URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Uzaktan Yapısal Sağlık İzleme İçin Metamalzeme Tabanlı Kablosuz Yer
Değiştirme Algılayıcıları
1
1
1
Burak Özbey , Özgür Kurç2, Vakur B. Ertürk1, Hilmi Volkan Demir1, Ayhan Altıntaş
Bilkent Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, TR - 06800, Bilkent, Ankara
2
Orta Doğu Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, TR - 06800, Ankara
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected],
Özet: Bu çalışmada, uzaktan yapısal sağlık izleme için, kablosuz, pasif, metamalzeme tabanlı bir algılayıcı
gösterilmektedir. Algılayıcı yapısı, yarık-halka rezonatörü (nested split ring resonator (NSRR)) mimarisinde bir
probdan (probe) ve hem verici hem de alıcı olarak kullanılan bir antenden oluşmaktadır. NSRR prob, antene
yakın alanında bağlaşık (coupled) durumdadır. Yapısal bir elemanda (ör. çelik inşaat donatısı) oluşan eksenel
bir yer değiştirme durumunda, yerel bir frekans maksimumu ya da minimumu kaymaya uğramakta, ve sensör bu
kaymayı telemetrik olarak algılayabilmektedir. Algılayıcı, yüksek bir çözünürlük (<1 μm), geniş bir ölçüm
menzili (> 20 mm) ve yüksek seviyede doğrusallık (5 mm boyunca R 2 (belirleme katsayısı) > 0.99) ile hassaslık
(1-3 mm aralığı için 12.7 MHz/mm’den fazla) sergilemektedir. Algılayıcının ayrıca, standart bir donatıya
takılarak elastik deformasyon bölgesinde ölçüm alabildiği de gösterilmektedir.
Abstract: In this study, we report a wireless, passive, metamaterial-based sensor for remote structural health
monitoring. The sensor structure includes a multiple nested split ring resonator (NSRR) as the probe and an
antenna which serves as both a transmitter and a receiver. The NSRR probe is coupled to the antenna in its
near-field. In the case of a displacement along an axis of a structural object (e.g. a steel reinforcing bar), a local
frequency peak or dip in the input impedance of this coupled system is shifted, and the sensor telemetrically
detects these shifts. The sensor exhibits a high resolution (<1 μm), a high measurement range (over 20 mm),
along with high levels of linearity (R2 (coefficient of determination) > 0.99 over 5 mm) and sensitivity (>12.7
MHz/mm in the 1–3 mm range). The sensor is also shown to be working in the elastic deformation region in a
scenario where it is attached to a standard structural reinforcing bar.
1. Giriş
Yapısal sağlık izleme (structural health monitoring), hem yapıların dayanıklılıklarının garanti altına alınması,
hem de insan hayatının korunması açısından büyük öneme sahip bir alandır. Yapısal sağlık izlemede önemli
hasar göstergelerinden biri, yapıların kolon ve kiriş gibi önemli bölümlerinde bulunan ve betonun
güçlendirilmesi için kullanılan çelik donatılardaki yer değiştirmedir. Uzama ya da daralma şeklinde ortaya
çıkabilen bu yer değiştirme, deprem gibi ani bir etki ile meydana gelebileceği gibi, zamanla yavaş yavaş da
oluşabilir. İki nokta arasında oluşan yer değiştirmelerin, bu iki nokta arasındaki orijinal uzaklığa oranı gerinimi
(strain) verir. Uygulanan kuvvet ile oluşan gerilimin (stress) gerinime oranından maddenin kendine özgü
özelliklerinden olan Young modulus’u elde edilir. Dolayısıyla, bilinen bir malzemenin üzerindeki bir yer
değiştirmenin ya da gerinimin ölçülebilmesi, o maddenin maruz kaldığı kuvvet hakkında önemli bilgi
vermektedir.
