JP2010515022A - 検出システム - Google Patents

Abstract

工学的構造物を監視するための検出システムは、工学的構造物上に予め定められたパターンで配置可能であり、前記工学的構造物の表面と該表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能なセンサアレイを含む。検出システムは、前記センサからのデータを取り出すセンサアレイと通信するコントローラも含む。コントローラは、光ファイババックボーンを介してセンサアレイと通信する。センサアレイは、各センサでの前記保護コーティングの硬化度、硬化した保護コーティングの状態、及び工学的構造物の腐食速度のうちの１つに対応するデータを遠隔から提供することができる。

Description

本発明は、検出システムに関する。

腐食を検出可能なセンサは既知であり、例えば、米国特許第６，３８４，６１０号、同第６，３２８，８７８号、同第６，３１６，６４６号、同第５，８５９，５３７号、同第６，０５４，０３８号、同第６，１４４，０２６号、同第４，３８０，７６３号、同第４，７８０，６６４号、同第４，９６２，３６０号、同第５，３２３，４２９号、同第５，３６７，５８３号、同第６，４４５，５６５号、及び６，８９６，７７９号に記載されている。例えば、これらの従来のアプローチのいくつかは「内蔵型」腐食センサを利用しているが、従来の技術は、剛性のプリント基板及び剛性のシリコンウエハチップを使用することが多い。

この種の技術では厚み及び脆性に制限があって（薄いエポキシコーティング又は塗料コーティングの下に剛性の回路基板を配置することによってコーティングが破壊されることがある）、シリコンウエハ系センサが壊れてしまう傾向があり、平坦ではない平面には適さない。

本発明の第一の態様によれば、工学的構造物を監視するための検出システムは、工学的構造物上に予め定められたパターンで配置可能であり、工学的構造物の表面とその表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能なセンサアレイを含む。検出システムは、センサからのデータを取り出すセンサアレイと通信するコントローラも含む。コントローラは、光ファイババックボーンを介してセンサアレイと通信する。センサアレイは、各センサでの保護コーティングの硬化度、硬化した保護コーティングの状態、及び工学的構造物の腐食速度のうちの１つに対応するデータを提供することができる。

本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態又はすべての実施を説明しようとするものではない。以下に示す図面及び発明を実施するための形態は、これらの実施形態をより具体的に例示する。

本発明は、添付図面を参照して更に説明される。
本発明の実施形態による代表的な検出システム。 本発明の代替的な実施形態による代表的な検出システム。 本発明の代表的な実施形態による、コーティングと工学的構造物との間に封入されたセンサの断面図。 本発明の一実施形態による代表的なセンサ。 本発明の別の代替的な実施形態による代表的なセンサの部分概略図。 図３Ｂのエレクトロクロミックスイッチの概略図。 一実施例のスペクトル分析器による代表的な表示出力。 平坦ではない表面に配置された代表的なセンサの代替的な実装例。 平坦ではない表面に配置された代表的なセンサの代替的な実装例。 本発明のセンサシステムに使用される代替的なエレクトロクロミックスイッチアセンブリの製造方法。 本発明のセンサシステムに使用される代替的なエレクトロクロミックスイッチアセンブリの製造方法。

本発明は様々な変更及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに詳細に説明する。しかしながら、本発明を、記載される特定の実施形態に限定することは意図しないことが理解されよう。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内にある、全ての修正例、等価物、及び代替例を包含するものとする。

本発明は、検出システムに関する。具体的には、代表的な実施形態の検出システムは内蔵型であり、工学的構造物のコーティング表面のいくつかの主な特徴を検出するために使用され得る。更に、検出システムは、光ファイババックボーン又はネットワークを利用して、検出器の１つ以上のアレイを中央制御システムにリンクさせる。光ファイババックボーンにより、長距離接続、及び電磁妨害（ＥＭＩ）信号劣化の実質的な低減又は解消がもたらされる。検出システムを利用して、工学的構造物の表面に適用されるコーティングの硬化度を検出することができる。それに加え、検出システムを利用して、例えば、天然要素にさらされた場合に、コーティングの劣化（例えば、水分の浸入）を検出することによって、硬化後のコーティングの状態を検出することができる。更に、検出システムを使用して、例えば、腐食を促進する物理的状態を検出することによって、工学的構造物の表面の完全性を検出することができる。

