halimcanalbasan@mail.ege.edu.tr
2
Elektrik ve Elektronik Mühendisli÷i Bölümü
Ege Üniversitesi, øzmir
gokalp.kahraman@ege.edu.tr
3
Ege Meslek Yüksekokulu
Ege Üniversitesi, øzmir
seyhan.coskun@ege.edu.tr
Özetçe
Projemizde, FBG tabanlı bir sensörle hastaların EKG sinyalini algılayıp sonra fiber optik ortama aktaran ve bu optik sinyali bir optik haberleúme a÷ı üzerinden merkezi bir kontrol ünitesine (bilgisayar) gönderen sistemin simülasyonu yapılmıútır. Kontrol ünitesi ise demodülatör yardımıyla elektrik sinyaline dönüútürülen optik sinyali bir veri yakalama kartı (data acqusition card) ile örnekleyip EKG sinyallerini ani olarak görüntüleyebilecek, ayrıca bu bilgiler ile bir veri tabanı oluúturabilecektir. Kontrol ünitesi MATLAB kullanılarak simüle edilmiútir.
Bu proje, ilk kez EKG gibi AC nitelikli sinyallerin sorgulanmasına yönelik yapılan bir sensör a÷ı tasarımı ve gerçekleme çalıúmasıdır. Ayrıca bir FBG sensör a÷ının tıbbi alanda bizce ilk uygulaması olacaktır. Genelde FBG sensör uygulamalarında ne AC nitelikli sinyalleri, ne de gerilim sinyallerini ölçmeye yönelik a÷ uygulamaları vardır. Yüksek gerilim ölçen fiber optik sensör uygulaması olsa da FBG a÷ yapısında ve AC nitelikli de÷ildir [9].
Anahtar Kelimeler: FBG, sensör, FBG
sensör a÷ı, optik haberleúme a÷ı.
1. Giriú ve Altyapı
Fiber Bragg Izgara (Fiber Bragg Grating, FBG) sıcaklık, basınç, gerilme kuvveti gibi bazı parametrelere duyarlı, bir çeúit optik filtredir.
Optik fiber kablo üzerinde yaklaúık 1 cm uzunlu÷unda bir yer kaplayan FBG, gelen geniú bantlı ıúı÷ın spektrumunda, belli bir dalgaboyunu yaklaúık 1 nm`lik geniúlikte geri yansıtır. Gelen ıúı÷ın spektrumunun geri kalanını ise geçirir. Yansıyan dalgaboyu ise yukarıda belirtti÷imiz gibi sıcaklık, gerilme kuvveti gibi parametrelere ba÷lı olarak de÷iúir. Bu projede, FBG`den geriye yansıyan ıúı÷ın dalgaboyunun, ızgara üzerindeki gerilme kuvvetine ba÷lılı÷ı kullanılmıútır.
PZT piezoelektrik özellikli bir seramik malzemedir. Bu malzemeden yapılan piezoelektrik özellikli eleman bir dönüútürücü (transducer) özelli÷i göstermektedir. Giriúine verilen elektrik alanın úiddetine ba÷lı olarak, maddenin boyu de÷iúmektedir. Dolayısıyla PZT, elektriksel gücü mekanik bir iúe dönüútürmektedir. Tersi de mümkündür (mekanik kuvvet uygulandı÷ında elektrik alan üretmesi) ve projede PZT`nin bu özelli÷inden faydalanılacaktır.
Optik haberleúme sisteminde modülatör görevi görecek olan sensör baúlı÷ını, FBG ve PZT`yi uygun úekilde birbirine ba÷layarak elde ediyoruz. PZT`nin giriúindeki elektrik sinyalinin genli÷ine ba÷lı olarak bir gerilme kuvveti üretilecek, bu gerilme kuvvetinin etkisiyle FBG`nin yansıttı÷ı dalga boyu de÷iútirilecektir. Böylece elektrik sinyali fiber optik sisteme aktarılmıú olacaktır[1]. Elde edilen optik sinyal, bir optik haberleúme a÷ı üzerinden merkezi kontrol birimine ulaútırılacaktır.
