KR101803356B1 - 센싱 시스템 및 방법 - Google Patents

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아드리안 스티븐슨
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Abstract

센싱 시스템은 복수의 센싱 엘리먼트들이 임베디드된 매트릭스 구조물을 갖는 재료를 포함하고, 상기 센싱 엘리먼트들은 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질 및/또는 전자 분포를 갖는다. 상기 센싱 시스템은 안테나를 포함하는 수신기를 더 포함하고, 상기 수신기는 소스 RF 신호 및 리턴된 RF 신호를 수신하도록 배열되고, 상기 리턴된 RF 신호는 상기 재료로부터 수신된다. 상기 센싱 엘리먼트들의 상기 수송 성질 및/또는 전자 분포의 변화는 상기 소스 RF 신호를 변화시켜서, 상기 재료의 성질의 변화가 상기 리턴된 RF 신호로부터 결정될 수 있다. 재료의 성질의 변화를 센싱하는 방법이 또한 제공된다.

Description

센싱 시스템 및 방법{SENSING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 센싱 시스템 및 방법에 관한 것이다.
구조물의 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM)은 토목, 구조 및 항공우주(aerospace) 공학과 같은 산업에서 증가하는 관심을 끌고 있는 기술 분야이다. SHM의 목적은, 구조물에서 검출되는 이상(anomalies)의 지표를 제공하기 위해, 센서를 사용하여 임계 구조물 엘리먼트들(critical structural elements)에 관한 데이터를 수집하는 것이고, 이에 의해 그것의 신뢰성과 안전을 모니터링한다. 현재의 SHM 시스템은 관심 구조물의 핵심 포인트에 하나 이상의 센서의 설치를 요구하며, 그 타입의 센서는 감지되는 관심의 특정 파라미터에 의존한다. 이것은 상기 시스템을 비싸게 할 수 있고, 설치하는데 시간이 소모되게 하며, 상기 센서의 실제 시간의 계속되는 모니터링은 실질적으로 비현실적이다.
알려진 시스템의 한가지 단점은, 현대 항공기에서 사용되는 복합체 재료들은 현재의 SHM 기술을 쓸모없게 하고, 이 산업 내에, 현재 기술이 충족시킬 수 없는 요구를 만든다.
복합체 재료의 사용이 점차적으로 증가하는 다른 산업들은, 씰(seal) 및 가스킷(gaskets)과 같은 컴포넌트(components)의 피로를 모니터링하는 것이 중요한 오일 및 가스 산업, 터널 및 파이프라인 네트워크와 같은 지하 구조물, 및 신뢰성과 안전이 매우 중요한 군 항공기와 잠수함 기술이다.
이들 장점들은, 물 또는 공기 내 오염이 저비용으로 강건한 재료들로 추적될 수 있는 환경 센싱을 위해; 재료들, 특히 복합체 재료들이, 플라스틱 부품의 품질을 향상시키기 위해, 제조 공정 중에 추적될 수 있는 진보된 제조를 위해; 그리고, 우주와 같은 적대적이고 접근할 수 없는 위치에 있는 어플리케이션(applications) 또는 터빈과 같은 회전 컴포넌트를 사용하는 것들을 위해; 주입되는 컴포넌트(implanted components), 심장 밸브(heart valves) 및 힙 조인트(hip joints)가 신뢰성 및 안전을 위해 모니터될 필요가 있는 의학 분야와 관련된다;
전술한 기술 영역들은, 정밀 조사를 위해 즉시 접근할 수 없는 구조물을 선택적으로 또는 계속적으로 모니터하기 위해 신뢰성 있고, 정확한 무선 센싱을 요구한다.
