Miniaturized IoT-based Systems for Structural Integrity and Health Monitoring
Yapısal Bütünlük ve Sağlık İzleme için Minyatürize Edilmiş IoT (Internet of Things--Nesnelerin İnterneti) Tabanlı Sistemler
- Tez No: 966816
- Danışmanlar: PROF. DR. ZAHRA SHARİF KHODAEİ, PROF. DR. FERRİ MH ALİABADİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Imperıal College London
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu doktora araştırmasının konusu, kompozit yapıların güvenilirliğini ve emniyetini artırmak amacıyla minyatürize edilmiş IoT tabanlı Yapısal Sağlık İzleme (SHM) sistemlerinin tasarımını, geliştirilmesini ve doğrulanmasını içermektedir. Geleneksel SHM yaklaşımları, yaygın olarak kapsamlı kablolama, sınırlı ölçeklenebilirlik ve hacimli veri toplama üniteleri ile kısıtlanmakta olup, ağırlığın kritik olduğu havacılık uygulamalarında önemli zorluklar oluşturmaktadır. Bu sınırlamaları aşmak için, bu çalışmada yeni minyatürize edilmiş kablosuz SHM platformları tanıtılmaktadır. Önerilen ilk sistem, çok katmanlı bir Baskılı Devre Kartı (PCB), Kablosuz Sensör Ağı (WSN) ve Grafiksel Kullanıcı Arayüzü (GUI) entegrasyonunu bir araya getirerek, ZigBee tabanlı iletişimle kablolama karmaşıklığını önemli ölçüde azaltırken gerçek zamanlı veri toplama imkânı sağlamaktadır. İkinci sistem olan Pasif Algılama Düğümü (Passive Sensing Node) ise etki tespiti ve yer belirleme amacıyla düğme pili ile beslenen, olay tetiklemeli bir komparatör kullanmakta; Bluetooth Düşük Enerji (Bluetooth Low Energy (LE)) ve paylaşılan saat kaynağı aracılığıyla zaman senkronizasyonu yaparak ultra düşük güç tüketimli ve anlık tepki verebilen bir işletim sunmaktadır. Üçüncü sistem, piezoelektrik dönüştürücü, gerinim ölçer (strain gauge), ivmeölçer ve çevresel sensörü tek bir kompakt 3×3 cm boyutundaki esnek PCB üzerinde birleştiren çok modlu bir platform olarak tasarlanmıştır. Düşük güçlü Bluetooth LE iletişimi sayesinde kapsamlı durumsal izleme için uygun veri toplama imkânı sunmaktadır. Dördüncü sistem ise aktif ve pasif algılamayı tek bir platformda birleştirerek, harici bir Analog-Dijital Dönüştürücü (ADC) ve Dijital-Analog Dönüştürücü (DAC) entegrasyonu ile hem yönlendirilmiş dalga temelli muayeneleri hem de spontan etki tespitini mümkün kılmaktadır. Pasif modda etki kaynaklı sinyaller yakalanıp kablosuz olarak iletilirken, aktif modda ton patlamaları gibi aktüasyon sinyalleri üretilerek yapısal değerlendirmeler gerçekleştirilebilmektedir. Önerilen bu sistemler, minyatürizasyon, kablosuz veri iletimi, hafiflik ve enerji verimliliğinin yanı sıra kullanıcı dostu bir arayüz sunarak uçağa entegre SHM için kapsamlı bir çözüm teşkil etmektedir. Kompozit paneller üzerinde gerçekleştirilen deneysel testler, sistemlerin gerçek zamanlı SHM yapabilme kabiliyetini doğrulamış ve kompozit yapıların yapısal bütünlüğünü koruma potansiyelini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
This PhD research presents the design, development, and validation of miniaturized IoT-based Structural Health Monitoring (SHM) systems to improve the reliability and safety of composite structures. Conventional SHM approaches are often constrained by extensive cabling, limited scalability, and bulky data acquisition units, posing significant challenges in weight-sensitive aerospace applications. To overcome these limitations, this work introduces novel miniaturized wireless SHM platforms. The first proposed system integrates a multi-layer Printed Circuit Board (PCB), a Wireless Sensor Network (WSN), and a Graphical User Interface (GUI), providing real-time data acquisition while significantly reducing wiring complexity through ZigBee-based communication. The second system, a Passive Sensing Node, is designed for impact detection and localization, operating with a coin-cell battery-powered event-triggered comparator. Using Bluetooth Low Energy (LE) and a shared clock for time synchronization, it enables ultra-low-power operation with immediate response to impact events. Building upon these developments, the third system is a multi-sensor platform that unifies a piezoelectric transducer, a strain gauge, an accelerometer, and an environmental sensor on a compact 3×3 cm flexible PCB. Designed for low-power Bluetooth LE communication, it enables multi-modal data acquisition for comprehensive condition monitoring. Finally, the fourth system integrates active and passive sensing within a single platform, combining an external Analog-toDigital Converter (ADC) and a Digital-to-Analog Converter (DAC) to facilitate both guided wave-based inspections and spontaneous impact detection. In passive mode, impact-induced signals are captured and transmitted wirelessly, while in active mode, the system successfully generates actuation signals such as tone bursts for structural evaluation. Collectively, these proposed systems offer a comprehensive solution to on-board SHM, focusing on miniaturization, wireless data transmission, light-weight, and energy efficiency along with a user interface. Experimental tests on composite panels confirm their capability for real-time SHM and highlight their potential to protect the structural integrity of composite structures.
Benzer Tezler
- GNSS sistemleri için küçük boyutlu yama anteni ve kompakt anten dizisi tasarımı
Design of a compact patch antenna and antenna array for GNSS systems
MUHAMMED YUSUF ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
- Yazdırılabilir piller için açık atmosferde kararlı polietilen oksit esaslı polimer elektrolitlerin geliştirilmesi
Development of air-stable polyethylene oxide based polymer electrolytes for printable batteries
BEYZA BATU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR
- Development of laser-induced graphene based flexible thermoelectric generators
Lazerle yazılmış grafen tabanlı esnek termoelektrik cihazların üretilmesi
VALA CAN AŞKAN
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik BilimleriGebze Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
DOÇ. DR. NİHAN AYDEMİR
- Electronic system design for continuous bladder volume monitoring
Sürekli mesane hacmi takibi için elektronik sistem tasarımı
EMİNE BARDAKCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. LEVENT BEKER
- Miniaturized fiber optic transmission system for magnetic resonance imaging signals
Manyetik rezonans görüntüleme sinyalleri için minyatür fiber çelik iletim sistemi
ÖMER GÖKALP MEMİŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN AYTÜR
PROF. DR. ENGİN ATALAR