KR101511404B1 - 전기화학 임피던스 분광법을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

센서와 그 인접 환경의 분광 임피던스를 측정하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 센서가 설계 구조물 상에 배치되고 보호 코팅으로 코팅된다. 방법은 제 1 변조 주파수와 진폭을 갖는 제 1 광 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 1 광 신호와 제 2 광 신호를 제 1 위치로부터 센서 위치로 전송하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 2 변조 주파수와 진폭을 갖는 제 2 광 신호를 변조하되, 제 2 변조 주파수와 진폭은 제 1 광 신호로부터 변환되는 단계를 포함한다. 방법은 또한 위상 차와 시간 지연 중 하나를 판단하기 위해 제 1 변조 주파수와 제 2 변조 주파수를 비교하고 센서 및 그 인접 환경의 전기화학 임피던스 분광을 주파수의 함수로서 계산하는 단계를 포함한다.

Description

전기화학 임피던스 분광법을 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY}

본 발명은 검출 방법 및 시스템에 관한 것이다.

부식을 검출할 수 있는 센서가 미국 특허 제 6,384,610; 6,328,878; 6,316,646; 5,859,537; 6,054,038; 6,144,026; 4,380,763; 4,780,664; 4,962,360; 5,323,429; 5,367,583; 6,445,565; 및 6,896,779호에 공지되어 있다. 예를 들어, 이러한 종래의 접근 방식 중 일부는 "매립가능형" 부식 센서를 활용하는 반면, 종래의 기술은 종종 경성 인쇄 회로 기판과 경성 규소 웨이퍼 칩을 이용한다. 그러한 기술의 한계는 두께와 취약성을 포함한다-- 경성 회로 기판을 얇은 에폭시 또는 도료 코팅 하부에 배치하는 것은 코팅을 파열시킬 수 있으며, 규소 웨이퍼 기반 센서는 단면으로 갈라지기 쉬우며 불균일한 표면에 적합하지 않다.

다른 부식 검출 시스템도 미국 특허 공개 제 2008-0150555-A1 호 및 제 2007-0144272-A1호에 기술된다.

본 발명의 제 1 태양에 따르면, 센서와 그 인접 환경의 분광 임피던스를 측정하기 위한 방법이 제공된다. 센서가 설계 구조물 상에 배치되고 보호 코팅으로 코팅된다. 방법은 제 1 변조 주파수와 진폭을 갖는 제 1 광 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 1 광 신호와 제 2 광 신호를 제 1 위치로부터 센서 위치로 전송하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 2 광 신호를 제 2 변조 주파수 및 진폭으로 변조하되, 제 2 변조 주파수 및 진폭이 제 1 광 신호로부터 변환되는 단계를 포함한다. 방법은 또한 위상 차와 시간 지연 중 하나를 판단하기 위해 제 1 변조 주파수를 제 2 변조 주파수와 비교하며, 센서 및 그 인접 환경의 전기화학 임피던스 분광을 주파수의 함수로서 계산하는 단계를 포함한다.

일 태양에서, 전송 단계는 제 1 광 신호와 제 2 광 신호를 합성 신호로 다중화하는 단계를 포함하되, 제 1 광 신호는 진폭 변조됨과 아울러 제 1 파장을 가지며, 제 2 광 신호는 연속 전력의 신호임과 아울러 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는다. 다른 태양에서, 방법은 합성 광 신호를 센서 위치에서 적어도 제 1 및 제 2 광 신호들로 분리하는 단계를 포함한다.

다른 태양에서, 변조 단계는 센서와 전기적으로 연결되며 제 1 광 신호의 전기적 변환을 포함하는 신호에 의해 전력을 공급받는 변조 디바이스를 이용하여 제 2 광 신호를 변조하는 단계를 포함한다.

다른 태양에서, 방법은 변조된 제 2 광 신호를 제 1 위치로 전송하고 변조된 제 2 광 신호를 제 1 위치에서 검출하는 단계를 추가로 포함한다.

다른 태양에서, 계산 단계는 센서 및 그 인접 환경의 전기화학 임피던스 분광을 다음 수식으로부터 계산하는 단계를 포함하고:

여기에서 R₀(ω)는 변조 디바이스의 초기 임피던스이고, P₀(ω)는 센서 위치에서 변조 디바이스의 초기 광 응답이며, P₁(ω) = A e^(iφ)이되, 이 때 A는 제 1 위치에서 검출될 때의 변조된 제 2 신호의 진폭이며 φ는 위상 차와 시간 지연 중 하나이다. 다른 태양에서, 전기화학 임피던스 분광은 약 0.1 ㎐ 내지 약 1 ㎒의 주파수 범위에서 계산된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 설계 구조물의 물리적 상태를 감시하기 위한 검출 시스템은 설계 구조물 상에 배치될 수 있고 설계 구조물의 표면과 그 표면을 실질적으로 덮는 보호 코팅 사이에 배치될 수 있으며, 변조 부재를 포함하는 제 1 센서를 포함한다. 제어기는 센서로부터 데이터를 불러오며, 주파수ω의 교류(AC) 신호를 제공하기 위해 비교기 회로와 신호 발생기를 포함한다. 검출 시스템은 또한 제어기에 의해 생성된 광 신호를 제 1 센서와 결합시키는 하나 이상의 광 섬유를 포함하며, 제 1 센서는 설계 구조물과 보호 코팅에 대응하는 전기화학 임피던스 데이터를 제공한다.

다른 태양에서, 시스템은 광 신호를 생성하기 위한 광원을 포함하되, 광 신호는 AC 신호에 해당하는 제 1 변조 주파수와 진폭을 가진 제 1 파장의 제 1 광 신호 및 연속 전력 신호인 제 2 파장의 제 2 광 신호를 포함한다. 다른 태양에서, 광원은 제 1 및 제 2 협대역 공급원들을 포함하며, 적어도 제 1 협대역 공급원은 신호 발생기와 연결된다.

다른 태양에서, 하나 이상의 광 섬유는 제 1 및 제 2 광 신호들을 제 1 센서로 전달하기 위한 제 1 광 섬유를 포함한다. 또한, 하나 이상의 광 섬유는 제 1 센서로부터의 회송 광 신호를 제어기로 전달하기 위한 제 2 광 섬유를 추가로 포함할 수 있고, 회송 광 신호는 변조된 제 2 광 신호를 포함하고, 제 2 광 신호는 제 2 변조 주파수와 진폭을 가지며, 제 2 변조 주파수 및 진폭은 제 1 광 신호로부터 변환된다.

다른 태양에서, 제어기는 제 1 및 제 2 광 신호들을 합성 신호로 합성하는 광 멀티플렉서를 추가로 포함하되, 제 1 파장 및 제 2 파장은 서로 다르다. 또 다른 태양에서, 제어기는 센서로부터 회송 광 신호를 수신 및 검출하기 위한 검출기를 추가로 포함한다.

