Yüksek gaz basınç sensörlerinin sıcaklık ve titreşim koşullarında performansı ve güvenilirliğinin iyileştirilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, piezorezistif yapıda yüksek gaz basınç sensörlerinin sıcaklık ve titreşim gibi zorlu çevresel koşullar altında gösterdiği performansın detaylı olarak incelenmesi ve bu koşullara karşı güvenilirliğinin artırılması hedeflenmiştir. Gaz basıncı ölçen sensörler; otomotiv, savunma, enerji, havacılık, HVAC ve tıbbi cihazlar gibi birçok kritik uygulama alanında sistem güvenliği ve verimliliği açısından büyük öneme sahiptir. Ancak çevresel faktörlerin, özellikle sıcaklık değişimleri ve mekanik titreşimlerin, sensörlerin doğruluğunu ve kararlılığını ciddi biçimde etkilediği bilinmektedir. Tez kapsamında, aynı üreticiye ait iki farklı sensör modeli (PS-2 ve PS-3), referans sensörle karşılaştırmalı olarak geniş sıcaklık (−40 °C ila +120 °C) ve farklı titreşim seviyelerinde test edilmiştir. Ölçümler; oda koşullarında, artan ve azalan sıcaklık senaryolarında ve farklı ivme değerlerine sahip titreşim ortamlarında gerçekleştirilmiştir. Sensör çıkışlarındaki sapmalar, varyanslar ve sistematik hatalar istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen veriler ışığında, sensör çıkışlarındaki çevresel kaynaklı hataların analog elektronik devrelerle gerçek zamanlı olarak kompanze edilmesine yönelik 1. dereceden polinom tabanlı kompanzasyon modelleri geliştirilmiştir. Bu modeller hem düşük maliyetli hem de gömülü sistemlere kolay entegre edilebilir niteliktedir. Sıcaklık sensörü (PT100) verileri ile sensör çıkış voltajları birleştirilerek MATLAB ve Simulink ortamında geliştirilen modeller, doğruluk kaybını %2 seviyelerinden %0,2 altına indirerek yüksek başarı sağlamıştır. Ayrıca bu çalışma, sanayi–üniversite iş birliği çerçevesinde, gerçek sensör sistemlerinin test edilmesi, performans karakterizasyonlarının yapılması ve endüstriyel sistemlerde kullanılabilir kompanzasyon stratejilerinin geliştirilmesi yönüyle uygulamalı mühendislik açısından önemli katkılar sunmaktadır. Geliştirilen kompanzasyon yaklaşımının, yalnızca teorik değil, aynı zamanda saha uygulamalarıyla test edilerek endüstriyel geçerliliği ortaya konmuştur. Sonuç olarak bu tez, çevresel koşullara karşı hassas yapıda olan gaz basınç sensörlerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmaya yönelik bütünleşik bir çözüm sunmakta, ilgili alanlarda çalışan mühendis ve araştırmacılar için uygulanabilir bir referans niteliği taşımaktadır. This thesis investigates the performance of piezoresistive high-pressure gas sensors under challenging environmental conditions, particularly temperature and mechanical vibration, and proposes methods to enhance their reliability. Gas pressure sensors play a critical role in various industrial and scientific applications, including automotive, defense, aerospace, energy, HVAC systems, and medical devices. However, environmental factors such as temperature fluctuations and mechanical vibrations can significantly impair the accuracy and stability of these sensors. In this study, two different sensor models (PS-2 and PS-3) from the same manufacturer were tested in comparison with a reference sensor under a wide temperature range (−40 °C to +120 °C) and various vibration conditions. Measurements were carried out under controlled temperature increments and decrements, as well as across multiple acceleration levels. Statistical evaluations including mean errors, variances, and systematic deviations were performed to analyze sensor behavior. Based on the experimental findings, compensation models were developed using analog electronic circuits and first-order polynomial correction methods. These models, designed for real-time implementation, are cost-effective and highly compatible with embedded systems. By integrating temperature sensor (PT100) readings with the pressure sensor outputs, simulations conducted in MATLAB and Simulink demonstrated that the proposed model could reduce measurement errors from approximately 2% to below 0.2%. This study, realized through university–industry collaboration, provides practical engineering solutions by bridging theoretical analysis with real-world sensor testing and model development. The proposed approach not only proves its effectiveness through simulation but also demonstrates its potential for integration into industrial systems. In conclusion, this thesis presents a comprehensive methodology to improve the measurement accuracy and reliability of high-pressure gas sensors under harsh environmental conditions and offers an applicable reference for engineers and researchers working in sensor technologies.