これらの代表的な実装例では、検出システムは、データ収集システムを通して、工学的構造物の１つ以上の物理的な状態に関連するデータをリアルタイムで周期的（例えば、１時間ごと、１日ごと、１週間ごと）に提供するように構築することができる。この種のデータ収集システムは、工学的構造物について、現在使用されている「予防的な」メンテナンスとは対照的に、「状況に基づいた」メンテナンスを提供することができる。したがって、代表的な実施形態の検出システムは、リアルタイムデータを提供し、この種の物体又は構造体の修理若しくは交換の計画をよりよく管理することによって、工学的構造物又は物体の運用年数を最長化するのに役立つことができる。更に、光バックボーンを使用することで、コントローラシステムを監視対象の工学的構造物から遠距離（例えば、光ファイバ伝送路の長さで測定して１０ｋｍ以上）に配置することができる。

本発明の代表的な実施形態によれば、図１Ａは、検出システム１００を概略図で示す。検出システム１００は、伝送光ファイバ１０５ａを介してセンサアレイ１２０ａにリンクされた中央コントローラ１５０を含む。この代表的な実施形態では、センサアレイ１２０ａは、データ伝送ファイバ１０５ａ／１０６ａに連結された複数のセンサを含む（この例では、単純化するために６個のセンサ（１３０ａ〜１３０ｆ）が示されている）。センサアレイ１２０ａは、工学的構造物１１０の表面１１２に配置される。以下に更に詳細に説明するように、本発明の実施形態は、異なる種類のセンサを利用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、カソード−アノード構造を有する腐食センサ構成は、インピーダンス、電流及び／又は電圧を測定して腐食を監視することができる。化学検出器のような他の種類のセンサを利用することもできる。

代表的な実施形態では、コーティング１４０は、工学的構造物１１０の表面１１２に適用される。センサ１３０ａ〜１３０ｆは、センサを表面１１２とコーティング１４０との間に配置しやすいように、非常に薄いデザインで構築される（例えば、センシング部分の厚みが約１３μｍ〜約７５μｍ）。この様式では、センサは、コーティング１４０及び工学的構造物１１０の状態に関するデータを同時に提供できる。

工学的構造物１１０は、天然要素（例えば、水、雨、風など）にさらされる任意の種類の構造体又は物体であることができる。構造体１１０の物理組成は、金属（例えば鋼）、炭素複合繊維、セラミック、又はグラスファイバー積層体のようなグラスファイバー系材料であることができる。

代表的な一実施形態では、検出システム１００は、バラストタンク若しくは他の水を保持する構造体内のコーティング及び／又は構造体の状態を検出するために、海洋プラットフォーム（例えば、船、潜水艦）で利用することができる。理解されるように、バラストタンクは、船舶を安定させるために海洋プラットフォームで使用される。これらのタンクは、連続的に充填及び／又は排出することができ、土砂や他の物質を集めることもできる。塩水はきわめて腐食性の高い物質であるので、リアルタイムで周期的なコーティング及び／又は代表的な検出システム１００により検出される構造体の状態の評価は、メンテナンス計画に関連する重要な情報を提供することができる。

代替的な実施形態によれば、検出システム１００は、トンネル、橋、管、及び航空機のような腐食又は他の物理的変形が起こりやすい他の種類の工学的構造物とともに使用することができる。例えば、センサは、物理的な境界によって目視検査が難しい水中／地下の石油パイプラインの長さに沿って配置され得る。本発明の実施形態のリモートセンシング特性により、何キロメートルも離れたセンサを照会することができる。

構造体１１０を保護するために、コーティング１４０は、エポキシ系コーティング又は塗料のようなコーティング、例えば、ポリアミドエポキシ（例えば、ＭＩＬ−仕様２４４４１を満たすエポキシ）及びコーティングエポキシ（例えば、３Ｍ社（3M Company）（ミネソタ州セントポール）から入手可能な製品番号２２１６Ａ／Ｂ）を含むことできる。以下に更に説明するように、検出システム１００を使用して、コーティング１４０の硬化状態及び／又は状態のような特徴を検出することができる。

代表的な実施形態によれば、中央コントローラ１５０は、監視される特定の工学的構造物１１０とは離れた位置に配置され得る。好ましい態様では、コントローラ１５０は、光源１５２及びスペクトル分析器１５４に連結されたデータ収集システム１５１を含む。

光源１５２により発せられた光信号は、伝送光ファイバ１０５ａを介してセンサアレイ１２０ａに伝達される。好ましい態様では、コントローラ１５０は光信号を送受信する。返送された光信号は、光サーキュレータ１５６を介して光スペクトル分析器１５４に配信され得る。所望により、コントローラ１５０で制御される光学式スイッチ１５８を利用して、別の工学的構造物及び／又は別のセンサアレイ（例えば、センサアレイ１２０ｃ）に光信号を配信できる。システム全体の１つ以上のセンサアレイとの通信に光信号を使用すると、長距離接続、及び電磁妨害（ＥＭＩ）信号劣化の実質的な低減又は解消がもたらされる。