또 다른 태양에서, 센서는 설계 구조물에 장착되는 연성 기판 상에 배치되고 보호 코팅에 의해 덮히는 패턴화된 전도성 부재를 갖는 센서 헤드 및 제 2 광 신호를 수신하도록 센서 헤드와 전기적으로 연결되는 변조 디바이스를 포함한다. 다른 태양에서, 센서는 제 1 광 신호를 제 2 광 경로를 따라 송신하고 제 2 광 신호를 제 1 광 경로를 따라 송신하는 광 신호 디멀티플렉서를 추가로 포함한다. 센서는 제 1 광 신호를 전기 신호로 변환하기 위해 제 2 광 경로 상에 배치되는 포토다이오드 어레이를 추가로 포함할 수 있고, 변조 디바이스는 제 1 광 경로를 따라 배치되고 포토다이오드 어레이로부터의 전기 신호에 의해 전력을 공급받는다. 다른 태양에서, 변조 디바이스는 전기 변색 스위치를 포함한다.

또 다른 태양에서, 설계 구조물은 파이프 시스템의 파이프 및 거스 용접부 중 하나를 포함한다.

본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 예시된 실시예 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 도면 및 다음의 상세한 설명은 이러한 실시예를 보다 상세히 예시한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다:
도 1a는 본 발명의 일 태양에 따른 예시적인 검출 시스템이다. 도 1b는 본 발명의 다른 태양에 따른 예시적인 검출 시스템이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 태양에 따른 코팅과 설계 구조물 사이에 매립된 센서의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 태양에 따른 예시적인 센서이다. 도 3b는 본 발명의 다른 태양에 따른 예시적인 센서의 부분을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 3c는 도 3b의 전기 변색 스위치의 개략적인 도면이다.
도 4a 및 4b는 비-평탄 표면상에 배치된 예시적인 센서의 다른 구현예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 태양에 따른 파이프라인에 구현되는 예시적인 검출 시스템을 도시한다.
도 6a 내지 6c는 제 1 세트의 실험으로부터 얻는 세기, 위상, 및 임피던스 결과를 도시한다.
도 7a 및 7b는 제 2 세트의 실험으로부터 얻는 임피던스 결과를 도시한다.
본 발명은 다양한 변형 및 다른 형태로 변경될 수 있지만, 그 구체적 사항은 도면에 예시적으로 도시되어 있으며 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명되는 특정 실시예로 제한하고자 의도한 것이 아님을 이해해야 한다 오히려, 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되는 발명의 범주 내에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안예를 포함하고자 한다.

본 발명은 검출 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 예시적인 실시예의 검출 방법 및 시스템은 설계 구조물 상의 코팅된 표면 상태를 원격으로 검출하기 위해 활용될 수 있다. 예시적인 태양에서, 검출 시스템은 테스트 하에 특수 설계 구조물에 대한 실시간 코팅 정보를 제공하기 위해 중앙 제어 시스템에 의해 활용될 수 있는 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy: EIS) 측정을 구현하는 중앙 제어 시스템에 하나 이상의 검출기 어레이들을 연결하도록 광 섬유 백본 또는 네트워크를 활용한다.

EIS는 전압과 전류의 복소 주파수 의존성을 측정함으로써 물질적인 그리고 전자적인 특성을 특징화하기 위하여 사용되어왔던 테스트 방법이다. EIS 응답 측정에 사용될 수 있는 넓은 주파수 범위, 즉, 1 ㎒ 내지 0.001 ㎐의 범위는 설계 구조물과 테스트 장비 간의 전기 기반 연결 케이블 사용 시에 테스트가 이루어지는 동안 전자파 장애(EMI) 문제를 일으킨다. 온도 변화와 같은 다른 요소 또한 전자 케이블에 의해 전달되는 전기 신호에 영향을 줄 수 있다. 바람직한 태양에서, 테스트 방법 및 시스템은 광 네트워크를 이용함으로써 EIS 데이터를 측정하고 수집하기 위해서 사용된다. 이 예시적 태양에서 기술되는 바와 같이 광 섬유 기반 네트워크는 EMI에 민감하지 않고, 광 신호가 장거리까지 전파될 수 있으며 EIS 정보를 심각한 왜곡없이 설계 구조물로부터 중앙국에 다시 전달할 수 있다.

이러한 예시적 구현에서, 검출 방법 및 시스템은 데이터 획득 시스템을 통해서 설계 구조물의 하나 이상의 물리적 상태와 관련된 실시간의 주기적(예를 들면 시간당, 하루당, 주간당) 데이터를 제공하도록 구성된다. 이러한 형태의 데이터 획득 시스템은 대상 또는 구조물의 보수 또는 교체 일정을 잘 관리하도록 데이터를 제공하여 설계 구조물 또는 대상의 운용 가능 기간을 최대화할 수 있도록 하기 위해서, "예방" 유지보수에 대조되는 설계 구조물의 "상태 기반" 유지보수에 대한 실시간 데이터를 제공할 수 있다. 게다가, 광학 백본의 사용은 감시되는 설계 구조물로부터 제어기 시스템이 (예를 들어, 광 섬유 전송선의 길이에 의해 측정되는 바와 같이, 1 ㎞ 내지 10 ㎞ 또는 그 이상의) 먼 거리에 위치할 수 있도록 한다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 도 1a는 검출 시스템(100)을 개략도로 도시한다. 검출 시스템(100)은 전송 광 섬유(105a)를 통해 센서 어레이(120a)와 연결되며 제어기(150)라 불리는 중앙 제어 시스템을 포함한다. 이러한 예시적 실시예에서, 센서 어레이(120a)는 데이터 전송 섬유(105a/106a)와 연결된 복수 개의 센서들(본 예에서는 간략화를 위해 6개 센서(130a 내지 130f)의 그룹이 도시된다)을 포함한다. 회송 신호 광 섬유(107a)도 또한 예시적인 태양에서 사용될 수 있다. 센서 어레이(120a)는 설계 구조물(110)의 표면(112) 상에 배치된다. 특히, 아래에서 보다 상세히 기재되는 바와 같이, 센서 어레이의 센서들은 중앙 제어기에 EIS 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 서로 다른 유형의 센서들도 이용할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 코팅(140)은 설계 구조물(110)의 표면(112)에 도포된다. 센서(130a 내지 130f)는 표면(112)과 코팅(140) 사이에 쉽게 배치되도록 (예를 들어, 약 13 ㎛ 내지 약 75 ㎛의 센싱부 두께를 가진) 매우 얇은 디자인을 가지도록 구성된다. 이러한 방식으로, 센서는 코팅(140)과 설계 구조물(110)의 상태에 대한 데이터를 동시에 제공할 수 있다.

설계 구조물(110)은 물, 해수, 비, 바람 등과 같은 자연적인 요소에 노출되는 모든 유형의 구조물 또는 대상이 될 수 있다. 구조물(110)의 물리적 조성물은 철과 같은 금속, 탄소 섬유 복합재, 세라믹, 또는 섬유 유리 라미네이트와 같은 섬유 유리 기반 물질이 될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 검출 시스템(100)은 기름/가스/물 파이프라인 플랫폼에서 사용될 수 있다(예를 들어 도 5 참조). 예를 들어, 센서는 물리적 경계로 인해 시각적으로 검사하기 어려운 지상 또는 수중/지하의 기름/가스/물 파이프라인의 길이를 따라 분포될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 원격 감지 속성은 사용자에게 수 킬로미터 떨어진 센서에게 질의하는 능력을 제공할 수 있다. 따라서, 중앙에 위치하는 제어기는 파이프라인을 따라 형성된 다양한 원격 위치, 특히, 거스(girth) 용접점으로 불리는 많은 파이프라인 연결점에서 코팅 및/또는 구조물의 상태를 원격으로 검출할 수 있다. 이러한 많은 거스 용접점 각각이 불편한 환경 조건에 노출됨에 따라, 예시적인 검출 시스템(100)에 의해 검출되는 실시간의 주기적인 코팅 및/또는 구조물 상태 평가는 유지보수 계획과 관련된 결정적인 정보를 제공할 수있다.