Literatürde, yer değiştirme ve gerinim ölçebilen pek çok sensör gösterilmiştir. Bunların arasında, pasif ve
kablosuz algılayıcılar, bataryaya ihtiyaç duymadan çalışabilmeleri, tahribatlı muayeneyi (destructive testing)
ortadan kaldırmaları ve duvarların içinde oldukça sıkıntılı olabilen kablolara olan gereksinimi ortadan
kaldırmaları nedeniyle tercih sebebidir [1]-[4]. Son dönemde pek çok uygulama için gösterilmiş olan
metamalzemelerden ise, yüksek alan lokalizasyonları ile hassaslığı ve çözünürlüğü arttırabilmeleri nedeniyle
çeşitli amaçlar için tasarlanan sensörlerde de yararlanılmaya başlanmıştır [5]. Metamalzemeler, dalgaboyuna
oranla çok daha küçük boyutlarda tasarımlara izin verebilmeleri nedeniyle, biyosensör gibi uygulamalarda
avantaj sağlamaktadır. Bu çalışmada da, esas uygulama alanı yapısal sağlık izleme olan, metamalzeme tabanlı ve
yakın alanda çalışan bir yer değiştirme algılayıcısı geliştirilmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2. Algılayıcı Yapısı
Bu çalışmada gösterilen algılayıcı, temelde iki öğeden oluşmaktadır. Bunlardan birisi olan ve iki noktası
arasındaki yer değiştirmenin ölçüleceği malzemenin üstüne yerleştirilen prob, literatürde sıklıkla kullanılan iç içe
geçmiş yarık halka rezonatörünün (nested split ring resonator-NSRR), [6]’de ilk kez gösterilen bir çeşidi olan
tarak yarık halka rezonatörü (comb-like NSRR) yapısındadır (Bakınız Şekil 1-a). Tarak NSRR, Rogers türü bir
dieletrik substratın üst yüzeyine, karşılıklı gelen ve birbirine değmeyen metal diş çiftlerinin baskı devre olarak
üretilmesi ile elde edilir. Diş çiftlerinin sayısı ve aralarındaki mesafe, malzemenin kapasitans ve indüktansını,
dolayısıyla rezonans frekansını belirler. Bu çalışmadaki yapının rezonans frekansı 400 MHz olarak seçilmiştir.
Öte yandan, ölçülebilecek maksimum yer değiştirmenin, NSRR prob’un yapıldığı malzemenin dayanabileceği
bir limitle sınırlı kalmasını önlemek ve ölçülen yer değiştirme aralığını arttırmak açısından, bu çalışmada
kullanılan tarak NSRR prob yapısı, ortadan ikiye bölünerek normalde sürekli olan en üstteki diş, ince bir bakır
tel ile birleştirilmiştir. Böylece, değiştirilmiş tarak NSRR prob, en üst diş ile birbirine elektriksel olarak bağlı iki
ayrı parçadan oluşmaktadır.
Algılayıcının diğer öğesi ise, alıcı-verici bir antendir. Bu çalışmada kullanılan anten yapısı, [7]’de gösterilen
boyutları küçültülmüş geniş bantlı mikroşerit tek yarıklı anten baz alınarak oluşturulmuştur. Anten boyutları,
algılayıcı frekansı olan 400 MHz’e yakın bir frekansta çalışabilecek şekilde ayarlanmıştır. Bu tipteki bir antenin
seçilme nedenlerinden birisi de, antenin yakın alanda NSRR prob ile oluşturduğu bağlaşık (coupled) sistem
yapısının diğer antenlere oranla güçlü olduğunun gözlenmesidir. Bu birbirine bağlı sistemin giriş empedansı, bir
network analizörü yardımıyla görüntülendiğinde, tarak NSRR prob’un iki parçası arasında bir ayrılma, yani
probun üzerine takıldığı malzemede bir yer değiştirme oluştuğunda, sistem empedansındaki belirli bir tepe ya da
çukur noktasının da kaydığı görülmüştür. Yer değiştirmeye bağlı olarak elde edilen bu frekans kaymasının
birebir (one-to-one) özellik taşıdığı, yani, ölçülen bir frekans değerinin hep aynı yer değiştirmeye karşılık geldiği
ve bir histerezisin oluşmadığı da deneylerle gözlemlenmiştir. Kontrollü yer değiştirme düzeneğinde yapılan
deneyler ile 10 mm’lik bir yer değiştirme ölçüm aralığı için elde edilen frekans kayması, Şekil 1-b’de
gösterilmiştir. Bu şekilde, aynı zamanda, sistemin ve ölçüm düzeneğinin modellenebilen tüm elemanlarının
sisteme etkisinin olabildiğince yansıtıldığı bir CST Microwave Studio benzetiminin sonuçları da
gösterilmektedir. Yer değiştirme düzeneği deneyi sonuçlarının benzetim ile oldukça uyumlu olduğu şekilden
anlaşılmaktadır.