본 발명은 신뢰성 있고, 정확한 무선 센싱을 할 수 있는 센싱 시스템 및 센싱 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 센싱 시스템은, 복수의 센싱 엘리먼트들이 임베디드된 매트릭스 구조물을 갖는 재료; 및
안테나를 포함하는 수신기를 포함하며,
상기 센싱 엘리먼트들은 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질(transport properties) 및/또는 전자 분포(electron distribution)를 갖고,
상기 수신기는 소스 RF 신호 및 리턴된 RF 신호를 수신하도록 배열되고, 상기 리턴된 RF 신호는 상기 재료로부터 수신되며,
상기 센싱 엘리먼트들의 상기 수송 성질 및/또는 전자 분포의 변화는 상기 소스 RF 신호를 변화시켜서, 상기 재료의 성질의 변화가 상기 리턴된 RF 신호로부터 결정될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 센싱 방법은, 재료의 성질의 변화를 센싱하는 방법으로서, 상기 재료는 복수의 센싱 엘리먼트들이 임베디드된 매트릭스 구조물을 갖고, 상기 센싱 엘리먼트들은 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질 및/또는 전자 분포를 가지며,
상기 재료에 소스 RF 신호를 제공하는 단계;
상기 재료로부터 리턴된 RF 신호를 수신하는 단계; 및
상기 센싱 엘리먼트들의 상기 수송 성질 및/또는 전자 분포의 변화에 의해 야기되는 상기 리턴된 RF 신호의 변화로부터 상기 재료의 성질의 상기 변화를 결정하는 단계를 포함한다.
정밀 조사를 위해 즉시 접근할 수 없는 구조물에 대하여도 신뢰성 있고, 정확한 무선 센싱이 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 일 예의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 다른 예의 개략적인 다이어그램이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 시스템을 채용할 때, 획득된 출력들의 예들을 보여준다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 시스템을 채용할 때, 획득된 출력들의 다른 예들을 보여준다.
도 5는 점성 용액과 접촉하는 공기 내 석영 칩의 공명의 그래프를 보여준다.
도 6은 탄소 나노튜브(CNT) 폴리머 복합체의 마이크로파 공명을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 7은 9GHz에서 다중 벽 나노튜브 복합체 대 나노튜브를 갖지 않는 샘플의 마이크로파 공명을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 8은 감소하는 압력(왼쪽에서 오른쪽으로)의 GHz 공명을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 9는 컨택 압력 및 가스/정수(hydrostatic) 압력에 응답하는 오링(O-ring) 내재성 센서의 기하학적 구조(geometry)를 보여준다.
도 10은 복합체 파이프(composite pipe) 내재성 센서의 기하학적 구조를 보여주고, 음향으로 공명하는 입자들은 상기 벽을 통하여 병합되고, 내부 표면 상의 입자들만이 진동하는데 유리한 조건에 있고, 용액 점도와 관련된 감쇠(damping)를 갖는다.
도 11은, 구조적 힘이 흔히 가장 높으며, 본딩 포인트(bonding point)에서의 스트레인(strain)과 디스본딩(disbonding)에 대한 피드백(feedback)을 제공하며, 스킨을 지지프레임에 연결하는, 표면에서의 내재성 센싱 접착제를 포함하는 복합체 항공기 날개를 보여준다.
도 12는 가열 타일의 건전성(integrity)의 모니터링을 위해 사용되는 본 발명을 보여준다.
도 13은 주변 측정 접근(ambient measurement approach)에 기초한 개략적인 내재성 센싱 시스템을 보여준다.
도 1을 참조하면, 안테나(2)를 갖는 무선 트랜스시버(transceiver)(1)의 개략적인 다이어그램이 도시된다. 재료(3)의 일부, 예를 들어, 폴리머 재료는, 다중 센싱 엘리먼트들(4)이 임베디드된 매트릭스 구조를 가지며, 센싱 엘리먼트들(4)은 매트릭스 재료(3) 내에 분산되고, 매트릭스 재료(3)에 의해 둘러싸인다. 센싱 엘리먼트들(4)은 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질 및/또는 전자 분포를 갖는다. 이 행동은, 매트릭스 재료(3)에 신호를 보내기 위해, 트랜스시버(1)로부터, 안테나(2)를 경유하여, 전송되는 무선 주파수(RF) 신호(예를 들어, 마이크로파 신호)의 변경을 낳고, 상기 재료의 변화는 상기 수신된 신호로부터 결정될 수 있다. 이런 방법으로, 센싱 엘리먼트들(4)은 상기 재료의 성질의 변화의 비침습성, 내재성 센싱을 허용한다.
