Optik fiberli dağınık algılamalı sistemlerde ısıl etkilerin analizi ve modellenmesi

Abstract

Sıcaklık ve gerginlik oluşumlarının eş zamanlı olarak algılandığı optik fiberli dağınık algılamalı sistemlerde, geriye saçılan optik sinyalin Brillouin frekans kayması ve Brillouin güç değişimi verilerinden yararlanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, ortamdaki ısıl efektlerin algılanmasında Brillouin saçılma mekanizması ile algılayıcı fiberin Young modülünün birleşik etkisini esas alan yeni bir dağınık algılama yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemde algılayıcı fiber boyunca meydana gelen sıcaklık oluşumları Brillouin güç değişiminden, ısıl gerginlik oluşumları ise modülün hem sıcaklık hem de ısıl gerginlik bağımlılığı olması nedeniyle fiber çekirdeğinin Young modülü değişiminden elde edilmiştir. Tez çalışmasında, analitik metotlar kullanılarak 313 °K - 320 °K sıcaklık aralığında Brillouin güç değişimi ve Brillouin frekans kayması ile fiber çekirdeği Young modülü arasındaki lineer ilişki formüle edilmiştir. Algılayıcı fiber Young modülünün 73,205 GPa - 73,283 GPa aralığındaki değişimine karşılık Brillouin güç değişimi ve Brillouin frekans kayması sırasıyla % 13,950 - % 16,273 ve 69,00 MHz - 85,72 MHz aralığında değişim göstermiştir. Ayrıca 320 °K - 332 °K aralığında Young ve Shear modülünün sıcaklık ve ısıl gerginlik duyarlılıklarına ait benzetimler gerçekleştirilmiştir. Bu sıcaklık aralığında, Young ve Shear modüllerinin sıcaklık duyarlılıkları sırasıyla – 2,33 x 〖10〗^(-6) %/°K ve – 6,67 x 〖10〗^(-7) %/°K olarak elde edilmiştir. Bunun yanı sıra, her iki modülün ısıl gerginlik duyarlılıkları, sırasıyla -3,25 x 〖10〗^(-9) %/με ve -9,35 x 〖10〗^(-10) %/με olarak elde edilmiştir. Hem teorik hesaplamalar hem de benzetim sonuçları göstermiştir ki, dağınık algılamalı bir sistemin performansını belirlemek için Young modülünün sıcaklık ve ısıl gerginlik duyarlılıklarından yararlanmak, Shear modülüne kıyasla daha etkin bir yöntemdir.

In the optical fiber distributed sensing systems where temperature and strain formations are detected and measured simultaneously, Brillouin frequency shift and Brillouin power change of the backscattered optical signal are utilized. In this thesis, for sensing thermal effects in the medium a novel distributed sensing method based on the combine effect of Brillouin scattering mechanism and Young modulus of sensing fiber has been proposed. In this method, temperature formations occurring along the sensing fiber are obtained from Brillouin power change and then thermal strain formations are derived from Young modulus change of the fiber core due to its temperature and thermal strain dependencies. In this thesis using the analytical method, linear formula between Brillouin parameters, i.e. Brillouin power change and Brillouin frequency shift and the Young modulus of the fiber core have been derived in the temperature range of 313 °K - 320 °K. For the Young modulus variation of the sensing fiber in the range of 73,205 GPa to 73,283 GPa, Brillouin power change and Brillouin frequency shift changes in ranges of 13,950 % - 16,273 % and 69,00 MHz - 85,72 MHz, respectively. Furthermore, simulations of the temperature and thermal strain sensitivities of Young and Shear moduli along the sensing fiber in the temperature range of 320 °K - 332 °K have been performed. In this temperature range, temperature sensitivities of the Young and Shear moduli have been determined as – 2,33 x 〖10〗^(-6) %/°K and – 6,67 x 〖10〗^(-7) %/°K, respectively. Moreover, thermal strain sensitivities of these moduli have been obtained as -3,25 x 〖10〗^(-9) %/με and -9,35 x 〖10〗^(-10) %/με, respectively. Both theoretical computations and simulations result show that it is more efficient method to utilize temperature and thermal strain sensitivities of the Young modulus with respect to thats of the Shear modulus to determine the performance of the distributed sensing system.