Kontrol biriminin optik sinyali algılayabilmesi için, sinyalin demodüle edilerek elektrik sinyaline dönüútürülmesi gerekmektedir. Sensör baúlı÷ında kullandı÷ımız düzene÷in aynısını demodülatör olarak da kullanabilmekteyiz. Bu úekilde FBG`nin hem modülatör hem demodülatör olarak kullanılması, literatürde eúlenmiú FBG çifti (matched FBG pair) olarak anılmaktadır[2].
FBG, daha önce de bahsetti÷imiz gibi yansıttı÷ı dalgaboyunu sıcaklı÷a göre de de÷iútiren bir yapıdır. FBG`nin yansıttı÷ı dalgaboyu sıcaklık yükseldikçe (tıpkı gerilme kuvvetinde oldu÷u gibi) yükselir, sıcaklık düúünce de düúer. Fakat sıcaklık yavaú de÷iúen bir etken oldu÷undan DC bir parametre olarak kabul edilir. Literatürde, bu özelli÷inden faydalanarak sıcaklık sensörü [3], veya hem sıcaklık, hem gerilme kuvveti sensörü [4,8] olarak kullanıldı÷ı projeler mevcuttur. Projemize benzer bir uygulama olarak da medikal alanda da gerçekleútirilmiú bir sıcaklık sensörü uygulaması literatürde bulunmaktadır[3].
Sıcaklı÷ı de÷ iúken olan ortamlarda çalıúacak
TOK'07 Bildiriler KitabÕ østanbul, 5-7 Eylül 2007
gerilme kuvveti sensörlerinde ise, ya sensör için sıcaklık de÷iúiminden etkilenmeyecek izole bir ortam oluúturulmalı, ya da sıcaklı÷ın FBG üzerindeki etkisi kompanze edilmelidir [5,6,7]. Bizim projemizde ortamın sıcaklı÷ı ya sabit kalacak ya da küçük de÷iúiklikler, oldukça yavaú bir biçimde gerçekleúebilecektir. Dolayısıyla sıcaklı÷ın sensörümüze etkisi sadece bir DC offset yaratmak olacaktır. AC sinyali algılamaya yönelik olan projemizde elde edilen sinyalin DC bileúenini yok etti÷imizden sıcaklık, sistemi etkilememektedir. Bu yüzden de sıcaklık kompanzasyonu yapılmamıútır.
2. Sistemin Tanıtımı ve Çalıúma
Prensibi
2.1. Modülasyon
PZT ve FBG, uygun metodlarla ba÷lanır. Uygun bir yapıútırıcı madde kullanılaılabilir.
Bir baúka seçenek ise PZT, aktuator haline getirildikten sonra uygun bir aparat yardımıyla FBG ile birleútirilmesidir. Örne÷in ùekil-1`deki gibi bir aparat kullanıldı÷ında, PZT`nin boyundaki de÷iúme, dolayısıyla üretti÷i gerilme kuvveti FBG`ye aktarılabilir. Ayrıca FBG`nin ba÷lanmıú oldu÷u metallerin termal genleúmesi kullanılarak sıcaklık kompanzasyonu da gerçekleútirilebilir [6]. Bu projede simülasyonu yapılan sistemin. gerçekleútirilmesi aúamasında bu yöntemin kullanılması düúünülmektedir.
ùekil-1: PZT`nin FBG`ye ba÷lanılması için
kullanılması düúünülen aparat [6].
Bu úekilde oluúturulan sensör baúlı÷ı ile ölçülen EKG sinyalini PZT`nin giriúine verdi÷imizde boyu sinyalin genli÷ine ba÷lı olarak de÷iúecektir. Bu boy de÷iúimi bir ucu PZT`ye, bir ucu FBG`ye ba÷lanmıú, ortasından bir mile sabitlenmiú olan parçayı hareket ettirecek ve FBG`nin üzerindeki gerilme kuvvetinin de bu boy de÷iúimine ba÷lı olarak de÷iúecektir. Bu da FBG`nin yansıttı÷ı ıúı÷ın dalgaboyunun de÷iúmesini sa÷layacaktır. Böylece sinyalin genli÷ine ba÷lı olarak FBG`nin yansıttı÷ı ıúı÷ın dalgaboyu de÷iúmiú olacaktır.