무선 트랜스시버(1)는 변조된 무선 주파수 신호를 발생시키도록 제조되고, 상기 변조된 무선 주파수 신호는, 배경 노이즈를 줄이기 위해 그리고 매트릭스 재료(3)로 형성된 구조물로부터 리턴된 신호를 실시간으로 검출하기 위해, 펄스(pulse), 주파수(frequency), 상(phase), 또는 디지털로 변조된 것이다. 상기 리턴된 무선 신호는 전형적으로 스캐터(scatter), 리플렉션(reflection), 또는 트랜스미션 셋-업(transmission set-up)을 통하여 수집된다. 트랜스시버(1)는, 상기 센싱 엘리먼트들의 환경에 연결되는 전자기 스펙트럼의 GHz 영역에 중요한 스펙트럼 특징들을 추적하도록 디자인된다. 순수한 결과치(net result)는 상기 리턴된 GHz 스펙트럼의 변화이고, 벌크 재료(3)의 물리적, 화학적 성질에 대한 정보의 원거리 수집이다.
안테나(2)는, 상기 무선 주파수 신호를 방출하고, 반사된 신호를 높은 신호/노이즈 비에서 실시간으로 수집하도록 배열된다. 사용에서, 안테나(2)는, 재료(3)의 넓은 영역 또는 좁은 영역에 걸쳐 퍼질 수 있는 목표 사이트(target site)에 상기 RF 신호를 적용한다. 이것은 예를 들어, 씰(seal) 또는 연결 부위와 같은 특정의 작은 영역 또는 선택적으로 윙(wing) 전체와 같은 큰 구조에 센싱의 초점이 맞추어질 수 있는 항공기의 구조적 컴포넌트에 특히 유리하다. 상기 안테나는, 파장에 따라 좁은 빔(beam)의 GHz 라디에이션(radiation)을 생성하는 레이더 기반 시스템과 같은 기능을 수행하도록 배열된다. 이 행동은 바람직하게 포물선(parabolic) 또는 상 어레이(phase array) 안테나 구조로 달성된다. 도 2는, 상기 안테나가 방향 안테나(5)인 센싱 시스템의 다른 예를 보여준다.
벌크 재료들을 측정하는 다른 방법은 차동 무선 측정(differential radio measurements)의 사용에 기초한다. 본 실시예는 신호 소스들 및 수신기들의 총합이 2보다 더 클 것을 필요로 한다. 본 실시예의 장점은, 시트(sheet) 또는 패널과 같은 상대적으로 큰 샘플 내 특정 위치들이 해결될 수 있다는 것이다. 상기 정보는, 특정 위치로부터의 중요한 물리적/화학적 정보가 상기 수신된 신호들을 결합하는 것에 의해 획득될 수 있도록, 상기 벌크 재료 성질의 이미지가 형성되는 것을 허용한다.
바람직한 실시예에서, 센싱 엘리먼트들(4)이 지지되는 재료는 엘라스토머 또는 에폭시 매트릭스와 같은 폴리머 매트릭스이고, 따라서 센싱 엘리먼트들(4)의 부가는 복합체 폴리머 매트릭스 재료(3)의 형성을 유도한다. 이 재료(3)는, 그것이 상기 GHz 범위 내 전자기적 신호들의 효과적인 전송을 지원하는 것을 허용하기 위해 이상적으로 절연된 재료이다. 임베디드 엘리먼트들(4)은 센싱 목적을 위해 사용되고, 요구되면, 추가 엘리먼트들이 부가적 센싱 기능들을 형성하기 위해 부가될 수 있다.
