Fiber Optik Ölçüm Sistemleri

Fiber Optik Ölçüm Sistemleri Nedir?

Fiber optik ölçüm (fiber optik algılama), fiziksel büyüklükleri elektrik sinyali yerine ışığın özelliklerindeki değişimle ölçen bir tekniktir. Ölçüm elemanı, cam optik fiberin kendisidir; bu sayede tek bir ince fiber, ölçtüğü noktaya hem sinyal taşır hem de sensör görevi görür. Test ve ölçüm mühendisliğinde fiber optik sistemler, klasik strain gauge ve termokupl teknolojilerinin zorlandığı elektromanyetik gürültülü, yüksek gerilimli veya patlayıcı ortamlarda tercih edilir.

En yaygın fiber optik algılama prensibi FBG (Fiber Bragg Grating – Fiber Bragg Izgarası) teknolojisidir. Fiberin çekirdeğine yazılan periyodik kırılma indisi deseni (ızgara), belirli bir dalga boyundaki ışığı (Bragg dalga boyu) yansıtır. Fiber gerildiğinde ya da sıcaklık değiştiğinde ızgara aralığı da değişir ve yansıyan dalga boyu kayar. Bu dalga boyu kaymasını ölçen cihaza interrogator (sorgulayıcı) denir; kaymadan geriye gerinim veya sıcaklık değeri hesaplanır. Ölçüm dalga boyuna (nm) dayandığı için sinyal genliğinden ve kablo kaybından bağımsızdır.

FBG’de sensörler fiber üzerinde ayrı ayrı noktalar olarak yer alırken, dağıtık fiber optik algılama (DFOS / HD-FOS – High Definition Fiber Optic Sensing) fiberin tüm uzunluğunu sürekli bir sensör dizisine dönüştürür. Bu yöntemde milimetre mertebesinde uzamsal çözünürlükle, tek fiber boyunca binlerce ölçüm noktası elde edilebilir; kompozit ve yapı testlerinde yüksek yoğunluklu gerinim/sıcaklık profili çıkarmak için idealdir.

Fiber Optik Ölçümün Avantajları

• EMI/RFI bağışıklığı: Sinyal ışık olduğundan elektromanyetik girişim, yıldırım ve yüksek gerilim ortamlarından etkilenmez. Trafo, generatör ve yüksek gerilim hatlarına yakın ölçümlerde belirleyici avantajdır.
• Patlayıcı ve zorlu ortam uyumu: Ölçüm noktasında elektrik akımı bulunmadığından kıvılcım riski yoktur; kimya, petrokimya ve enerji tesislerinde güvenle kullanılır.
• Tek fiberde çoklu nokta (multiplexing): Aynı fiber hattı üzerine çok sayıda FBG sensör yazılabilir; onlarca ölçüm noktası tek kablo ile okunarak kablaj ve ağırlık büyük ölçüde azalır.
• Uzun mesafe: Optik kayıp düşük olduğu için sensörler, sorgulayıcıdan kilometrelerce uzağa yerleştirilebilir.
• Uzun ömür ve korozyon direnci: Cam fiber pasif ve korozyona dayanıklıdır; uzun süreli yapısal izleme kurulumlarında dayanıklıdır.
• Küçük ve hafif: Fiberin küçük çapı, kompozit katmanları arasına gömülmesine (embedded sensing) olanak tanır.

Ölçülebilen Büyüklükler

Fiber optik sistemlerle ölçülen temel büyüklük gerinim ve sıcaklıktır; uygun sensör tasarımıyla türetilmiş birçok büyüklük de ölçülür:

• Gerinim (strain, µε): FBG ve dağıtık algılamanın birincil çıktısıdır. Gerinim değeri mikrostrain (µε) biriminde ifade edilir.
• Sıcaklık (°C): Bragg dalga boyu sıcaklığa da duyarlıdır; sıcaklık probları ve metalik olmayan sensörlerle -40 °C’nin altından yüksek sıcaklıklara kadar ölçüm yapılır.
• Deplasman (yer değiştirme): Optik deplasman ölçerlerle mesafe/pozisyon değişimi izlenir.
• İvme, eğim ve basınç: Gerinim prensibini mekanik yapıya dönüştüren optik ivmeölçer, eğim ve basınç sensörleriyle bu büyüklükler ölçülür.

