Konikleştirme düzeneğinin kurulumu

Fiber malzemesi bir çeşit cam türevidir. Fiberin inceltilmesi için bir yöntem olarak kimyasal aşındırma tekniği kullanılabilir. Bu yöntemde fiberin inceltilmek istenen kısmı hidroflorik asit (HF) içerisine yatırılır ve 15-30 dakika gibi bir süre bekletilerek istenilen incelikte kimyasal aşındırma sağlanır. SMF–TAMCF–SMS tümleşik fiberde inceltilecek

46

bölge yeterince uzun olmadığı için kimyasal aşındırma tekniğini kullanmak elverişli değildir.

Fiberi inceltmek için bir başka yöntem ısıtma tekniğidir. Bu teknikte ortam sıcaklığını fiberin yumuşamaya başladığı 1350 °C’ ye kadar yükseltmek önemlidir. Erime sıcaklığının altında yumuşayan fiberi kontrollü bir şekilde gerekerek fiberi inceltme tekniğinde bölüm 2.3.2’ de tartışıldığı üzere elektrik arkı ile üretilen plazma kullanılabilir.

Üstelik fiberin gerdirilip çekilmesi esnasında incelen geçiş bölgesinin kendiliğinden konik biçimli geometri kazanması, bu tekniği daha da elverişli kılmaktadır.

Elektrik ark deşarj ile plazma oluşumu, uçları birbirine yakın konumlandırılmış iki elektrota kontrollü bir yüksek gerilim uygulayarak elde edilebilir. Şekil 5.4’ de elektrik ark deşarj plazması ile fiberi incelten düzenek gösterilmiştir.

Şekil 5.4 Elektrik ark deşarj tekniği kullanarak konik fiber üretim düzeneği

Konik fiber üretim düzeneği aşağıdaki temel parçalardan oluşmaktadır.

1- Elektrotlar: Yüksek ısıya dayanaklı, elektriksel olarak iletken bir malzeme olmalıdır. Genellikle tungsten metali kullanılır. Bu düzenekte fiber ek cihazında

47

da kullanılan ve yedek parça olarak tedarik edilebilen elektrotlar kullanılmıştır.

Elektrotlar arasındaki boşluk yaklaşık 3 mm’ dir.

2- Yüksek gerilim kaynağı: Elektrotlar arasında elektrik ark deşarjının oluşabilmesi için yaklaşık 18-20kV’ luk yüksek bir gerilime ihtiyaç vardır. Bu gerilimi üretmek için bir yüksek gerilim trafosu kullanılmıştır.

3- Ark gücü kontrol ünitesi: Fiberin ark deşarj yöntemiyle ısıtılması ve çekilmesi işlemi oldukça hassas bir ısı kontrolü gerekmektedir. Arkın başlatılması ve devamında arzu edilen ısı üretimi ile ark deşarjının sürekliliğinin sağlanması oldukça önemlidir. Ark kontrol ünitesi yüksek gerilim trafosunun primer uçlarına uygulanacak sinyali üretmek üzere tasarlanmıştır. Bu sinyal tepe genliği 20V’ a kadar ayar edilebilen ve PWM (darbe genişlik modülasyonu) ile darbe genişliği kontrol edilen bir darbe dizisidir. Yazılım ile kontrol edilen ark gücü parametresi bu sinyalin darbe genişliğini, dolayısı ile elektrotlara uygulanan elektriksel gücü kontrol etmektedir.

4- Adım motorları: Sanyo Denki firmasının 103G770–2511 kod numaralı adım motorları kullanılmıştır. DC 5.1V besleme ve 1A akım değerine sahip bu motorun adımları 1.8 derece hassasiyetindedir. Düzenekte iki adet motor bulunmaktadır.

Bunlardan ilki elektrik ark uçlarını taşıyan platformu fiber ekseni boyunca istenilen bir pozisyona kaydırmaktadır. Diğer motor ise bir ucu sabitlenen fiberi diğer uçtan çekmek için kullanılmıştır. Her iki motor da birbirinden bağımsız hareket yönü, hız, ivme ve adım sayısı parametreleri kontrol edilerek sürülmüştür.

Motorların sürülmesi için (Mega 2560) Ardunio motor sürücü kartı kullanılmıştır.

5- Mekanik gövde: Düzeneğin gövde kısmında motorlara sonsuz dişli mil ile bağlanan iki platform bulunmaktadır. Bu platformlardan birine ark elektrotları sabitlenmiştir. Diğer platformda fiberin bir ucunu sabitlemek için mıknatıslı tutturucu bulunmaktadır.

6- Programlanabilir donanım: Konikleştirme işleminde tüm süreci otomatik yönetmek için ark deşarj kontrol devresinin ve adım motorlarının kontrolü Ardunio yazılımında geliştirilen bir programla sağlanmıştır. Bu işlem için Arduino board (Mega 2560) donanımı ve bir bilgisayar kullanılmıştır. Programda istenen konik bölge geçiş uzunluğu, bel bölgesi uzunluğu, bel çapı, elektrik ark

48

gücü, motorların hız, ivme ve yön hareketi vb. parametreler ayarlanarak, istenilen ölçülerde konik bir TAMCF sensörünün üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir.