一態様では、データ収集システム１５１は、光源１５２、光スペクトル分析器１５４、及び（任意に）光学的スイッチ１５８と通信するサーバ又は別のコンピュータベースのデバイスとして構成され得る。データ収集システム１５１は、データの保存及び表示用にインタフェースデバイス及びコンピュータを含むことができる。更に、データ収集システムは、別個のディスプレイに連結され、画像データ（例えば、リアルタイムのコーティング状態のデータ）をユーザに提供することができる。データ収集システム１５１は、コンピュータ、サーバ、又はコンピュータベースのデバイスであることができるので、データの収集、操作、分析、及び移動は、ロードされたアプリケーションに特異的なソフトウェアプログラムを介して提供され得る。同様のデータの取り出し、デコーディング、及び保存プロセスは、システムで使用されるすべてのセンサ又はセンサ群に利用可能である。センサが、コーティング又は構造物の劣化が生じていることを示す場合、ユーザに警告を送ることができる（例えば、可聴形式及び／又は視覚形式で）。それ以外の場合では、ユーザの要求時にデータを表示できる。自動化プロセスを使用して、リアルタイム及び／又は周期的な様式でデータの取り出し及び分析を活性化することができる。

一態様では、光源１５２は、（比較的）低いスペクトルパワー密度を有する、連続的な広帯域の光源（例えば、ランプ）を含む。例えば、増幅された自然放出光源などの光源を使用して、約３０ｎｍの帯域幅（中心波長が１５５０ｎｍ）で約２００ｍｗの総光パワーを有する光信号を提供することができる。あるいは、光源１５２は、一連のより狭い帯域の光源を含むことができ、各光源は、異なる波長の出力を有して、複数の別個の波長チャネルλ_１−λ_ｎを有する光の出力信号を生じる。例えば、一連のより狭い帯域の光源は、一連のダイオード光源（例えば、半導体レーザ）を含むことができ、各光源は、異なる出力波長λ_１−λ_ｎを有する。例えば、異なる波長出力λ_１−λ_ｎ（例えば、１５５０ｎｍ、１５５０．５ｎｍ、１５５１ｎｍ、．．．１５７０ｎｍ）を有するダイオードを別個に使用することができる。その他の代替例としては、光源１５２は、より広い波長範囲のレーザ出力（例えば、１０〜２０μｍの範囲に及ぶレーザ出力）を生じる波長可変レーザを含むことができる。別の代替例では、光源１５２は、信号捕捉感度を上げるのに役立つ調節式光源であることができる。更に別の代替例では、光源１５２は、広帯域及び固定波長又は波長可変レーザ光源の組み合わせを含むことができる。

多波長の光信号は、光ファイバ１０５ａに沿って第１のセンサアレイ１２０ａに伝送される。光ファイバ１０５ａは、コーニング社（Corning, Inc.）（ニューヨーク州コーニング（Corning））から入手可能なＳＭＦ２８（商標）光ファイバなどの従来の電気通信ファイバ、又は典型的な光電気通信の波長領域（１３００ｎｍ若しくは１５５０ｎｍ）以外の波長領域で実用可能な異なる光ファイバであることができる。所望により、光信号は、スイッチ１５９を介して追加のセンサアレイ１２０ｂに更に配信され得る。

図１Ａの実施形態に示されるように、センサアレイ１２０ａで受信される光信号（波長λ_１−λ_ｎを有する）は、一連のタップオフ（tap-off）装置１６１ａ〜１６１ｆを介して個々のセンサ１３０ａ〜１３０ｆに配信され得る。好ましい態様では、タップオフ（tap-off）装置１６１ａは、電源タップ（power tap）を含むことができ、入力信号の一部（例えば、信号の約１％）をセンサ１３０ａに分配し、残りの信号をセンサアレイの別のセンサ１３０ｂ〜１３０ｆに分配する。好ましい態様では、装置１６１ａ〜１６１ｆは、それぞれ１×２光ファイバベースのパワースプリッター又は１×２光カップラーを含むことができる。

代替的な実施形態では、図１Ｂに示されるように、センサアレイ１２０ｄは、個々のセンサを複数個含むことができる（この例では、センサ１３０ａ〜１３０ｌ）。ここでは、個々のセンサはそれぞれコントローラ１５０に（例えば、光ファイバ１０５ａ〜１０５ｌを介して）直接連結される。