예를 들어, 도 5는 예시적 파이프라인 세그먼트(11')를 도시한다. 파이프라인 세그먼트는 중앙 제어기로부터 그리고 중앙 제어기로 광 신호를 전송하는 광 섬유(105a)(및 선택적으로 별도의 회송 섬유(107a))를 통해서 중앙 제어기(150)와 광학적으로 결합된다. 파이프라인 세그먼트(110')는 센서(130a 및 130b)와 같은 복수 개의 센서부를 포함한다(편의를 위해 두 개의 센서만이 도시된다). 바람직한 태양에서, 센서는 파이프라인 시스템의 다양한 위치에 배치된다. 이러한 예에서, 센서(130a 및 130b)는 거스 용접점(112a 및 112b)에 각각 배치된다. 파이프부가 서로 용접된 후 파이프라인의 거스 용접부가 코팅되기 때문에, 이러한 위치는 부식에 더 영향받기 쉽다. 다른 태양에 있어서, 각 거스 용접점은 하나 또는 다수의 센서들(예를 들어, 거스 용접점을 둘러싼 센서들의 세트)을 포함할 수 있다. 일련의 탭-오프 장치들(161a 내지 161b)은 중앙 제어기에서 발생되는 광 신호들의 일부를 끌어내기 위해서 사용될 수 있다. 또한, 이러한 구성요소의 동작에 관한 세부 사항은 아래에서 설명된다.

다른 실시예에 따르면, 검출 시스템(100)은 부식 또는 다른 형태의 물리적 저하에 역시 영향받기 쉬운 해양 플랫폼(예를 들어, 선박 또는 다른 배), 터널, 다리 및 항공기와 같은 다른 유형의 설계 구조물에 사용될 수 있다.

구조물(110)을 보호하기 위해서, 코팅(140)은 에폭시-기반 코팅 또는 도료와 같은 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅은 미네소타주 세인트 폴 소재 3M 사에서 구입가능한 파이프라인 응용에 사용되는 종래의 용융 접합 에폭시(Fusion Bonded Epoxy) 코팅이 될 수 있다. 다른 코팅들은 폴리아미드 에폭시와 다른 코팅 에폭시(예를 들어, 미네소타주 세인트 폴 소재 3M 사에서 구입가능한 제품 번호 2216 A/B)를 포함할 수 있다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 검출 시스템(100)은 코팅(140)의 상태 특성을 검출하기 위해서 사용될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 중앙 제어기(150)는 감시되는 특수 설계 구조물(110)로부터 원 거리에 위치할 수 있다. 바람직한 태양에서, 제어기(150)는 데이터 획득 시스템(151), 광원(152), 변조기(153), (변조기(153)로부터 분리되거나 또는 변조기의 필수 부품이 될 수 있는) 신호 발생기(157), 및 비교기 회로(155)를 포함한다. 다른 구성 요소는 또한 멀티플렉서(154), 검출기(159), 및 광 서큘레이터(156)를 포함할 수 있다. 일부 태양에서, 제어기는 또한 광 스펙트럼 분석기(165)를 포함할 수 있다. 바람직한 태양에서, 제어기(150)는 설계 구조물(110)의 EIS 응답을 판단할 수 있다.

동작에 있어서, 하나 이상의 서로 다른 광 신호들은 광원(152)에 의해 생성될 수 있다. 광원(152)에 의해 생성되는 광 신호는 전송 광 섬유(105a)를 통해서 센서 어레이(120a)에 전달된다. 바람직한 태양에서, 제어기(150)는 광 신호를 송신 및 수신한다. 회송 광 신호는 별도의 회송 섬유(107a) 또는 전송 섬유(105a)에 의해 중앙 제어기로 송신될 수 있다. 일부 태양에서, 회송 신호는 검출기(159)로 직접 공급될 수 있다. 다른 태양에서, 회송 신호는 광 서큘레이터(156)에 의해 검출기(159) 또는 (선택적으로) 스펙트럼 분석기(165)로 송신될 수 있다. 선택적으로, 제어기(150)에 의해 제어되는 선택 스위치(158)가 다른 설계 구조물 및/또는 센서 어레이(120c)와 같은 다른 센서 어레이에 광 신호를 분배하기 위해서 사용될 수 있다. 전체 시스템의 하나 이상의 센서 어레이들과 통신하기 위해 하나 이상의 광 신호를 사용하는 것은 장거리 연결, 및 전선 기반 네트워크에 존재할 수 있는 전자파 장애(EMI)로 인한 신호 저하(degradation)를 실질적으로 감소시키거나 또는 제거하기 위한 것이다.

일 태양에서, 데이터 획득 시스템(151)은 광원(152), (선택적으로) 변조기(153), (선택적으로) 신호 발생기(157), 비교기 회로(155), 및 (선택적으로) 광학 스위치(158)와 통신하는 서버 또는 다른 컴퓨터 기반 디바이스로 구성될 수 있다. 데이터 획득 시스템(151)은 인터페이스 디바이스 및 데이터 저장과 디스플레이를 위한 컴퓨터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 획득 시스템은 신호 발생기/변조기 및 비교기 회로와 통신하기 위해 인터페이스 카드(예를 들어, GPIB 카드)를 구비한 컴퓨터를 포함할 수 있다. 또한, 데이터 획득 시스템은 실시간 코팅 상태 데이터와 같은 그래픽 데이터를 사용자에게 제공하기 위해 별도의 디스플레이와 연결될 수 있다. 데이터 획득 시스템(151)이 컴퓨터, 서버, 또는 컴퓨터 기반 디바이스가 될 수 있으므로, 데이터 수집, 조작, 분석, 및 전달이 그 시스템 상에 로드된 응용-특화 소프트웨어 프로그램을 통해 제공될 수 있다. 유사 데이터 검색,디코딩 및 저장 과정은 시스템에 사용된 모든 센서들 또는 센서 그룹들을 위해 활용될 수 있다. 만일 센서가 코팅 또는 구조물의 저하가 일어났다는 것을 표시하면, 사용자에게 (예를 들어, 청각적 및/또는 시각적 형태로) 경보가 제공될 수 있다. 그렇지 않다면, 데이터는 사용자 요청에 따라 디스플레이될 수 있다. 데이터 검색과 분석을 실시간 및 주기적으로 활성화하기 위해 자동화 과정이 사용될 수 있다.

