımızda aralarındaki kapasite değeri azalmaktadır. Bu durumda iletken yolların oluşturduğu eşdeğer endüktans değeri rezonansı belirler. Bu nedenle, dairesel bir döngü seçmenin ana nedeni, frekans yanıtının doğrusal olarak değişmesidir. İkinci FSY geometrisi, sivil yapılarda meydana gelebilecek çatlamak hasarını algılayabilmektedir, rezonans frekansının, yapıdaki bir gerinim varlığında FSS elemanının etkin uzunluk artışı ile değiştirileceği yer. Ayrıca, yapı hasar gördüğünde, yapısal hasardan kaynaklanan çatlaklar FSS elemanının uzunluğunu kesebilir ve boşluk bırakabilir. Bu yeni eleman geometrisinin bir eksen boyunca oluşan çatlağı tespit edebilir iki eksen boyunca aynı anda iki eksen boyunca, sonuçlar, çatlağın kalınlığı değiştiğinde bile frekans yanıtının biraz değişeceğini ve aynı zamanda çatlama öncesi ve sonrası arasındaki frekans yanıtını karşılaştırdığımızda, frekans yanıtının değiştiğini neredeyse 1 GHz görebiliriz. Ek olarak, önerilen iki tasarım bir inşaat yapısında basılabilir ve test edilebilir ve sonuçlar gelecekteki çalışmalarda temsil edilen simülasyonlarla karşılaştırılabilir. FSY'nin çalışma frekansı olarak S-bandı seçilmiştir. Daha düşük frekanslarda daha az dielektrik kayıp gerçekleştilmektedir ve ayrıca ölçülmesi daha kolay olduğundan ve çok maliyetli olmadığından dolayı S-bandı seçilmiştir. Ansoft HFSS v.15 yazılımı, FSS'nin elektromanyetik davranışını analiz etmek için kullanıldı.
Özet (Çeviri)
Structural health monitoring (SHM) is widely applied in various engineering sectors due to its ability in detecting damages, measuring deformation, pressure and temperature of a structure, while they can also provide information about the performance of these structures. Despite the fact that SHM can be applied with wire systems or wirelessly, nowadays SHM relies mainly on sensors that can be placed or mounted on any structure and can be monitored over time either in a passive or active way. Passive sensors are more likely to be used because they are affordable, can be easily installed and mounted on a structure, and they don't require any active element which as a result will live longer. One of the latest investigated sensors in SHM is using Frequency Selective Surfaces (FSSs) as a passive sensor. FSS with its geometric dependency can be very effective in detecting deformations in a civil structure. This can be understood form the frequency response of an FSS, where it is going to be altered after a deformation occur. In this thesis, FSSs are used to design a passive sensor to detect tilting and cracking in civil structures. Two novel FSS geometries are proposed in this work. The first design is for detecting tilting angles, the new element geometry is capable of detecting deviation in civil structures with a linear frequency response change in the reflected mode this ensures that when any civil structures that have an FSS passive sensor mounted on it, its frequency response will be altered and change linearly with the same amount of deviation the structure was exposed to, and the second design is to detect cracking in civil structures, where the new element geometry is capable of detecting crack occurs along two axis at the same time, the results show that even when the thickness of the crack changes the frequency response will slightly change, and at the same time comparing the frequency response between before and after cracking we can see that the frequency response is shifted with almost 1 GHz. Ansoft HFSS v.15 software is used for analyzing the electromagnetic behavior of FSS.
Benzer Tezler
- Understanding failure mechanisms in hybrid fiber reinforced laminates through the combined usage of DIC, AE, thermography and optic based systems
Başlık çevirisi yok
ISA EMAMI TABRIZI
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. MEHMET YILDIZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ ADNAN KEFAL
- Çimento fabrikalarında makina performansına dayalı bakım planlaması sistemi ve yönetimi
Başlık çevirisi yok
ÜMİT ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. TEMEL BELEK
- Dişli çark hata ve hasarlarının titreşim analizi ile belirlenmesi
Identifying the faults in gears with vibration analysis
VOLKAN SİPAHİ
- Graphene conductive inks for an effective textile based respiratory sensor system
Tekstil esaslı solunum sensör sistemi için grafen iletken mürekkepler
KIVANÇ ÖZIŞIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜLYA CEBECİ
- Dynamic response characteristics of the Fatih Mosque in Istanbul estimated from earthquake data
İstanbul Fatih Camii'nin dinamik özelliklerinin deprem verileri ile belirlenmesi
AYŞE TONGUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Deprem MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESER ÇAKTI