종래 기술의 시스템 및 방법에 따르면, 재료에 지향된 무선 신호는 상기 재료의 기계적, 전기적 및 화학적 상태에 관한 정보를 추출할 수 없다. 그러나 센싱 엘리먼트들의 수송 성질 및/또는 전자 분포가 그들의 국부 환경에 의해 변경되는 센싱 엘리먼트들(4)을 부가하는 것은 이 모니터링 기능을 가능하게 할 수 있다. 센싱 엘리먼트들(4)은 재료(3)의 유전 또는 자기 성질들과 같은 성질들을 변경하도록 배열된다.
센싱 엘리먼트들(4)은, 고품질 공명 작용 또는 고조파 발생(harmonic generation)과 주파수 배가(frequency doubling)를 유도하는 비선형 성질을 보이는 입자들을 포함한다. 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 입자들은 단일 벽 탄소 나노튜브들, 다중 벽 탄소 나노튜브들, 나노링들(nanorings)의 금, 자기 입자들, 및 많은 다른 것들을 포함할 수 있다. 흔하지 않는 무선 성질들을 유도하는 근본적인 메카니즘은 본래 음향(acoustic), 유전체(dielectric), 압전기(piezoelectric), 전기 변형(electrostrictive), 자기 변형(magnetostrictive), 전도성(conductive), 또는 반전도성(semiconductive)일 수 있다. 결과로서, 상기 재료들의 유전 또는 자기 성질들과 같은 성질들이 변하고, 차례로 특정 방법들로 상기 리턴된 무선파를 변경한다. 스트레인(strain), 온도, 수화(hydration) 또는 pH와 같은 특정 환경 변화에 응답하도록 입자 타입이 선택된다. 더욱 힘든 환경에서 신호 레벨들을 증가시키기 위해, 센싱 입자들은 또한 전자기 공명을 증가시키는 저손실 유전 재료의 제2 입자에 흡수될 수 있다.
센싱 엘리먼트들(4)은 입자들을 포함할 수 있고, 상기 입자들의 공명 Q 인자는 재료(3)의 전기적 및/또는 기계적 성질의 변화에 의해 변하게 된다. 예를 들어, 재료(3)의 기계적 변화는 전기 저항의 증가를 유도할 수 있고, 이는 유전 손실을 증가시키고 재료(3)의 Q 인자를 낮춘다.
이러한 성질들을 획득하고, 그들을 유용하게 사용하기 위해, 상기 입자에 무선파들을 연결하는 메카니즘이 요구된다. 이를 달성하기 위해, 채용되는 두 메카니즘 중 하나 또는 두 메카니즘 모두는 트랜스시버와 안테나 장치(1, 2)와 복합체 매트릭스 재료(3) 사이의 무선 에너지의 교환을 유도한다.
제1 커플링(coupling) 메카니즘은, 폴리머를 통하여 입자들의 균일한 분산뿐만 아니라 입자들의 크기에 의해 정의되는 일관된 치수 내 자기 또는 전기 쌍극자(dipoles)를 사용한다. 상기 매트릭스 입자들은, 예를 들어 자기 변형, 역압전기(converse piezoelectricity), 자기 디렉트 발생(magnetic direct generation)을 통하여 또는 두 와이어들 사이에 발생할 수 있는 전통적인 전자 커플링을 통하여 센싱 입자들에 연결된다. 커플링 만으로는 작동하는 센서 재료를 구현하는데 충분하지 않다; 그러나 다른 유전 복합체 재료들에 대하여 센싱 복합체 재료의 작용에서의 한가지 차이점은 고품질 공명이 이 재료로부터 반사된 무선 신호에 나타난다는 것이다. 따라서 센서로서 상기 매트릭스 재료를 사용함에 있어서, 상기 재료의 전기적 및/또는 기계적 성질들과 같은 성질들이 목표 위치들에서 상기 입자들의 공명 주파수를 균일하게 변경하고, 그래서 상기 임베디드 입자들이 유사한 증가로 주파수를 바꾸고, 그래서 상기 순수 신호(net signal)는 일관된다.