図２の断面図に示されるように、センサ１３０ａは、構造物１１０（例えばバラストタンク）の表面１１２に配置され得る。センサ１３０ａは、例えば、耐水性二成分エポキシ（例えば、マサチューセッツ州ベッドフォードのトラ−コン社（Tra-Con Corp.）から入手可能なトラ−コン（Tra−Con）２１５１接着剤）、又は両面テープ又は移動接着剤（例えば、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から入手可能な３Ｍ ＶＨＢ）のような接着剤で表面１１２に固定され得る。センサ１３０ａは、光ファイバ１０５ａ／１０６ａを介してコントローラ１５０と通信可能である。コーティング１４０は、外的な基質又は物質（例えば海水１６０）による腐食の影響から構造物１１０を保護するために、表面１１２に適用される。以下に更に詳細に説明されるように、センサ１３０ａは、コーティング１４０の状態を検出する（例えば、塩素のような化学種の存在を検出することによってインピーダンスを監視する）ことができるが、これは、コーティング１４０が劣化したり、構造物１１０が腐食し始めたりといった一般的なコーティングの状態を示す。

図１Ａに示されるように、センサアレイ１２０ａは、複数の個々のセンサ１３０ａ〜１３０ｆを含むことができる。当然のことながら、工学的構造物の寸法又は特定の用途に応じて、センサアレイ１２０ａに、より多くのセンサ又はより少ないセンサを使用可能である。好ましい態様では、個々のセンサはそれぞれ同じ基本構造を有することができる。例えば、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、センサ１３０ａは、（以下により詳細に記載する）可撓性ポリイミド基材上に形成され得、基材上に配置された光電子インタフェース１３４を含むことができる。あるいは、個々のセンサは異なる構造を有することができる。

一態様では、光電子インタフェース１３４は、ポリマー系材料（例えば、ポリアミド、ポリエステル、液晶ポリマー）又はアクリル材料などのベース材料上に配置され得る。ベース材料は、光電子インタフェース１３４を支持することができ、及び／又はキャップ部分（図示なし）に気密封止をもたらす部位を提供できる。ベース材料及び／又はセンサの他の部分は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から入手可能なＶＨＢ接着剤のような接着剤によって、工学的構造物１１０の表面に接着されていてもよい。保護コーティング又は封入材料１３３もまた、構成要素及び相互接続部が露出するのを防ぐために提供することができる。所望により、更なる保護のために、パッケージのキャップ材料（例えば硬質プラスチック）によって外側保護シェルを提供することができる。最終的なパッケージの厚みは、約１００μｍ〜約１０００μｍに維持され得る。

光電子インタフェース１３４は、光信号デマルチプレクサ１３７（図３Ｂ参照）を含むことができる。一態様では、デマルチプレクサ１３７は、単一の定義済チャネル（例えば、λ_１）を選択する薄膜ベースのチャネルセレクタを含むことができる。更に、各センサの光信号デマルチプレクサを使用して、その波長λ_ｎから個々のセンサをそれぞれ識別できる。光信号デマルチプレクサ１３７を使用して、図３Ｂに示されるように、光信号を２つのパス（例えば、パス１３９ａ及び１３９ｂ）に分割できる。一態様では、デマルチプレクサ１３７は、信号λ_１を選択し、その信号をパス１３９ａに沿って送信し、残りの信号λ_２−λ_ｎは、パス１３９ｂに沿って送信される。

センサ１３０ａは、光信号の一部を受信して電力に変換するためのＰＩＮダイオードアレイ１３５を更に含むことができる。図３Ｂに概略的に示されるように、信号λ_２−λ_ｎはパス１３９ｂに沿ってＰＩＮダイオードアレイ１３５に送信され、ＰＩＮダイオードアレイ１３５は光信号を受信して電力を発生させる。電力はエレクトロクロミックスイッチ１３６の電源として使用可能であり、エレクトロクロミックスイッチ１３６は、光信号デマルチプレクサ１３７によって分割された光信号の別の部分を受信する。この例示の態様では、信号λ_１は、パス１３９ａに沿ってエレクトロクロミックスイッチ１３６に送信される。以下に記載するように、センシング部分１３２がエレクトロクロミックスイッチ１３６の電源に連結されているので、エレクトロクロミックスイッチ１３６に使用可能な電力量は、保護コーティング１４０の状態によって左右され得る。