일 태양에서, EIS 측정을 위해 광원(152)은 각각 서로 다른 파장의 출력을 갖는 하나 이상의 개별적인 (비교적) 협대역 공급원들을 포함하며, 다수의 분리된 파장 채널 λ₁ 내지 λ_n을 갖는 광 출력 신호를 생성한다. 예를 들어, 협대역 공급원들의 세트는 각각 서로 다른 출력 파장 λ₁ 내지 λ_n을 갖는 레이저들의 세트, 또는 레이저 다이오드나 LED와 같은 다이오드 공급원들의 세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 파장 출력 λ₁ 내지 λ_n (예를 들어, 1550 ㎚, 1550.5 ㎚, 1551 ㎚, … 1570 ㎚)을 갖는 다이오드들이 개별적으로 사용될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 예시적인 광원(152)은 분리된 공급원(152a 및 152b)을 포함할 수 있다. 공급원(152a 및 152b)에 의해 생성되는 분리된 파장 신호는 멀티플렉서(154)에 의해 다중화되어 섬유(105a 및 106a)를 통해 전송될 수 있다. 이러한 유형의 시스템에서, 두 신호는 시스템 내의 모든 센서에 질의하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 광원(152)은 (예를 들어, 레이저 출력이 10 내지 20 ㎛ 범위에 이르는) 보다 넓은 파장 범위의 레이저 출력을 생성하는 하나 이상의 조정가능 레이저들을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 광원(152)은 (비교적) 낮은 스펙트럼 전력 밀도를 가진 하나 이상의 연속적인 광대역 공급원들(예를 들어, 램프들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자연 증폭 방출원과 같은 공급원이 또한 사용될 수 있다.

바람직한 태양에서, 변조기(153) 및/또는 신호 발생기(157)는 광원(152)에 의해 생성된 광 신호들 중 하나 이상을 변조하기 위해 AC 신호를 제공할 수 있다. 변조된 신호(AM)는 원격 센서로 전송된다. 일 태양에서, 신호 발생기(157)는 AC 신호 발생기가 될 수 있고 이 경우 AC 출력 신호는 직류(DC) 바이어스를 부가하도록 외부 전력 증폭기로 증폭될 수 있으며, 결과적으로 바이어스된 AC 신호는 제어 방식으로 광원의 출력을 변조하는 광 변조기(153)에 인가된다. 일 태양에서, 레이저 공급원(152a)은 파장λ₁의 제 1 광 신호를 출력하고, 레이저 공급원(152b)은 파장λ₂의 제 2 광 신호를 출력한다. 광 신호 λ₁가 주파수 ω로 변조될 수 있는 반면, 제 2 레이저 신호 λ₂는 변조되지 않도록 (또는 그 역이 되도록) 제 1 레이저 공급원이 변조기(153)에 연결될 수 있다. 임피던스 측정 중에, 완전한 분광 측정이 수행될 수 있도록 주파수 ω가 (예를 들어, 0.001 ㎐ 내지 1 ㎒의 범위, 또는 보다 바람직하게는 0.1 ㎐ 내지 1 ㎒의 범위에서) 가변될 수 있다. 다른 주파수 범위도 또한 사용될 수 있다.

다중화된 신호는 이후에 섬유(105a)를 통해서 전송될 수 있다. 일 태양에서, 섬유(105a)는 전송 신호와 회송 신호를 전달할 수 있다. 다른 태양에서, 회송 신호는 섬유(107a)와 같은 별도의 섬유 백본 상에서 전달될 수 있다. 본 설명을 전제로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 다파장 광원(152)에 대해서, 서로 다른 파장을 가진 여러 개의 광 신호들이 변조될 수 있는 반면 다른 여러 개의 광 신호들은 변조되지 않는다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 전송 및 회송 신호들과 연관된 정보의 비교는 EIS 측정을 수행하기 위한 토대를 제공할 수 있다.

다파장 광 신호는 광 섬유(105a)를 통해서 제1 센서 어레이(120a)로 전송된다. 광 섬유(105a)는 코닝사(뉴욕주 코닝 소재)에서 구입가능한 SMF28™ 광 섬유, 또는 1300 ㎚ 내지 1550 ㎚의 통상적인 광 통신 파장 영역 외부에 위치한 파장 영역에서 이용가능한 다른 광 섬유와 같은 종래의 통신 섬유일 수 있다. 선택적으로, 광 신호는 스위치(169)를 통해서 추가적인 센서 어레이(120b)에 더 분배될 수 있다. 만일 회송 섬유(예를 들어, 섬유(107a))가 사용되면, 회송 섬유의 구성은 전송 섬유와 동일하게 될 수 있다.

도 1a의 실시예에 도시된 바와 같이, 센서 어레이(120a)에 수신되는 (파장 λ₁ 내지 λ_n를 갖는) 광 신호는 일련의 탭-오프 디바이스(161a 내지 161f)를 통해서 각각의 센서(130a 내지 130f)에 분배될 수 있다. 바람직한 태양에서, 탭-오프 디바이스(161a)는 입력 신호의 일부(예를 들어, 제1 및 제 2 광 신호 λ₁ 및 λ₂)를 센서(130a)에 분배하고, 나머지 신호 λ₃ 내지 λ_n를 어레이의 다른 센서, 즉 센서(130b 내지 130f)로 분배되도록 하는 디멀티플렉서를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 센서 어레이(120d)는 복수 개의 개별 센서들(본 예에서, 센서들(130a 내지 130I))을 포함할 수 있다. 이 경우, 각 개별 센서는 (예를 들어, 광 섬유(105a 내지 105l) 및 선택적으로 회송 섬유(107a 내지 107l)를 통해서) 제어기(150)에 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 회송 신호 섬유(미도시)도 이용될 수 있다. 이러한 다른 태양에서, 탭-오프 디바이스(예를 들어, 탭-오프 디바이스들(161a 내지 161f))는 불필요하다.

도 2의 단면도에 도시된 바와 같이, 센서(130a)는 구조물(110)의 표면(112)에 배치될 수 있다. 센서(130a)는 내수 2-부분 에폭시(예를 들어, 메사추세츠주 베드포드 소재 트라콘(Tra-Con Corp.)사에서 구입가능한 Tra-Con 2151 접착제), 또는 미네소타주 세인트폴 소재 3M사로부터 구입가능한 3M VHB와 같은 양면 테이프 또는 전사 접착체와 같은 접착제에 의해 표면(112)에 고정될 수 있다. 센서(130a)는 광 섬유(105a/106a) 및 (선택적으로) 회송 섬유(107a)를 통해서 중앙 제어기(150)와 통신할 수 있다. 코팅(140)은 외부 물질 또는 재료(160)의 부식 영향으로부터 구조물(110)을 보호하기 위해 표면(112)에 도포된다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 센서(130a)는 코팅(140)의 상태를 검출(예를 들어, 임피던스를 감시)할 수 있으며, 이는 코팅(140)이 저하되고 구조물(110)이 부식하기 시작하면서 전반적인 코팅 상태를 표시한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 센서 어레이(120a)는 여러 개의 개별 센서들(130a 내지 130f)을 포함할 수 있다. 물론, 설계 구조물의 크기 또는 특정 응용에 따라서 다수의 센서들 또는 소수의 센서들이 센서 어레이(120a)에 사용될 수 있다. 바람직한 태양에서, 각 개별 센서는 동일한 기본 구조체를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 센서(130a)는 (아래에서 더 상세히 설명되는) 연성 폴리이미드 기판 상에 형성될 수 있고 그 상부에 배치되는 광전자 인터페이스(134)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 개별 센서들은 서로 다른 구조체를 가질 수 있다.