(a)
(b)
Şekil 1. a) Yapısal sağlık izleme uygulaması için değiştirilmiş tarak yarık halka rezonatörü (NSRR) prob yapısı,
b) Tarak NSRR probun üzerinde oluşan yer değiştirmeye karşılık meydana gelen frekans kaymasının benzetim
ve deney sonuçları. Sağ alt köşede deneyde kullanılan anten ve prob, kontrollü yer değiştirme düzeneğinin
üzerinde gösterilmektedir.
Genel olarak algılayıcılarda olduğu gibi, yer değiştirme ya da gerinim okuyan algılayıcılarda da, sensörün
çözünürlüğü, yani tespit edebildiği en düşük yer değiştirme seviyesi, büyük öneme sahiptir. Özellikle, çelik
donatıların lineer bölge ya da elastik bölge denilen geri döndürülebilir hasar bölgelerindeki oldukça küçük
seviyelerdeki (mikrogerinim-µm’ler seviyesi) gerinim ve yer değiştirmeleri okuyabilmek için, sensör
çözünürlüğünün yüksek olması gerekmektedir. Algılayıcının, yer değiştirme düzeneğinde elde edilen, µm
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
seviyesinde yer değiştirmeye karşı frekans kayması, Şekil 2’de verilmiştir. Bu şekilde, NSRR prob’un iki parçası
arasındaki açıklık (d), 2 mm iken, 0.5 µm aralıklarla arttırılarak 2.015 mm’ye çıkılmış ve bu aralıkta, sistemin
giriş empedansı ile ilgili olan S11 büyüklüğü izlenmiştir. Bu şekil, bize sensörün 0.5 µm’lik yer değiştirmelere
duyarlı olduğunu göstermektedir. Bu değer, literatürde gösterilen benzer tipte algılayıcılara kıyasla daha yüksek
bir çözünürlük değeri olarak ortaya çıkmaktadır.
Şekil 2. Algılayıcının çözünürlüğü: 0.5 µm’lik adımlarla 15 µm’lik yer değiştirme aralığı için algılayıcıda oluşan
frekans kayması.
Algılayıcının, belirli yer değiştirme aralıkları için oldukça doğrusal olduğu görülmüştür. Değeri 1 olduğunda tam
doğrusallık ifade eden belirleme katsayısının (R2), 3-8 mm arasındaki yer değiştirmelerde, 0.99 olduğu
ölçülmüştür. Algılayıcının ölçebildiği yer değiştirme aralığının (menzil), temelde bir üst sınırı bulunmamaktadır.
Öte yandan, bir fiziksel sınır olarak, NSRR probun iki parçasını birleştiren bakır tel uzunluğu gösterilebilir.
Ölçülen yer değiştirme arttıkça, yani, NSRR probun arasındaki açıklık büyüdükçe, lineerliğin azaldığı ve
frekans-yer değiştirme grafiğinin doyuma ulaşmaya başladığı Şekil 1-b’de görülmektedir. Ayrıca, algılayıcının
hassaslığı birim yer değiştirmeye karşılık oluşan frekans kayması olarak tanımlandığı takdirde, büyük yer
değiştirmelerde hassaslığın da azaldığı görülmektedir. Dolayısıyla ölçüm menzili ile hassaslık ve doğrusallık
arasında bir ters orantı bulunmaktadır. 20 mm’den büyük bir ölçüm menzilinde, frekans kaymasının antenin
bandından çıkmaya başlamasına rağmen beraber yine de algılayıcının ölçüm alabildiği deneylerde görülmüştür.
Algılayıcının 1-3 mm arası hassaslığı 12.7 MHz/mm olarak ölçülmüştür.