Gerinim ve sıcaklık etkisinin birbirine karışması (cross-sensitivity) fiber optik ölçümde bilinen bir konudur; doğru gerinim ölçümü için sıcaklık kompanzasyonu (ayrı bir sıcaklık FBG’si ile) yapılır.

Sistem Bileşenleri

Bir fiber optik ölçüm sistemi iki ana parçadan oluşur:

1. Interrogator (sorgulayıcı): Işık kaynağı, spektral okuma ve işleme birimini içeren ana cihazdır. Fibere ışık gönderir, geri dönen dalga boyu kaymasını ölçer ve gerinim/sıcaklık değerine çevirir. Kanal sayısı, tarama hızı ve dalga boyu aralığıyla tanımlanır.

2. FBG / optik sensörler: Fiber üzerine yazılmış Bragg ızgaralarından oluşan ölçüm elemanları. Gerinim ölçerler (optical strain gage), sıcaklık probları, deplasman, ivme, eğim ve basınç sensörleri olarak farklı fiziksel formlarda üretilir.

Buna ek olarak optik konnektörler, uzatma fiberleri ve montaj aksesuarları (epoksi ile yapıştırma, punta kaynağı) kurulumu tamamlar.

Fiber Optik Sistem Nasıl Seçilir?

• Kanal sayısı: Kaç ayrı fiber hattının bağlanacağını belirler. Az sayıda hat için 1 kanal yeterliyken, dağınık kurulumlarda 4 veya daha fazla kanal gerekebilir.
• Ölçüm hızı (tarama hızı): Statik yapısal izleme düşük hızda yeterliyken, titreşim ve dinamik yük testleri yüksek örnekleme hızı ister. İhtiyacı statik mi dinamik mi olduğuna göre belirleyin.
• Dalga boyu aralığı (nm): Bir hatta kaç FBG sensörün multiplex edilebileceğini sınırlar. Örneğin 160 nm gibi geniş bir aralık, tek fiber üzerinde daha çok sensöre imkân tanır.
• Algılama tipi: Ayrık nokta ölçümü mü (FBG), yoksa sürekli profil mi (dağıtık / HD-FOS) gerektiğine karar verin.
• Sensör tipi ve montaj: Ölçülecek büyüklüğe (gerinim, sıcaklık, deplasman…) ve yüzeye (epoksi, kaynak, gömme) uygun sensör seçilmelidir.

Uygulama Alanları

• Yapısal Sağlık İzleme (SHM): Köprü, bina, tünel ve baraj gibi yapıların gerinim, deformasyon ve sıcaklık davranışının uzun süreli izlenmesi.
• Kompozit test: Fiberin katmanlar arasına gömülmesiyle kompozit malzemelerin iç gerinim dağılımının ölçülmesi; dağıtık algılama burada yüksek çözünürlük sağlar.
• Havacılık ve uzay: Kanat, gövde ve yapısal elemanların yük altındaki davranışının hafif ve EMI’ye bağışık sensörlerle test edilmesi.
• Enerji: Yüksek gerilim ekipmanları, generatör, trafo ve rüzgâr türbini kanatlarında elektriksel gürültüden bağımsız ölçüm.
• Petrokimya ve proses: Patlayıcı ortamlarda güvenli sıcaklık ve gerinim izleme.

Marmatek’in Fiber Optik Ölçüm Çözümleri

Fiber Bragg (FBG) ve dağıtılmış algılama tabanlı sorgulayıcılar ile optik sensörler:

Sorgulayıcılar (Interrogator)

• si155 Hyperion FBG Interrogator Sorgulayıcı (Luna): Yüksek hızlı, çok noktalı FBG/LPG algılama için fiber optik sorgulayıcı.
• si255 Hyperion Interrogator Sorgulayıcı (Luna): Çok kanallı, yüksek hızlı FBG sorgulayıcı (interrogator).
• ODiSI 6000 (Luna): Metre başına 1.000’den fazla noktada gerinim/sıcaklık ölçen dağıtılmış fiber optik sistem.