일 태양에서, 광전자 인터페이스(134)는 중합체 기반 물질, 예를 들어 폴리아미드, 폴리에스테르, 액정 중합체 또는 아크릴 물질과 같은 기반 물질 상에 배치될 수 있다. 기반 물질은 광전자 인터페이스(134) 및/또는 캡(cap) 부분(미도시)을 가진 밀폐 시일(seal)의 일부를 위한 지지체를 제공할 수 있다. 기반 물질 및/또는 센서의 다른 부분은 3M사 (미네소타주 세인트 폴 소재 )에서 구입가능한 VHB 접착제와 같은 접착제에 의해 설계 구조물(110)의 표면에 접착될 수 있다. 보호 코팅 또는 도포제(133)는 구성 요소와 연결 부분을 노출로부터 보호하기 위해 더 제공될 수 있다. 선택적으로, 추가적인 보호를 위해, 경성 플라스틱과 같은 패키지 캡 물질이 외부 보호 덮개(shell)를 제공할 수 있다. 전체적인 패키지 두께는 약 100 ㎛ 내지 약 1000 ㎛로 유지될 수 있다.

광전자 인터페이스(134)는 광 신호 디멀티플렉서(137)를 포함할 수 있다(도 3b 참조). 일 태양에서, 디멀티플렉서(137)는 미리 정해진 채널 또는 채널들(예를 들어, λ₁ 및 λ₂)을 선택하는 박막 기반 채널 선택기를 포함할 수 있다. 더욱이, 각 센서의 광 신호 디멀티플렉서는 그 파장 λ_n으로 각 개별 센서를 식별하기 위해서 사용될 수 있다. 광 신호 디멀티플렉서(137)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 광 신호를 두 경로, 예를 들어, 경로들(139a 및 139b)로 분리하기 위해 사용될 수 있다. 일 태양에서, 디멀티플렉서(137)는 신호 λ₂를 선택하고 그 신호를 경로(139a)를 통해 전송하는 반면, 신호 λ₁는 경로(139b)를 통해 전송된다.

센서(130a)는 광 신호의 일부를 수신하여 전기 전력으로 변환하기 위해 PIN 다이오드 어레이(135), 바람직하게는 광기전 PIN 다이오드 어레이를 추가로 포함할 수 있다. 도 3b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 신호 λ₁는 광 신호를 수신하고 전기 전력을 생성하는 PIN 다이오드 어레이(135)로 경로(139b)를 통해서 전송된다. 바람직한 태양에서, 신호 λ₁가 주파수 ω로 중앙 제어기에서 변조됨에 따라, PIN 다이오드 어레이(135)에 의해 생성된 전기 신호가 또한 주파수 ω로 변조될 것이다. 전기 전력은 변조 디바이스, 본 예시적 태양에서, 전기 변색 스위치(136)의 전원으로 사용될 수 있다. 신호 λ₁가 변조됨에 따라, 다이오드 어레이로부터의 변조된 전기 신호 또한 전기 변색 스위치(136)를 위한 변조된 전원을 제공할 것이다. 이러한 예시적 태양에서, 신호 λ₂는 경로(139a)를 따라서 전기 변색 스위치(136)로 전송된다. 전기 변색 스위치(136)는 제2 광 신호 λ₂를 수신하고, 경로(139c) 상에 전달되는 λ₂에 대한 회송 신호가 변조되도록 이전 DC 신호를 변조한다.

아래에서 설명되는 바와 같이, 센싱부(132)가 전기 변색 스위치(136)를 위한 전원에 연결되기 때문에, 변조 디바이스(전기 변색 스위치(136))에 이용 가능한 전력량은 보호 코팅(140)의 상태에 의해 결정될 수 있다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 예시적인 전기 변색 스위치(136)는 사이에 전압 민감성 물질(136a)이 개재된 두 광 투과 물질(136c 및 136d)을 포함할 수 있다. 전압 민감성 물질(136a)은 예를 들어, 텅스텐 트라이옥사이드를 포함할 수 있다. 전해질(136e)은 전압 민감성 물질과 계층(136f), 바람직하게는 바나듐 펜톡사이드층 사이에 배치된다. 전해질(136e)은 인가된 전압(V)을 위한 전하 전달 구조체를 제공하며, 이 경우 바나듐 펜톡사이드층(136f)은 전기 변색 스위치의 변조 과정 중에 대비 비(contrast ratio)를 향상시킬 수 있다. 일 태양에서, 광 투과 기판(136b)은 회송 신호 섬유(139c) (및 회송 신호 섬유(107a))와 연결되도록 제공될 수 있다. 다른 태양에서, 전송 물질(136d)은 기판(136b) 대신 고 반사 코팅으로 코팅될 수 있으므로, 변조기를 통해 되반사되는 회송 신호를 제공할 수 있다.

다른 태양에서, 변조 디바이스는 마이크로 전기 변색 스위치를 포함할 수 있다. 섬유 기반 마이크로 전기 변색 스위치와 그 구성 요소의 제작에 관한 구체적 사항들은 계류 중인 그 전체 내용이 본 출원에 참조로서 통합되는 미국 특허 공개 제2008-0150555-A1호에 상세히 기술된다. 계류 중인 특허, 즉 미국 특허 공개 제 2008-0150555-A1호에 상세히 기술된 마이크로 스위치는중앙 제어기로 회송 신호를 되반사시키는데에 있어서 가장 적절하다. 다른 태양에서, 그러한 마이크로 전기 변색 스위치는 (예를 들어, 후방 반사기를 제거하고 회송 섬유를 부착함으로써) 회송 섬유를 포함하는 광학 시스템에서 사용되도록 변경될 수 있다. 그러한 시스템은 광 섬유의 단부에 형성되거나 전송 섬유와 회송 섬유의 단부들 사이에 형성되는 매우 콤팩트한 구조체를 가질 수 있다.

센서(130a)는 센서부(132)를 추가로 포함한다. 바람직한 태양에서, 어레이 센싱부(132)는 맞물린 구조의 금속 기반(예를 들어, 금, 은, 구리) 회로를 갖는 전극 구조체를 포함할 수 있으며, 이러한 회로는 전기화학/부식 측정을 위한 애노드와 캐소드로 사용될 수 있고 연성 폴리이미드 기판 상에 형성될 수 있다. 부가적으로, 센서(130a)의 부분은 자체의 보호용 오버코트(133)로 코팅될 수 있다(예를 들어, 센서의 전기/광학 변환부를 덮되, 구조물(110)과 코팅(140)에 노출되는 센싱부(132)는 남겨둔다).

예시적인 실시예에서, 센싱부(132)는 미네소타주 세인트 폴 소재 3M 사의 상표명 3M™ Flex로 구입가능한 3M의 연성 회로 물질과 같은 박형 연성 기판 물질 상에 형성된다. 그러한 연성 회로를 형성하기 위한 예시적인 구성 및 과정은 그 전체 내용이 본 출원에 참조로서 통합되는 미국 특허 제 6,320,137호에 기술되어 있다. "연성"은 센싱부가 갈라지지 않도록(예를 들어, 센싱부는 자체의 전도 특성을 잃지 않으면서 매우 작은 곡률 반경으로 90도(또는 그 이상)으로 절곡되거나 또는 정확히 직각이 되거나 접혀질 수 있도록) 센서 및 (적절하다면) 기판이 구부러질 수 있다는 것을 의미한다.

예를 들어, 센싱부(132)는 폴리이미드 물질과 같은 기판을 포함할 수 있다. 센서 전극 구조체는 예를 들어, 크롬 타이층, 크롬 타이층 상부에 배치된 구리(또는 다른 전도성)층, 및 구리층 상부에 배치된 은(또는 금이나 다른 금속)층을 갖는 기판 상에 패턴화된 다층 물질로 형성될 수 있다. 본 설명을 통해서 명확해지는 바와 같이, 다른 다층 구조체가 사용될 수 있다. 따라서, 예시적인 캐소드-애노드 구조체를 가진 센싱부(132)는 이전에 감시가 어려웠던 위치에서 캐소드와 애노드 사이의 임피던스를 측정하는 능력을 제공할 수 있다.