Önceden hazırlanan SMF-TAMCF-SMF tümleşik fiberi üretim düzeneğine yerleştirmeden önce ark deşarjının uygulanacağı kısım izopropanol alkol ile temizlenmiştir. Fiberin konik biçimli inceltilmesi işlemin başarıyla gerçekleştiğinden emin olmak için ışığın dalgaboyu spektrumunun gerçek zamanlı gözlenmesi oldukça faydalı olacaktır. Işığın sensör boyunca ilerlerken faz girişimin bir sonucu olan spektral salınımlar, ölçülecek numune bulunmasa bile hava ortamına maruz kalan sensörün çalıştığını gösteren önemli bir ipucudur.

Şekil 5.5' de gösterildiği gibi sensör üretim düzenine yerleştirilen fiberin bir ucu ışıma kaynağına bağlanmaktadır. Işıma kaynağı olarak optik fiberler için uygun bir optik band sağlayabilen Thorlabs SLD-1550nm cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz, 1550nm merkez dalgaboylu ve 90 nm band genişlikli olup ışıması spektrumu istenilen ölçüde genişliğe sahiptir.

Fiberin diğer ucu sensör çıkışında ışığın spektrumunu gözlemek için bir optik spektrum analizörüne (Thorlabs OSA-202) bağlanmıştır. Sensörün üretimi esnasında ışığın dalgaboyu spektrumunu etkileyen bozucu ya da yapıcı değişimler spektrum analizör üzerinden gözlemlenerek üretim sürecinin iyi bir biçimde yönetilmesi sağlanmıştır.

Şekil 5.5 Konik fiber sensörü üretim düzeneğinin şematik diyagramı

49

İstenen konik fiberin imalatı, kararlı ve kontrol edilebilir elektrik ark deşarjı ile hız, ivme, hareket yönü, çekme ve besleme fiberi uzunluğunu kontrol eden teçhizatın motor kontrol sistemi tarafından yönetilmiştir. Tüm süreç bilgisayar yazılımı tarafından kontrol edilmiştir. Beklenen spekral değişim, fiberin bel çarpının 30 µm ve altına indirgenmesi ve toplam konikleştirme uzunluğu 7 mm civarına uzatılmasından sonra ortaya çıkmaktadır. Konikleştirmenin geometrik profiline bağlı olarak spektrumdaki salınım sayısı değişmektedir. Şekil 5.6, konikleştirmeden sonra TAMCF' nin hava ortamında verdiği spektral cevap görülmektedir.

Şekil 5.6 Üretilen konik TAMCF sensörünün hava ortamında iletim gücünün spektral değişimi

Üretim düzeneğinin başarımı test etmek için farklı parametrelere sahip iki adet konik SMF–TAMCF– SMS sensörü üretilmiştir. İki sensörün konik bölge ve bel bölge toplam uzunlukları sırasıyla 12.3 ve 17.3 mm olup bel uzunlukları (Lw) sırasıyla yaklaşık 10 ve 15 mm ölçülmüştür. Her iki sensörün bel çapları (Dw) 125 µm’ den yaklaşık 25 µm’ ye inceltilmiştir. Bu değer literatürde de önerildiği üzere MCF’ de bulunan 7 damar yapının kaybolmadığı ancak yeterince inceltilmiş sensör şekillendirmesi olarak kabul edilebilir (Kim vd. 2015).

50

Üretilen sensörlerin mikroskop görüntüleri kaydedilerek Lw ve Dw değerleri ölçülmüştür.

Şekil 5.6 (a) ve (b)’de sırasıyla sensörün konik geçiş bölgesinin ve bel bölgesinin bir bölümüne ilişkin mikroskop görüntüleri verilmiştir. Tüm fiber boyunca mikroskop ile yapılan ölçümlerde 2.3 mm’ lik konik geçiş bölgesinde fiber çapının 125 µm’ den 25 µm’

ye başarılı bir biçimde indirgendiği, konik geçiş ve bel bölgelerinde sensör geometrisini bozabilecek deformasyonların bulunmadığı gözlenmiştir.

Şekil 5.7 Fiber sensörün bir kesitinin mikroskop görüntüleri, (a) konik geçiş bölgesi (b) bel bölgesi

Sensör üretiminin başarımını test ederken önemli parametrelerinden biri de Üretim Tekrarlanabilirliğidir. Üretim Tekrarlanabilirliği ya da bir diğer ifadeyle tekrar üretilebilirlik, aynı şartlar altında önceki ile aynı tasarım parametreleri sahip yeni üretimi gerçekleştirebilme yeteneğinin ölçütüdür. Konik fiber imalatının tekrar üretilebilirlik performansını değerlendirmek için, bel çapı ve bel uzunluğu sırasıyla 25 µm ve 15 mm olacak biçimde aynı tasarım parametreleri kullanılarak aynı şartlar altında 10 adet üretim

51

yapılmıştır. Elde edilen tüm sensörlerin geometrik parametreleri mikroskop ile ölçülmüştür. Bu ölçümler neticesinde bel çapı ve bel uzunluğu için sırasıyla %2.8 ve

%2.4' lük standart sapmalar tespit edilmiştir. Bu değerler, konik fiber üretim düzeneğinin tekrarlanabilir parametresinin yüksek olduğunun önemli bir göstergesidir.