2.2. Optik haberleúme a÷ı
ùekil-2`de görüldü÷ü gibi, sistemde her biri ayrı bir hastaya ba÷lı olması düúünülen 32 adet sensör baúlı÷ı bulunmaktadır. Bu sensör baúlıklarına ait olan FBG`lerin her birinin yansıttı÷ı merkez dalgaboyları, giriúim engellemek ve do÷ru sonuçlar alabilmek için birbirinden farklı olmak zorundadır (WDM). Ayrıca bir güvenlik bandı da bulundurulması tercih edilir.
Geniú bant ıúık kayna÷ının spektrumu, 1x4 WDM demux kullanılarak 4`e bölünmektedir. Sensör baúlıklarının bulundu÷u her bir kola sprektrumun ayrı bir parçası gönderilmektedir. Her FBG`den farklı merkez dalgaboylarında gelen ıúıkların spektrumları, kuplörlerden geçtikten sonra 4x1 Mux (veya Combiner) ile birleútirilir.
Bu durumda 4x1 Mux`un çıkıúındaki ıúı÷ın spektrumunu inceledi÷imizde 32 adet peak görürüz. Buradaki her peak, bir FBG`nin kendi merkez dalgaboyunda yansıttı÷ı ıúı÷ın spektrumudur. Bu peak`ler, ait oldukları FBG`ye ba÷lı bulunan PZT`nin giriúindeki sinyalin genli÷iyle senkronize bir úekilde spektrumda hareket ederler. Dolayısıyla, bu peak`lerin spektrumdaki konumları (dalgaboyu), bize peak`lerin ait oldukları sensör baúlıklarının giriúlerindeki sinyallerin genlik bilgilerini vereceklerdir. Peak`lerin spektrumdaki konumlarını ise sorgulama ünitesi tespit etmektedir.
2.3. Demodülasyon
Bu peak`lerin bulundu÷u ıúık, sensör baúlı÷ıyla aynı dizayna sahip olan FBG demodülatöre giriú yapmaktadır. Demodülatör, ayar giriúindeki testere diúi sinyalinin etkisiyle, spektrumda tarama yapmaktadır. Testere diúi sinyalinin rampa fonksiyonu olan her bir periyodu, FBG`lerin yansıttıkları dalgaboylarını spektrumda düúük dalgaboyundan yüksek dalgaboyuna sıralayacaktır. Demodülatör giriúinde dalga boyu domeninde sıralanmıú darbeler úeklindeki sinyal demodulator çıkıúında zaman domeninde sıralanmıú darbeler úekline dönüúmüú olacaktır. Böylece, demodülatörün çıkıúındaki sinyal darbe konumu modülasyonuna (Pulse Position Modulation - PPM) dönüútürülmüú olacaktır.
3. Yazılım Bazında Simülasyonlarla
Sisteminøncelenmesi
Projede uygun çalıúma düzeni olarak, kademe kademe ilerleyerek sonuca ulaúmak uygun görülmüútür. Öncelikle tek bir sinyalin bilgisayara aktarılması simüle edilmiútir. Bu denemenin sonuçlarından ve sahip oldu÷umuz teorik bilgilerden faydalanarak birçok sinyalin aynı anda bilgisayarda gözlenmesi simüle edilmiútir. Simülasyonun
Halim Can Albasan, Gökalp Kahraman, Seyhan Coúkun
analizini kolaylaútırmak amacıyla bilgisayarda gözlenecek sinyal sinüsoidal seçilmiútir.
Sistemde geniú bant ıúık kayna÷ı olarak tanıtılan parçanın, OptiSystem yazılımında karúılı÷ı bulunamadı÷ından, bunu sembolize etmek için simülasyonda, merkez dalgaboyları uygun úekilde ayarlanmıú bir CW laser dizisinin spektrumlarını birleútirerek, 40nm lik dalgaboyu aralı÷ına sahip (1520nm~1560nm) bir ıúık kayna÷ı oluúturulmuútur.