다른 실시예에서, 센싱부(132)는 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 아연(Zn)과 같이 물에 민감한 화학종으로 형성된 전극으로 구성될 수 있다. 화학종이 물과 작용하면, 측정된 임피던스 또는 저항에 변화가 일어날 것이다. 본 설명을 전제로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 알 수 있는 바와 같이, 부식에 민감한 다른 화학종도 사용될 수 있다.

동작에 있어서, 일 태양에서, 변조 디바이스, 즉 전기 변색 스위치(136)는 PIN 다이오드(135)의 출력에 의해 전력을 공급받는다. 도 3b의 개략적인 도면에 도시된 바와 같이, 센싱부(132)는 바람직하게는 연성 폴리이미드 기판 상에 형성된 맞물린 금속 기반의 회로를 구비한 전극 구조체의 물리적 구성을 갖는다. 바람직한 태양에서, 전기 변색 스위치(136)는 맞물린 센싱부(132)와 병렬로 배치된다. 선택적으로, 전기 변색 스위치(136)는 맞물린 센싱부(132)에 직렬로 배치된다.

예를 들어, 초기 단계에서는 코팅(140)의 품질이 우수하다. 따라서, 센싱부(132)로 인한 저항/임피던스가 높다. 그 결과, 이러한 초기 조건에서 전기 변색 스위치(136)를 통해서 AC 전압(V)을 인가하면 큰 진폭의 AC 전압 신호가 산출된다. 전기 변색 스위치(136)를 통해 인가되는 AC 전압(V)이 큰 진폭을 가지면, 전압 민감성 물질(136a)은 (비교적) 큰 진폭 변조로 입력 신호(λ₂)를 변조함으로써 제어기(150)로 되돌아가는 회송 λ₂ 신호의 진폭(A)은 크다.

이후의 단계에서, 부식 요소들에 노출된 후에는 코팅(140)의 품질이 저하된다. 따라서, 센싱부(132)로 인한 저항/임피던스가 감소한다. 그 결과, 전기 변색 스위치(136)를 통해 인가되는 AC 전압(V) 은 더 작은 진폭을 갖는다. 전기 변색 스위치(136)를 통해 인가되는 AC 전압(V)이 작은 진폭을 가지면, 전압 민감성 물질(136a)은 더 작은 진폭으로 입력 신호(λ₂)를 변조함으로써 회송 λ₂ 신호는 (비교적) 더 작은 진폭(A)을 가진다. 따라서, 조작자는 원격 위치에서 코팅(140)의 상대적 상태를 판단할 수 있다. 본 설명을 전제로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확히 알 수 있는 바와 같이, 이러한 동작의 다른 변경도 또한 사용될 수 있다.

상기의 설명은 λ₁ 및 λ₂ 신호로 제한되지만, λ₃ 및 λ₄ 신호가 센서(130b)로 전송되고, λ₅ 및 λ₆ 신호가 센서(130c)로 전송될 수 있는 것처럼 본 발명의 태양은 제한되지 않는다. 따라서, 바람직한 태양에서, 다른 센서 위치(130b 내지 130n)에 있는 다른 신호들(λ₃ 내지 λ_n)은 설계 구조물의 다른 위치에서 코팅 상태에 대응하여 생성된다. 따라서, 광 스펙트럼 분석기(165)와 같은 분광계 디바이스는 회송 광 신호를 분석하기 위해 제어기에서 사용될 수 있다. 선택적으로, 중앙 제어기는 파장의 함수로서 회송 신호를 분리하기 위해 하나 이상의 디멀티플레서들(미도시)을 활용할 수 있다.

바람직한 태양에서, 변조된 λ₂ 신호는 회송 섬유(107a)를 통해서 중앙 제어기(150)로 되돌아가기 때문에, λ₂ 신호의 진폭이 측정되고, 이 회송 신호의 위상 특성이 λ₁ 신호를 변조하기 위해 사용되는 AC 신호와 비교될 수 있으므로, 정확한 EIS 측정을 판단하기 위해 필요한 데이터를 제공할 수 있다. 예를 들어, 변조된 λ₂ 신호는 중앙 제어기(150)로 되돌아간다. 일 태양에서, 회송 신호는 회송 섬유(107a) 상에 제공되며 검출기(159)로 전송된다. 다른 태양에서, 회송 신호는 섬유(105a)를 통해서 중앙 제어기에 도달하고 광 서큘레이터(156)를 통해서 검출기(159)로 전송될 수 있다.

변조된 회송 λ₂ 신호는 검출기(159)에 의해 전기 신호로 변환되며, 이때 검출기는 바람직하게는 광기전 다이오드와 같은 PIN 포토다이오드의 하나 이상의 세트를 포함한다. 이러한 변조된 전기 신호는 (예를 들어, 구입가능한 디지털 록-인(lock-in) 증폭기를 포함하는) 비교기 회로에 공급된다. 비교기 회로(155)는 적어도 두 개가 검출기(159)로부터의 변환 신호를 위한 입력과 신호 발생기(157) 및/또는 변조기(153)로부터의 입력을 포함하는 한 세트의 입력을 포함한다. 이러한 신호는 위상 차 또는 시간 지연을 판단하기 위해 록-인 증폭기 등을 이용하여 비교될 수 있다. 측정된 신호는 이후에 특정 센서 또는 센서들에 대한 EIS 측정을 계산하기 위해 주 제어기 회로(151)로 공급될 수 있다. 완전한 EIS 테스트를 위해서, 변조기/신호 발생기의 주파수는 (예를 들어, 주파수 ω₁, ω₂, ω₃ 등을 통해 변동하면서) 변화될 수 있고, 측정은 서로 다른 주파수에서 수행될 수 있다.

보다 상세하게, 바람직한 태양에서, 전술한 시스템을 활용하는 설계 구조물의 EIS 측정이 다음과 같이 수행될 수 있다.

중앙 제어기(150)에서, 주파수 ω를 갖는 변조된 AC 신호(t1)는 신호 발생기(157)/변조기(153)에 의해 생성될 수 있다. 이 변조 신호는 광원(152)의 적어도 하나의 출력신호(예를 들어, λ₁)가 주파수 ω를 가진 AM 광 신호가 되도록 광원(152)에 공급된다. 완전한 분광 범위를 위해, 주파수ω는 넓은 주파수 범위(일 태양에서 0.001 ㎐ 내지 1 ㎒의 범위, 또는 다른 태양에서, 0.1 ㎐ 내지1 ㎒ 이하의 범위)에 걸쳐 변동될 수 있다. AM λ₁ 신호는 멀티플렉서에 의해 적어도 하나의 변조되지 않은 (바람직하게는 DC) 광 신호(예를 들어, λ₂)와 합성될 수 있으며, 그 합성 신호는 섬유(105a)와 같은 광 전송선을 통해 설계 구조물 (예를 들어, 센서 어레이(120a)) 상에 위치한 적어도 하나의 원격 배치 센서 또는 센서 어레이로 전송된다.

