Elektromanyetik rezonatör tabanlı hububat nem sensörü tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Metamalzemeler tasarım frekanslarında negatif elektriksel geçirgenlik, negatif manyetik geçirgenlik, negatif kırılma indisi ve ters Doppler etkisi gibi elektromanyetik özellikler gösterebilen yapay malzemelerdir. Bu özellikleri nedeniyle metamalzemelere birçok elektromanyetik uygulamada yer verilmiştir.Metamalzeme yapılarının sıklıkla kullanıldığı uygulama alanlarından birisi de sensörlerdir. Tasarlanan yapıların topolojilerine bağlı olarak çalışma prensiplerini açıklamak için rezonatör tabanlı yapılar eşdeğer devre modellerinde endüktans (L) ve kapasitans (C) parametreleri ile tanımlanmaktadır. Bu model yapıların rezonans frekansı değişimlerinin endüktif ve kapasitif değişimlere karşı hassas olduğunu göstermektedir. Modelde tanımlanan kapasitans parametresi dielektrik sabiti değişimine karşı oldukça hassastır. Bu özellik rezonans tabanlı bu yapıları, dielektik sabiti nem, sıcaklık, konsantrasyon v.b. ortam parametrelerine hassas olan malzemelerle birlikte kullanılmasıyla sensör uygulamaları için iyi bir alternatif yapar.Ayrık halkalı rezonatör (AHR) yapıları literatürde mevcut olan metamalzeme örneklerinden birisidir. Uygun şekilde elektromanyetik dalgaya maruz bırakılmaları durumunda negatif elektriksel geçirgenlik ve negatif manyetik geçirgenlik gösterebilmektedirler. Bu tezde, nohut tozundaki nem değişiminden kaynaklı rezonans frekansındaki kaymayı gözlemek amacıyla çift taraflı AHR yapısı ve özgün olarak tasarlanan çift taraflı L tipi rezonatör (ÇLTR) tabanlı hububat nem sensör prototipleri sunulmuştur. Yapılar, mikrodalga bölgesi S-Bant frekans aralığı için tasarlanmıştır. Sunulan iki farklı sensör prototipinin nohut tozundaki nem değişimlerine olan hassasiyetleri hem benzetim hem de deneysel ortamda karşılaştırılmıştır. Sonuçlar ÇLTR yapısının nohut tozundaki nem değişimine ÇAHR yapısına göre daha hassas olduğunu göstermiştir.

Metamaterials are artificial materials which may show electromagnetic properties such as negative permittivity, negative permeability, negative refractive index and reverse Doppler effect in the design frequency. Due to these properties, Metamaterials take places in many electromagnetic applications. One of the common applications that mematerials take place is sensors. Depending on the topologies of the designed structures, resonator based structures are defined by inductance (L) and capacitance (C) parameters in their equivalent circuit models to explain their operation principle. This model shows that the resonance frequencies of these structures are sensitive to the inductive and capacitive changes. The capacitance parameter defined in the model is strongly sensitive to the dielectric constant changes. This property makes these resonance based structures a good alternative for sensor applications together with the use of materials whose dielectric constant is sensitive to the ambient parameters which are humidity, temperature, concentration, etc. Split ring resonator (SRR) structures are one of the examples for metamaterial structures proposed in literature. When they are properly exposed into electromagnetic wave, they are able to show negative permittivity and negative permeability.In this thesis, double sided SRR (DSRR) structure and novel double sided L type resonator (DLTR) based humidity sensor prototypes are proposed to observe the resonance frequency shift due to the change of the humidity in chickpea powder. The structures are designed to operate in microwave S-band region. The sensitivities of both prototypes on the change of humidity in chickpea powder are compared in both simulations and experiments. The results show that DLTR is more sensitive than DSRR to the changes in humidity ratio in chickpea powders.