Optik Gerinim Sensörleri

• os3100 Optik Strain Gage (Luna): Kaynak veya epoksi montajlı, entegre kablolu optik gerinim ölçer.
• os3150 Optik Strain Gage (Luna): Kaynak montajlı, sıcaklık kompanzasyonlu sağlam optik gerinim ölçer.
• os3330 Fiber Optik Rozet Strain Gage (Luna): 0°/45°/90° üç elemanlı, FBG tabanlı gerinim rozeti.
• os3500 Gömülebilir Optik Gerinim Sensörü (Luna): Sıcaklık kompanzasyonlu, gage boyunca ortalama gerinim ölçen gömülebilir sensör.

Optik Basınç, İvme, Eğim, Deplasman ve Sıcaklık Sensörleri

• os9100 Optik Basınç Sensörü (Luna): 10 km’ye dağılabilen, ultra hassas, düşük profilli FBG optik basınç sensörü.
• os9200 Optik Basınç Sensörü (Luna): Uzun mesafelere dağıtılabilen sağlam ve istikrarlı FBG optik basınç sensörü.
• os7200 Optik İvmeölçer (Luna): 10’larca km’ye dağılabilen, çeşitli hassasiyet ve frekans yanıtlı fiber optik ivmeölçer.
• os7500 Optik İvmeölçer (Luna): Fabry-Pérot teknolojisine dayanan fiber optik ivmeölçer.
• os8100 Optik Eğim Sensörü (Luna): FBG tabanlı, uzun mesafelere dağılabilen yüksek hassasiyetli optik eğim sensörü.
• os5100 Optik Deplasman Ölçer (Luna): İnşaat ve jeoteknik yapılarda 50 mm’ye kadar değişimi ölçen optik deplasman ölçer.
• os4200 Sıcaklık Probu (Luna): FBG teknolojisine dayalı paslanmaz çelik sıcaklık probu.
• os4300 Metalik Olmayan Sıcaklık Sensörleri (Luna): Metalik olmayan tüp içine yerleştirilmiş FBG tabanlı sıcaklık sensörü.

Sıkça Sorulan Sorular

FBG (Fiber Bragg Grating) nedir ve nasıl çalışır?

FBG, optik fiberin çekirdeğine yazılmış periyodik bir kırılma indisi desenidir. Bu ızgara, belirli bir dalga boyundaki (Bragg dalga boyu) ışığı yansıtır. Fiber gerildiğinde veya sıcaklığı değiştiğinde ızgara aralığı değişir ve yansıyan dalga boyu kayar. Interrogator bu dalga boyu kaymasını ölçerek gerinim veya sıcaklık değerini hesaplar.

Fiber optik sensörlerin klasik strain gauge’a göre avantajı nedir?

Fiber optik sensörler elektromanyetik girişime (EMI) bağışıktır, ölçüm noktasında elektrik akımı taşımadığı için patlayıcı ortamlarda güvenlidir ve tek fiber üzerinde çok sayıda ölçüm noktası (multiplexing) sunar. Uzun mesafeye kablo kaybından bağımsız ölçüm ve korozyona dayanıklı uzun ömür de öne çıkan avantajlardır.

Interrogator (sorgulayıcı) ne işe yarar?

Interrogator, fibere ışık gönderen ve geri dönen dalga boyu kaymasını ölçüp gerinim/sıcaklık değerine çeviren ana cihazdır. Kanal sayısı, tarama (ölçüm) hızı ve dalga boyu aralığı gibi özelliklerle seçilir; sensörler ise ölçümün yapıldığı fiber elemanlardır.

FBG ile dağıtık algılama (HD-FOS) arasındaki fark nedir?

FBG, fiber üzerindeki ayrık noktalarda ölçüm yapar. Dağıtık algılama (HD-FOS/DFOS) ise fiberin tüm uzunluğunu sürekli bir sensöre dönüştürerek milimetre mertebesinde çözünürlükle binlerce noktadan ölçüm alır. Kompozit ve yüksek çözünürlüklü yapı testlerinde dağıtık algılama tercih edilir.

Fiber optik sistem seçerken nelere dikkat etmeliyim?

Bağlanacak fiber hattı sayısına göre kanal sayısını, ölçümün statik mi dinamik mi olduğuna göre tarama hızını ve tek hatta bağlanacak sensör sayısını belirleyen dalga boyu aralığını (nm) değerlendirin. Ayrıca ayrık nokta (FBG) mı yoksa sürekli profil (dağıtık) mi gerektiğinizi ve sensör montaj yöntemini göz önünde bulundurun.