Gerçek uygulamada ise EDFA ASE geniú bant ıúık kayna÷ı kullanılacaktır.
Gerçek sistemde veri yakalama kartı (data acquisition card) ve PC ile fotodiyottan çıkan sinyal örneklenip MATLAB ortamına alınmaktadır. Simulasyonda bu görevi 'MATLAB Component' isimli blok gerçekleútiriyor. Fotodiyottan çıkan sinyali MATLAB Component`ın giriúine vererek bilgisayara aktarma iúlemi simüle edilmiútir.
ùekil-2: Simülasyonu yapılan sistemin blok úeması.
ùekil-3: Sorgulama ünitesi.
MATLAB Component, hazırlamıú oldu÷umuz M-file`ı çalıútırarak, sinyali iúleyip giriú sinyalini geri kazanmakta ve sinyalleri göstermektedir.
ùekil-4`te de görüldü÷ü gibi OptiSystem`de FBG`nin sadece optik giriú ve çıkıúları mevcuttur. Gerçekte, yansıttı÷ı dalgaboyu, sıcaklık, gerilme kuvveti gibi parametrelerden etkilenmesine ra÷men programda bu parametrelerin etkisini görememekteyiz. FBG`nin yansıttı÷ı dalgaboyunu ancak kendimiz bir de÷er atayarak de÷iútirebilmekteyiz.
ùekil-4: Tek giriúli sistemin OptiSystem layout görüntüsü.
Biyomedikal AmaçlÕ Fiber Bragg Izgara (Fbg) Sensör A÷Õ TasarÕmÕ
ùekil-5: Giriú sinyalimiz ve geri kazanılan sinyal.
Dolayısıyla gerilme kuvvetinin, yani PZT`nin etkisini ancak kendimiz yansıyan dalgaboyunu de÷iútirerek simüle edebilmekteyiz. Bu sebeple FBG`nin yansıttı÷ı ıúı÷ın dalgaboyuna sırayla de÷erler atayıp programı arka arkaya çalıútırıyoruz. Bu de÷erler, örneklenmiú bir sinüs dizisinin elemanları úeklinde seçildi÷inde, yansıyan dalga boyunu bir sinüs sinyali oluúturacak úekilde de÷iútirebiliyoruz.
Bunu baúarabilmek için bir döngü oluúturulmuútur. Bu döngünün her bir çevriminde, FBG`lerin yansıttı÷ı dalgaboyu farklı bir de÷er almaktadır. Bu úekilde dijitize bir çalıúma, alınacak sonuçları olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Fakat döngünün çevrim sayısını çok fazla yaparak de÷iúim miktarını çok küçültebilmekteyiz. Bu sayede FBG`nin yansıyan dalgaboyu sanki sürekli (continuous) olarak de÷iúiyormuú gibi iúlem yapmamız mümkün olabilmektedir.
Birden fazla hastanın sinyalini takip eden sistem için ise, ùekil-II`deki sistemde 1x4 demux çıkıúlarından sadece birisinin simüle edilmesi yeterli görülmüútür. Dolayısıyla 8 ayrı giriú sinyali uygulayaca÷ız. ùekil-6`daki 8 sensörün giriúine 8 ayrı sinüs uygulanmıútır. Bu giriúleri birbirinden ayırt edebilmek için aralarına ʌ/8 radyanlık bir faz farkı konulmuútur. Buna göre 1. 3. 5. ve 7. giriú ve çıkıú sinyallerinin görüntüsü ùekil-7`de verilmiútir (soldaki sütun giriúler, sa÷daki sütun ise çıkıúlara ait grafiklerdir).