센서는 보호 코팅과 설계 구조물(110)의 표면 사이에 배치된, 도 3a의 센싱부(132)와 같은 센싱부를 포함한다. 센서는 바람직하게는 연성 폴리이미드 기판 상에 형성된 맞물린 금속 기반의 회로를 갖는 전극 구조체의 물리적 구성을 포함한다.

특정 센서, 예를 들어, 센서(130a)의 위치에서 합성 신호는 디멀티플렉서(137)와 같은 디멀티플렉서에 의해 적어도 제 1 및 제 2 광 신호 성분으로 역다중화된다. 변조된 λ₁ 신호와 같은 제 1 광 신호 성분은 포토다이오드 어레이(135)에 의해 전기 신호로 변환될 수 있고, 따라서 결과적인 변조된 전기 신호는 선택된 주파수 ω에서 전기 변색 스위치(136)와 같은 변조 장치에 전력을 공급할 수 있다. λ₂ 신호와 같은 제 2 광 신호 성분은 λ₂ 신호를 주파수 ω에서 변조하는 전기 변색 스위치(136)를 통과한다(또는 전기 변색 스위치에 의해 선택적으로 반사된다). 변조 디바이스가 센서 헤드의 센싱부와 전기적으로 연결됨에 따라, 코팅의 상태는 변조된 회송 λ₂ 신호의 위상(또는 시간 지연)과 진폭에 영향을 줄 수 있다.

현재 변조된 광 신호 λ₂ 는 원격 센서로부터 섬유(107a)와 같은 별도의 회송 신호 섬유 또는 광 전송선(105a)을 통해서 되돌아오며 중앙 제어기에 의해 수신된다. 회송 광 신호λ₂는 검출기(159)와 같은 검출기에 의해 전기 신호(t2)로 변환된다. 그 후 변환된 회송 신호는 비교기 회로(155)와 같은 비교기로 공급된다. 진폭 변조 광 신호 λ₁에 대응하는 신호 발생기(157)/변조기(153)에 의해 생성되는 다른 전기 신호(t1)도 또한 비교기로 공급된다. 비교기는 t2 신호와 t1 신호 간의 상대적 위상 차 φ 또는 시간 지연 및 광 신호 λ₂변환-전기 신호 t₂의 진폭을 측정한다. 위상 차 및 진폭 측정을 토대로, PIN 다이오드에 의해 전력이 공급되면서 측정되는 원격 위치에서의 변조 디바이스의 광 응답은 P₁(ω) = A e^(iφ)와 같이 계산될 수 있다.

따라서, 센서 헤드와 (그 위치에서의 코팅(140)과 설계 구조물(110)을 포함하는) 인접 환경의 전기적 임피던스 는 다음과 같이 결정될 수 있다:

[수학식 1]

여기에서 R₀(ω)는 (제조자에 의해 제공되거나 규격 EIS 장비를 이용하여 설치 전에 측정될 수 있는) 원격 변조 디바이스의 초기 임피던스이고, P₀(ω)는 PIN 다이오드에 의해 전력이 공급되면서 측정되는 원격 변조 디바이스의 초기 광 응답(코팅의 도포 및 설계 구조물의 표면에 센서 헤드를 결합하기 전)이며, 이 때 전술한 바와 같이 P₁(ω) = A e^(iφ)이다.

완전한 분광 측정을 제공하기 위해, 전술한 과정은 이후에 서로 다른 주파수 값 ω₁ 내지 ω_n에 대해 반복되며, 따라서 진폭과 위상 정보가 변화하는 주파수의 함수로서 반복적으로 수집된다. 실제로, 약 0.1 ㎐ 내지 1 ㎒의 주파수 범위는 적절한 분광 정보를 제공할 수 있다.

상기의 설계를 이용하여, 여기에서 설명된 검출 시스템의 예시적 실시예들은 비파괴적인 언더코팅 센서를 제공할 수 있다. 게다가, 센서는 사용자가 비 평탄 표면(예를 들어, 대략적인 절곡부와 모서리 및 다른 예각을 이루는 위치)과 같은 설계 구조물의 임계 영역에 센서를 배치할 수 있도록 하는 연성의 절곡가능한 기판 상에 구성될 수 있다. 보호 코팅이 모서리 및 다른 예각을 이루는 위치에 균일하게 도포되지 않을 수 있으므로, 이러한 위치는 부식 또는 다른 유형의 저하 사고에 더 영향받기 쉬울 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 예시적인 센서(130a)는 I 빔의 에지 주변에 위치할 수 있으므로, 하나의 모서리 면(111) (도 5a) 또는 다중 모서리 면(113) (도 5b) 상에 위치할 수 있다.

따라서, 상기 예시적 실시예에 따르면, 매립형 부식 센서는 센서 헤드와 그 인접 환경의 (코팅 상태와 구조적 상태를 포함하는) 실시간 임피던스 특성을 검출하도록 제공될 수 있다. 그러한 센서가 연성 기판 상에 형성될 수 있으므로, 더 많은 위치-특화 실시간 측정이 사용자에게 제공될 수 있다. 또한, 그러한 (예를 들어, 25.4 ㎛(~0.001") 두께를 가진) 박형 회로는 코팅 상태에 부정적인 영향을 주지 않고 보호 코팅과 구조물 사이에 위치할 수 있다. 또한, 데이터 획득 시스템은 부식 관련 사건에 대한 실시간 측정을 제공할 수 있다. 그러한 부식 센서는 부식 관련 손상의 직접 및 간접적인 비용을 줄이도록 도움을 줄 수 있다.

실험

제 1 실험에서, (전술한 센서(132)의 구성과 유사한 구성을 갖는) 센서 헤드의 임피던스가 측정된다. 센서 헤드는 에폭시-기반의 코팅으로 덮히며 염수의 용기에 담겨있다. 특히, 센서 헤드는 약 0.12 ㎜(5 mils)의 미 군사규격(mil-spec) 24441 에폭시 코팅으로 순간적으로 코팅되었고 인공(ASTM) 해수 용기에 담그기 전에 24 시간 동안 경화되도록 하였다. AC 신호는 ω의 주파수로 센서 헤드에 전력을 공급하였다. 이러한 실험에서, 전기 변색 스위치 대신에 종래의 리튬 니오베이트 변조기가 그 위치에서 사용되었다. 1.5㎛의 지속파(또는 DC) 광 신호는 짧은 (3m) 광 섬유(코닝사에서 구입가능한 SMF-28 광 섬유)를 따라 변조기를 통해 전송되었으며,이 때 변조기는 센서 헤드와 병렬로 배치하였다. 포토다이오드는 변조된 회송 신호를 전기 신호로 변환하였다. (주파수 ω의 함수로서) 측정된 회송 신호의 (상대적) 세기와 (주파수의 함수로서) AC 전력 신호의 위상에 대한 회송 신호의 상대적 위상이 도 6a 및 6b에 도시된다. 수 차례의 시행이 이루어졌으며 도면 설명에 상세히 기재되어 있다. 임피던스가 센서 헤드에 대해서 (전술한 수식 P₁(ω) = A e^(iφ)을 이용하여) 계산되었고, 도 6c에 (주파수의 함수로서) 도시된다. 이러한 실험에 대한 도면은 코팅의 저하에 따른 위상 변화 및 신호 세기의 상대적 증가를 나타낸다.