図３Ｃに示されるように、エレクトロクロミックスイッチ１３６は、その間に電位感受性材料１３６ａが配置された２つの光透過性材料１３６ｃ、１３６ｄを含む。電位感受性材料１３６ａは、例えば、三酸化タングステンを含むことができる。電解質１３６ｅは、電位感受性材料と層１３６ｆ（好ましくは五酸化バナジウム層）との間に配置される。電解質層１３６ｅは、印加電圧Ｖの電荷移動メカニズムを提供し、五酸化バナジウム層１３６ｆは、エレクトロクロミックスイッチのオン及びオフ時にコントラスト比を高めることができる。更に、少なくとも１つの透過性材料（例えば、透過性材料１３６ｄ）は、高反射性コーティング１３６ｂでコーティングされ得る。エレクトロクロミックスイッチ１３６の動作については、以下に更に詳細に記載する。

別の態様では、図３Ｃに示される構造１３６に代わるものとして、光電子インタフェース１３４に超小型エレクトロクロミックスイッチを使用することができる。特に、図６Ａ及び６Ｂは、光ファイバベースのエレクトロクロミックスイッチ２００の製造プロセス、及びその構成要素を示す。図に示されるように、スイッチ２００は、光ファイバ２１０（図３Ｂに示されるパス１３９ａを含む光ファイバなど）の末端部に形成された超小型の構造であることができる。

図６Ａ及び６Ｂを参照すると、工程３０１では、超小型エレクトロクロミックスイッチ２００の製造に使用される光ファイバの断面が調製される。光ファイバ２１０は、ファイバを裂いて末端部２１５を作製することで調製可能である。光ファイバ２１０の末端部は、９５％硫酸溶液などの濃縮酸溶液を使用してその保護ポリマーコーティング２１２を除去できる。光ファイバの除去速度は温度によって異なることができ、好ましくは１５０℃で約６０秒である。第２の光ファイバ２２０もまた使用され、その末端部２２５ａも同様に調製される。

工程３０２では、光ファイバ２１０及び２２０の各側面及び末端部２１５、２２５ａに酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の層２３０、２３２を付着させることができる。代表的な実施形態では、ＩＴＯ層は標準的な真空スパッタリング技術を使用して付着される。ＩＴＯ層の厚さは、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍであってもよい。

工程３０３では、電気接点２３５、２３７が形成される。ＰＩＮダイオードアレイ１３５によって供給される電源は、接点２３５、２３７を介してエレクトロクロミックスイッチ２００に接続され得る。接点は、少なくとも１つの導電層を付着させるように、真空蒸着プロセス、電気メッキプロセス、無電解メッキ（electroless platting）プロセス、又はこれらの組み合わせを使用して形成されてもよい。例示的な実施形態では、導電層は、金、銅、ニッケル、及び／又は銀から選択される金属層を含む。導電層は、米国特許第６，３５５，３０１号明細書に記載のプロセスなどの無電解金属沈着プロセスを使用して付着可能であり、この特許の内容全体が参照することにより本書に組み込まれる。

例示的な一実施形態では、ＩＴＯガラス層と重なり合うように、ニッケル層バンドが光ファイバ表面２１７、２２７上に無電解メッキされる。ニッケル層それぞれの厚さは、約０．１〜約０．２μｍであってよい。このニッケル層の上面に、ニッケルを更に厚くなるように電解メッキして、厚さ約１μｍのニッケルバンドを提供することができる。更に、金の層をニッケルバンドの上面に約０．１μｍの厚さに電気メッキして、接点構造を完成させることができる。

工程３０４では、酸化タングステン（ＷＯ_３）材料２４０が、真空スパッタ蒸着プロセス又はディップコーティングプロセスなどの従来のプロセスによって、光ファイバ２１０の末端部のＩＴＯ層２３０上に適用され得る。ディップコーティングを使用する場合、ＷＯ_３水溶液を使用することができる。光ファイバ２１０の先端部を溶液に浸け、引き上げて乾燥させ（例えば、１７０℃で２０分）、厚さが少なくとも約１００ｎｍの酸化タングステン層を得ることができる。酸化タングステン層の厚さは、望ましいエレクトロクロミックスイッチのコントラスト比に応じて、例えば、酸化タングステン溶液の濃度を変更することにより、又は水溶液を複数回適用することにより、変更され得る。