4. Sonuçlar
Bu projede, giriú olarak verilen AC sinyalleri (EKG sinyalleri) fiber optik ortama aktaran, bir optik haberleúme a÷ı vasıtasıyla bu sinyalleri merkezi bir kontrol ünitesine ulaútıran ve kontrol ünitesinde bu sinyalleri geri kazanıp görüntüleyebilen ve kayıt edebilen sistemin simülasyonu gerçekleútirilmiútir.
Simülasyon sonuçlarından da görülebildi÷i gibi verilen giriú sinyalinin úekli kontrol biriminde baúarılı bir úekilde geri kazanılmıútır. Çıkıúlarda gözlenen gürültü, gerçekte continuous olarak gerçekleúen iúlemin simülasyon ortamında ancak dijitize olarak gerçekleútirilebilmiú olmasından dolayıdır. Bu etken gerçek uygulamada var olmadı÷ından çıkıúta böyle bir gürültünün gözlenmesi söz konusu de÷ildir. Ayrıca simülasyon ortamında da oluúturulan döngünün çevrim sayısı daha da arttırılarak bu gürültü azaltılabilir
ùekil-6: WDM sisteminin layout görüntüsü.
Halim Can Albasan, Gökalp Kahraman, Seyhan Coúkun
ùekil-7: 1. 3. 5. ve 7. giriú ve çıkıú sinyalleri.
5. Kaynakça
[1] Yao, Yuan; Yi, Benshun; “FBG Based Voltage Measurement using PZT Modulation”; Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 2006. WiCOM 2006.International Conference on Sept. 2006, Page(s):1 - 4
[2] Bao-Jin Peng; Yong Zhao; Yan Zhao; Jian Yang; “Tilt sensor with FBG technology and matched FBG demodulating method”; Sensors Journal, IEEE; Volume 6, Issue 1, Feb. 2006, Page(s):63 - 66 [3] Yun-Jiang Rao; Webb, D.J.; Jackson, D.A.; Lin
Zhang; Bennion, I.; “In-fiber Bragg-grating temperature sensor system for medical applications”
; Lightwave Technology, Journal of ; Volume 15, Issue 5, May 1997, Page(s):779 - 785
[4] L. Jin; Weigang Zhang; Hao Zhang; Bo Liu; Jian Zhao; Qinchang Tu; G. Kai; Xiaoyi Dong; “An embedded FBG sensor for simultaneous measurement of stress and temperature”; Photonics Technology Letters, IEEE; Volume 18, Issue 1, Jan. 1, 2006, Page(s):154 - 156
[5] Yunqi Liu; Kin Seng Chiang; Pak Lim Chu; “Multiplexing of temperature-compensated fiber-Bragg-grating magnetostrictive sensors with a dual-wavelength pulse laser”; Photonics Technology Letters, IEEE; Volume 16, Issue 2, Feb. 2004, Page(s):572 - 574
[6] Y.S. Hsu; Likarn Wang; Wen-Fung Liu; Y.J. Chiang; “Temperature compensation of optical fiber Bragg grating pressure sensor”; Photonics Technology Letters, IEEE; Volume 18, Issue 7, April 1, 2006, Page(s):874 - 876
[7] Sung Chul Kang; Se Yoon Kim; Sang Bae Lee; Seo Won Kwon; Sang Sam Choi; Byoungho Lee; “Temperature-independent strain sensor system using a tilted fiber Bragg grating demodulator”; Photonics Technology Letters, IEEE; Volume 10, Issue 10, Oct. 1998, Page(s):1461 – 1463
[8] Deborah Reilly, Andrew J. Willshire, Grzegorz Fusiek, Pawel Niewczas, James R. McDonald; “A Fiber-Bragg-Grating-Based Sensor for Simultaneous AC Current and Temperature Measurement” Sensors Journal, IEEE; Volume 6, Issue 6, Dec 2006, Page(s): 1539-1542.
[9] C. Li, T.Yoshino, “Optical Voltage Sensor Based on Electro-optic Crystal Multiplier”, IEEE J. Lightwave Tech. V.20, p.843, 2002
Biyomedikal AmaçlÕ Fiber Bragg Izgara (Fbg) Sensör A÷Õ TasarÕmÕ