다른 실험에서, 비교 EIS 테스트가 수행되었고, 이 때 상기에서 상세히 설명한 것과 유사한 광학 기반의 EIS 측정 방법이 표준 EIS 측정과 비교된다. 양쪽 테스트에서, 특정 코팅, 여기에서는 에폭시 기반의 Mil-Spec 24441 코팅의 저하가 실행되었다. (전술한 센서(132)의 구성과 유사한 구성을 갖는) 센서 헤드가 24441 코팅으로 덮히며 인공(ASTM) 해수에 잠겨 있다. 광학 EIS 테스트를 위해서, 1.5㎛ 지속파(DC) 광 신호는 짧은 길이(3m)의 광 섬유(코닝사에서 구입가능한 SMF-28 광 섬유)를 따라서 리듐 니오베이트 변조기를 통해 전송되었으며, 이 변조기는 센서 헤드와 병렬로 배치하였다. 포토다이오드는 변조된 회송 신호를 전기 신호로 변환하였다.

도 7a 및 7b는 광학 기반 및 전기 기반 EIS 측정 결과를 각각 도시하며, 이 때 센서의 임피던스는 주파수의 함수로서 측정된다. 수 차례의 시행이 이루어졌으며 도면 설명에 상세히 기재되어 있다. 참고로, 용기의 온도는 코팅 저하를 가속화하기 위해 이틀 간의 침수 후에 상승시켰다. 다중 광학 기반 EIS 임피던스 측정(도 7a)은 전기 기반 EIS 측정(도 7b)과 유사하게 진행된다. 크기 차이는 변조기에 사용되는 초기 임피던스 추정 값에 기인할 수 있다. 그러나, 광학 EIS 및 전기 EIS 측정은 모두 주파수 범위에 대해 약 5 차수 크기의 임피던스 저하를 나타낸다.

본 발명이 적용될 수 있는 많은 구조 뿐만 아니라, 다양한 변형, 균등 프로세스가 명세서의 검토를 통해 쉽게 본 발명과 관련된 기술분야의 당업자에게 명확해질 것이다.

Claims (15)

1. 설계 구조물 상에 배치되고 보호 코팅으로 코팅되는 센서 및 그 인접 환경의 분광 임피던스를 측정하는 방법에 있어서,
   제1 변조 주파수와 진폭을 갖는 제1 광 신호를 제공하는 단계;
   제1 광 신호와 제2 광 신호를 제1 위치로부터 센서 위치로 전송하는 단계;
   제2 광 신호를 제1 광 신호로부터 변환된 제2 변조 주파수와 진폭으로 변조하는 단계; 및
   위상 차와 시간 지연 중 하나를 판단하기 위해 제1 변조 주파수를 제2 변조 주파수와 비교하고 센서 및 그 인접 환경의 전기화학 임피던스 분광을 주파수의 함수로서 계산하는 단계
   를 포함하는, 센서 및 그 인접 환경의 분광 임피던스 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 전송 단계는 제1 광 신호와 제2 광 신호를 합성 신호로 다중화하는 단계 - 제1 광 신호는 진폭 변조되고 제1 파장을 가지며, 제2 광 신호는 연속 전력의 신호이고 제1 파장과는 다른 제2 파장을 가짐 -, 및 합성 광 신호를 센서 위치에서 적어도 제1 및 제2 광 신호로 분리하는 단계를 포함하는, 센서 및 그 인접 환경의 분광 임피던스 측정 방법.
3. 제1항에 있어서, 변조 단계는 센서와 전기적으로 연결되며 제1 광 신호의 전기적 변환을 포함하는 신호에 의해 전력을 공급받는 변조 디바이스를 이용하여 제2 광 신호를 변조하는 단계를 포함하고,
   변조된 제2 광 신호를 제1 위치로 전송하는 단계; 및
   변조된 제2 광 신호를 제1 위치에서 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 센서 및 그 인접 환경의 분광 임피던스 측정 방법.
4. 제3항에 있어서, 계산 단계는 센서 및 그 인접 환경의 전기화학 임피던스 분광을 다음 수식으로부터 계산하는 단계를 포함하고:
   

   

   
   여기에서 R₀(ω)는 변조 디바이스의 초기 임피던스이고, P₀(ω)는 센서 위치에서 변조 디바이스의 초기 광 응답이고, P₁(ω) = A e^(iφ)이되, 이 때 A는 제1 위치에서 검출될 때의 변조된 제2 신호의 진폭이며, φ는 위상 차와 시간 지연 중 하나인, 센서 및 그 인접 환경의 분광 임피던스 측정 방법.
5. 설계 구조물의 물리적 상태를 감시하기 위한 검출 시스템에 있어서,
   설계 구조물 상에 배치될 수 있고 설계 구조물의 표면 및 표면을 실질적으로 덮는 보호 코팅 사이에 배치될 수 있으며, 변조 부재를 포함하는 제1 센서;
   센서로부터 데이터를 불러오며, 주파수 ω의 교류(AC) 신호를 제공하기 위해 비교기 회로와 신호 발생기를 포함하는 제어기; 및
   제어기에 의해 생성된 광 신호를 제1 센서와 결합시키는 하나 이상의 광 섬유
   를 포함하며, 제1 센서가 설계 구조물과 보호 코팅에 대응하는 전기화학 임피던스 데이터를 제공하는 검출 시스템.
6. 제5항에 있어서, 제어기는,
   광 신호를 생성하기 위한 광원을 추가로 포함하되, 광 신호는 AC 신호에 해당하는 제1 변조 주파수와 진폭을 가진 제1 파장의 제1 광 신호 및 연속 전력 신호인 제2 파장의 제2 광 신호를 포함하는 검출 시스템.
7. 제6항에 있어서, 하나 이상의 광 섬유는 제1 및 제2 광 신호를 제1 센서로 전달하기 위한 제1 광 섬유를 포함하며, 제1 센서로부터의 회송 광 신호를 제어기로 전달하기 위한 제2 광 섬유를 추가로 포함하되, 회송 광 신호는 변조된 제2 광 신호를 포함하고, 제2 광 신호는 제2 변조 주파수와 진폭을 가지며, 제2 변조 주파수 및 진폭은 제1 광 신호로부터 변환되는 검출 시스템.
8. 제6항에 있어서, 제어기는,
   제1 및 제2 광 신호를 합성 신호로 합성하는 광 멀티플렉서를 추가로 포함하되, 제1 파장 및 제2 파장은 서로 다른 검출 시스템.
9. 제6항에 있어서, 센서는,
   설계 구조물에 장착되는 연성 기판 상에 배치되고 보호 코팅에 의해 덮이는 패턴화된 전도성 부재를 갖는 센서 헤드;
   제2 광 신호를 수신하도록 센서 헤드와 전기적으로 연결되는 변조 디바이스;
   제1 광 신호를 제2 광 경로를 따라 송신하고 제2 광 신호를 제1 광 경로를 따라 송신하는 광 신호 디멀티플렉서; 및
   제1 광 신호를 전기 신호로 변환하기 위해 제2 광 경로 상에 배치되는 포토다이오드 어레이
   를 포함하며, 변조 디바이스는 제1 광 경로를 따라 배치되고 포토다이오드 어레이로부터의 전기 신호에 의해 전력을 공급받는 검출 시스템.
10. 제9항에 있어서, 변조 디바이스는 전기 변색 스위치를 포함하는 검출 시스템.
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