工程３０５では、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）材料２４５が、真空スパッタ蒸着プロセス又はディップコーティングプロセスなどの従来のプロセスによって光ファイバ２２０の末端部のＩＴＯ層２３２上に適用され得る。ディップコーティングを使用する場合、Ｖ_２Ｏ_５水溶液を使用することができる。ファイバ２２０の先端部を溶液に浸け、引き上げて乾燥させ（例えば、１７０℃で２０分）、厚さが少なくとも約１００ｎｍの酸化バナジウム層を得ることができる。酸化バナジウム層の厚さは、望ましいエレクトロクロミックスイッチのコントラスト比に応じて、例えば、酸化バナジウム溶液の濃度を変更することにより、又は水溶液を複数回適用することにより、変更することができる。

工程３０６では、光ファイバ２２０の小さな部分のみが利用されるように、光ファイバ２２０を切断することができる。更に、光ファイバセグメント２２０の第２の末端部２２５ｂに反射性コーティング又は鏡面２５０をコーティングすることができる。一態様では、鏡面２５０は金属沈着によって形成可能である。鏡面３５０は、少なくとも１つの反射層を付着させるように、真空蒸着プロセス、電気メッキプロセス、無電解メッキプロセス、ディップコーティング、又はこれらの組み合わせなどの従来のプロセスを使用して形成されてもよい。反射層は、銀、アルミニウム、又は屈折率が交互に変わる一連のコーティング層を含んでいてもよい。代表的な実施形態では、鏡面の厚さは少なくとも約１５０ｎｍであることができる。

工程３０７では、光ファイバ２１０のＷＯ_３層２４０とファイバセグメント２２０のＶ_２Ｏ_５層２４５との間にポリマー電解質２６０が配置され得る。ポリマー電解質は、好ましくはリチウムトリフルオロメタンスルホンイミド電解質などのリチウムを含有するＵＶ硬化性ポリマー電解質を含む。電解質は、光ファイバ２１０にコーティングされたＷＯ_３をポリマー電解質の未硬化溶液に浸けることで塗布できる。次に、ファイバセグメント２２０にコーティングされたＶ_２Ｏ_５を電解質に接触させることができる。

工程３０８では、エレクトロクロミックスイッチを保護するように、アセンブリをガラスフェルールなどのＵＶ透過性フェルールに挿入することができる。フェルールは、フェルールのいずれかの末端部において、光ファイバ２１０及びファイバセグメント２２０に接着剤で固着されてもよい。

パッケージ化されたアセンブリは、工程３０８においてポリマー電解質を硬化するように紫外線に曝露され得る。硬化されたポリマー電解質層の厚さは、約１μｍ〜約１００μｍであることができる。

エレクトロクロミックスイッチをＰＩＮダイオードアレイに接続するように、電気ワイヤを金属沈着した電気接点にはんだ付けすることができる。代表的な実施形態では、標準的な鉛−スズ又は銀のはんだ付けプロセスが使用されてもよい。

センサ１３０ａは、センサ部分１３２を更に含む。好ましい態様では、アレイセンシング部分１３２は、互いにかみ合った金属系（例えば、金、銀、銅）回路を有する電極構造を含むことができ、この回路は、電気化学的測定／腐食測定のためのアノード及びカソードとして使用することができ、可撓性ポリイミド基材で作成され得る。それに加え、センサ１３０ａの一部分が、センサを保護するオーバーコート１３３でコーティングされ得る（例えば、センサの電気／光学変換部分を覆っているが、センシング部分１３２は構造物１１０及びコーティング１４０に対して露出している）。

代表的な実施形態では、センシング部分１３２は、例えば、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から商品名３Ｍ（商標）フレックス（Flex）で入手可能な３Ｍの可撓性回路材料のような薄い可撓性基材材料で形成される。この種の可撓性回路を製造するための代表的な物品及びプロセスは米国特許第６，３２０，１３７号に記載され、この内容全体が参考として組み込まれる。「可撓性」とは、センサ及び（適用可能な場合）基材を、センシング部分が剥離しないように曲げることができる（例えば、導電性を失うことなく、センシング部分をきわめて小さな曲率半径で９０°（又はそれ以上）に曲げるか、又は鋭く直角に曲げるか、又は折り目をつけることができる）ことを意味する。

例えば、センシング部分１３２は、ポリイミド材料のような基材を含むことができる。センサ電極の構造は、基材上にパターン化された多層材料（例えば、クロム結合層、その上に配置された銅（又は他の導電）層、及び銅層の上に配置された銀（又は金若しくは他の金属）層を有する）として形成され得る。本記載から明らかなように、他の多層構造を使用され得る。したがって、代表的なカソード−アノード構造を有するセンシング部分１３２には、以前なら監視が困難な位置で、カソードとアノードとの間の電圧低下、カソードとアノードとの間の電流レベル、及び／又はカソードとアノードとの間のインピーダンスを測定する能力を提供することができる。