Algılayıcı, yer değiştirme düzeneğinin dışında, gerçek uygulamada kullanılacağı şekilde bir çelik inşaat
donatısının üzerine yapıştırılmış ve çelik donatı, büyük çaplı bir çekme düzeneğinden yararlanılarak çeliğin
hasarın geri döndürülebilir elastik (doğrusal) bölgesi içinde kalınarak 800 kgF’a kadar bir kuvvete kadar
çekilmiştir. Bu deney sırasında, değiştirilmiş tarak NSRR probun iki parçası, kuvvetin uygulandığı doğrultu
boyunca oluşan yer değiştirmenin algılanabilmesi amacıyla metal dişler bu doğrultuya paralel gelecek şekilde
yapıştırılmıştır. Özel yapıştırıcı uygulanırken, yapıştırıcının olabildiğince küçük bir yüzeye temas etmesine
dikkat edilerek, noktasal bir bağlantı yapılmıştır. Bu sayede, donatıda oluşan gerinim, yapıştırıcı tarafından
değiştirilmeden NSRR proba aktarılmıştır. Deney sırasında, algılayıcıdan elde edilen frekans kayması bilgilerini
gerinim bilgisine çevirmek ve diğer deney sonuçları için bir kalibrasyon oluşturabilmek adına, NSRR probun
çevresine 90’ar derecelik açı yapacak şekilde üç gerinim pulu da yapıştırılmıştır. Şekil 3-a’da algılayıcı, deney
düzeneği üzerinde gösterilmiştir. Şekil 3-b’de ise, deney sonucu hem algılayıcı hem de gerinim pulundan elde
edilen mikrogerinime karşı gerilim grafikleri verilmiştir. Bu iki grafiğin birbirine yakınlık göstermesi,
algılayıcının doğrusal bölgede mikrogerinimler seviyesinde hassas bir ölçüm alabildiğini göstermektedir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 3. a) Yüksek-kuvvetli çekme düzeneği üzerinde algılayıcı sistem elemanları, b) Deney sonucunda elde
edilen doğrusal bölge mikrogerinim-gerilim grafiği ve gözlemlenen frekans kayması (üst yatay eksen) [8].
3. Sonuç
Bu çalışmada, metamalzeme tabanlı, pasif, kablosuz bir yer değiştirme ve gerinim algılayıcısı gösterilmektedir.
Yapılan deneylerde, algılayıcının yüksek bir çözünürlüğe ve ölçüm menziline sahip olduğu ve gerçek
uygulamada yararlanılacağı şekilde bir çelik donatı üzerinde, elastik bölgede ölçüm alabildiği görülmüştür. Bu
özelliklerinin yanında ucuz ve kolay tasarlanabilir olmasıyla, önerilen algılayıcı yapısının, yapısal sağlık
izlemede kullanılabilecek bir hasar tespit aracı olarak bir potansiyel taşıdığı düşünülmektedir.
4. Teşekkür
Bu çalışma, TÜBİTAK EEEAG’nin 112E255 no’lu projesi tarafından desteklenmiştir.
Kaynaklar
[1]. Deshmukh S. ve Huang H., “Wireless interrogation of passive antenna sensors,” Measurement Science and
Technology, 21(3), 2010.
[2]. Occhiuzzi C., Paggi C. ve Marrocco G., “Passive RFID strain-sensor based on meander-Line antennas,”
IEEE Trans. on Antennas and Propagation, 59(12), s.4836–4840, 2011.
[3]. Daliri A., Galehdar A., John S., Wang C. H., Rowe W. S. T. ve Ghorbani K., “Wireless strain measurement
using circular microstrip patch antennas,” Sensors and Actuators A: Physical, 184, s.86–92, 2012.
[4]. Thai T. T., Aubert H., Pons P., DeJean G., Tentzeris M. M. ve Plana R., “Novel design of a highly sensitive
RF strain transducer for passive and remote sensing in two dimensions,” IEEE Trans. Microwave Theory and
Techniques, 61(3), s.1385–1396, 2013.
[5]. Chen T., Li S. ve Sun H., “Metamaterials application in sensing,” Sensors 12, s.2742-2765, 2012.
[6]. Melik R., Unal E, Perkgoz N. K., Santoni B, Kamstock D, Puttlitz C. ve Demir H. V., “Nested metamaterials
for wireless strain sensing,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 16(2), s.450–458, 2010.
[7]. Latif S. I., Shafai L. ve Sharma S. K., “Bandwidth enhancement and size reduction of microstrip slot
antennas,” IEEE Trans. on Antennas and Propagation, 53(3), s. 994–1003, 2005.
[8]. Ozbey B., Unal E., Ertugrul H., Kurc O., Puttlitz C. M., Erturk V. B., Altintas A. ve Demir H. V., “Wireless
displacement sensing enabled by metamaterial probes for remote structural health monitoring,” Sensors, 14(1),
s.1691–1704, 2014.

Download Report