代替的な実施形態では、センシング部分１３２は、水に感受性を有する化学種（例えば、Ａｌ、Ｆｅ、又はＺｎ）で形成される電極として構築され得る。化学種が水と相互作用すると、インピーダンス又は抵抗の測定値が変化する。本記載から当業者には明らかなように、他の腐食に感受性を有する種もまた使用することができる。

一態様では、作動中、エレクトロクロミックスイッチ１３６はＰＩＮダイオード１３５の出力によって電力供給される。図３Ｂの概略図に示されるように、センシング部分１３２は、好ましくは可撓性ポリイミド基材上に形成された互いにかみ合った金属ベース回路を有する電極構造の物理的構成を有し、エレクトロクロミックスイッチ１３６に電気的に連結された抵抗器として表される。

例えば、初期段階では、コーティング１４０の質は良好である。したがって、センシング部分１３２による抵抗／インピーダンスは高い。その結果、エレクトロクロミックスイッチ１３６に対する電圧（Ｖ）は高い（例えば、３Ｖ）。エレクトロクロミックスイッチ１３６に対する電圧（Ｖ）が高い場合、電位感受性材料１３６ａは入力信号（λ_１）を吸収し、その結果、λ_１信号はコントローラ１５０に返送されない。末期段階では、腐食要素に曝露されて、コーティング１４０の質が劣化する。したがって、センシング部分１３２による抵抗／インピーダンスは低下する。その結果、エレクトロクロミックスイッチ１３６に対する電圧（Ｖ）が低下する。エレクトロクロミックスイッチ１３６に対する電圧（Ｖ）が低い場合、電位感受性材料１３６ａは入力信号（λ_１）を伝達し始め、その結果、λ_１信号の一部がコーティング１３６ｄで反射され、コントローラ１５０に返送される。コーティングの状態が悪化すると、更に多くのλ_１信号が反射されてコントローラ１５０に返送される。したがって、オペレータは遠隔位置からコーティング１４０の相対的な状態を判断できる。本記載から当業者には明らかなように、本作業の他の変形もまた使用することができる。

好ましい態様では、工学的構造物の別の位置でのコーティングの状態に応じて、別のセンサ位置（１３０ｂ〜１３０ｎ）で他の信号（λ_２−λ_ｎ）が発せられる。その結果、光スペクトル分析器１５４などの分光計装置を使用して、反射された光信号を分析することができる。図４は、一例のスペクトル分析器１５４による代表的な表示出力を示すが、これらの特定波長（例えば、λ_１−λ_ｎ）の信号強度により、工学的構造物の異なる位置での対応するコーティング状態をオペレータに伝えることができる。更に、光ファイババックボーンを使用すると、長距離接続（例えば、１０ｋｍ以上）、及び電磁妨害（ＥＭＩ）信号劣化の実質的な低減又は解消がもたらされる。

上述のデザインを使用して、本明細書に記載の検出システムの代表的な実施形態は、非破壊性のアンダーコーティングセンサ（undercoating sensor）を提供することができる。それに加え、センサは、工学的構造物の重要な領域（例えば、平坦ではない表面（例えば、屈曲部及び角部及び他の鋭角の位置周辺））にユーザがセンサを配置できるように、可撓性の曲げることのできる基材で作成され得る。これらの位置は、角部及び他の鋭角の位置に保護コーティングを均一に適用することができないため、ときに腐食又は他の劣化事象が起こりやすい。例えば、図５Ａ及び５Ｂに示されるように、代表的なセンサ１３０ａは、Ｉ型ビームの縁部周辺に生じるような１個の角を有する表面１１１（図５Ａ）又は複数の角を有する表面１１３（図５Ｂ）に配置され得る。

したがって、上述の代表的な実施形態によれば、内蔵型腐食センサは、水分の浸入、塩素及び他のアニオン種のような種の浸入、コーティングの硬化、コーティングの健康状態及び構造状態を検出するために提供され得る。この種のセンサを可撓性基材で作成可能な場合、更に位置特異的なリアルタイム測定をユーザに提供することができる。更に、このような薄い回路（例えば、厚さ約０．０２５ｍｍ（０．００１インチ））を、コーティングの状態に悪影響を及ぼすことなく、保護コーティングと構造物との間に配置することができる。更に、データ収集システムは、腐食に関連する事象をリアルタイムで測定することができる。このような腐食センサは、腐食に関連する損傷の費用を直接的及び間接的に減らすのに役立つことができる。

本明細書を検討すれば、本発明を適用可能なさまざまな変更例、均等なプロセス、多数の構造を本発明に関連する当業者には容易に明らかになろう。

Claims (19)

1. 工学的構造物の物理的な状態を監視する検出システムであって、
   前記工学的構造物上に予め定められたパターンで配置可能であり、前記工学的構造物の表面と該表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能なセンサアレイと、
   センサからデータを取り出すためのコントローラと、
   前記コントローラにより発せられる光信号をセンサアレイに連結する１つ以上の光ファイバと、を備え、前記センサアレイが、前記センサの各々における前記保護コーティングの硬化度、硬化した前記保護コーティングの健全状態、及び前記工学的構造物の腐食速度のうちの少なくとも１つに対応するデータを提供する、検出システム。
2. 前記センサアレイの少なくとも１つのセンサが、
   インピーダンス、電流、及び電圧の少なくとも１つを検出するように構成され、可撓性基材上に配置されたセンシング部分と、
   前記コントローラにより発せられる光信号を受信するための光電子インタフェースと、を含む、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記コントローラが、
   データ収集システムと、
   光信号を発するための光源と、を含む、請求項２に記載の検出システム。
4. 前記光源が、連続広帯域光源、波長可変レーザ光源、及び一連の狭帯域光源の少なくとも１つを含む、請求項３に記載の検出システム。
5. 前記コントローラが、
   光サーキュレータと、
   前記センサアレイの１つ以上のセンサから返送された光信号を受信するための光スペクトル分析器と、を更に含む、請求項３に記載の検出システム。
6. 前記光信号の一部を前記センサアレイのセンサに配信するため、１本以上の光ファイバのうちの１本の光ファイバに連結されたタップオフ装置を更に含み、前記光信号の残りの部分が前記センサアレイの別のセンサに配信される、請求項２に記載の検出システム。
7. 前記センサの光電子インタフェースが、所定の光学チャネルを選択し、選択された光信号を第１の光学パスに沿って送信し、光信号の残りの部分を第２の光学パスに沿って送信するため、光信号デマルチプレクサを含む、請求項６に記載の検出システム。
8. 前記センサの光電子インタフェースが、前記第１の光学パスに配置されたエレクトロクロミックスイッチと、前記第２の光学パスに配置されたダイオードアレイとを更に含む、請求項７に記載の検出システム。
9. 前記ダイオードアレイが、ＰＩＮダイオードアレイを含み、前記ＰＩＮダイオードアレイが、前記第２の光学パスに沿って、光信号の残りの部分を前記エレクトロクロミックスイッチに電源を提供する電気信号に変換する、請求項８に記載の検出システム。
10. 前記エレクトロクロミックスイッチが、間に電位感受性材料が配置された少なくとも第１及び第２の光透過性材料を含み、前記光透過性材料の少なくとも１つが、その表面上に配置された高反射性コーティングを更に含む、請求項９に記載の検出システム。
11. 前記エレクトロクロミックスイッチが、前記選択された光信号の一部を反射して第１の光学パスに沿って返送し、その光信号が前記コントローラに受信され、反射された光信号の量が保護コーティングの状態に対応する、請求項１０に記載の検出システム。
12. 前記エレクトロクロミックスイッチの電力供給に利用可能な電力量が、前記センシング部分によるインピーダンスに対応する、請求項９に記載の検出システム。
13. 前記デマルチプレクサが薄膜チャネルセレクタを含む、請求項７に記載の検出システム。
14. 前記センシング部分が、前記工学的構造物の平坦ではない表面に配置される、請求項２に記載の検出システム。
15. 前記センシング部分が、前記可撓性基材上に少なくとも２つの電極としてパターン化された導体素子を含む、請求項２に記載の検出システム。
16. 前記工学的構造物が、金属、複合材料、セラミック材料、及びグラスファイバー材料を含む、請求項１に記載の検出システム。
17. 前記センサアレイ中の少なくとも１つのセンサが、腐食環境にさらされた場合に腐食するように構成されたセンシング部分を備える、請求項１に記載の検出システム。
18. 前記センサアレイ中の少なくとも１つのセンサが、約１３μｍ〜約７５μｍの厚みを有するセンシング部分を備える、請求項１に記載の検出システム。
19. 前記光スペクトル分析器に受信された第１の光信号が、第１の波長を有するとともに前記センサアレイの第１のセンサに対応し、前記光スペクトル分析器に受信された第２の光信号が、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有するとともに前記センサアレイの第２のセンサに対応する、請求項５に記載の検出システム。

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