이러한 제1 메카니즘을 모니터하는 한가지 방법은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 수동 공명 센싱 방법에 의한다. 매트릭스 재료(3), 예를 들어 폴리머의 공명 주파수는 시간의 함수로서 추적된다. 도 3a는 상기 리턴된 RF 신호 주파수들의 추적을 허용하는 전형적인 시스템 결과를 보여준다. 이 방법에서, 상기 리턴된 신호의 주파수 스펙트럼의 변화는 상기 재료의 공명 주파수의 변화를 나타낸다.
바람직하게, 상기 센싱 시스템은 상기 재료의 기계적, 전기적 및 화학적 상태의 적어도 하나를 결정하도록 배열되는 회로를 더 포함한다. 따라서 이상(anomaly)의 위치 및 범위 또는 상기 복합체 재료로 형성된 구조물 내 결점을 결정하는 정확하고 신뢰성 있는 방법이 요구된다.
상기 제1 메카니즘을 이용하는 경우에, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 수동 공명 센싱 방법(passive resonant sensing method)이 전형적으로 이용된다. 도 3b를 참조하면, 일 예의 27.3GHz의 주파수에서 시스템 출력(6)은, 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질 및/또는 전자 분포를 갖는 임베디드 센싱 엘리먼트들, 예를 들어 나노입자들을 갖는 재료로 형성된 구조물의 폴리머 패널 컴포넌트들(7)로부터 반사된 RF 신호에 대응한다. 이 예에서, 이 복합체 재료에 대하여 상기 반사된 신호의 주파수 스펙트럼에서 미리 결정되고 예상되는 딥(dip)인, 27.3GHz의 주파수는 신호가 보내진 패널 컴포넌트들(7) 각각의 각 부분으로부터 반사되며, 결점이 존재하지 않다는 것을 나타낸다.
도 3c를 참조하면, 시스템 출력(6)은 구조물 컴포넌트들(7)의 영역 내 이상(anomaly) 또는 결점을 나타내고, 34GHz의 주파수 출력(6)에 의해 입증되는 바와 같이, 주파수 변화의 정도는 센싱된 파라미터의 크기를 나타낸다. 이 결점(8)의 정확한 위치는, 더욱 조준된 빔(collimated beam)을 생성하는 안테나 조정에 의해 또는 상기 조사 영역의 크기를 좁히기 위해, 상기 안테나를 상기 구조물에 더욱 가깝게 위치시키는 것에 의해 무선 빔(radiobeam)의 폭을 좁히는 것에 의해 결정될 수 있다. 대체되거나 수리되는 컴포넌트가 작다면, 더 높은 주파수 무선 신호들이 결점 영역의 해결을 높이기 위해 사용된다. 이것은 각 나노입자를 둘러싸는 폴리머에 의해 정의되는 환경의 변화를 드러낸다.
제2 메카니즘은, 입자 운동에 공명 방식으로 연결하지 않고, 대신에 본래의 유발 무선 신호(instigating radio signal)의 고조파 주파수들(harmonic frequencies)의 발생을 유도하는 임베디드 입자들을 채용한다. 상기 매트릭스 내 입자들 간 연결성의 변화에 관한 고조파 발생의 레벨(level)이 모니터된다.
상기 제2 메카니즘을 이용하는 경우에, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 능동 고조파 센싱 방법(active harmonic sensing method)이 전형적으로 이용된다. 이 능동적 방법은 바람직하게 상기 나노복합체로 가는 질문 신호와, 상기 질문 신호의 두 배의 주파수에서 상기 나노복합체 재료로부터 리턴되는 신호 사이에 진폭 비를 모니터링하는 것을 포함한다.
도 4a는, 기본 주파수(fundamental frequency) F를 갖는 질문 RF 신호(IN)와, 배가된 고조파 주파수(doubled harmonic frequency) 2F를 갖는 리턴된 RF 신호(OUT)의 예들을 보여주고, 이들의 진폭들은 각각 A1 및 A2로 표시된다. A1/A2의 진폭 비는 결정되고, 추적된다. 이 비는, 그것이 입자들간 국부 상호작용 및 폴리머 재료의 정확한 상태를 요약하기 때문에 중요하다.
도 4b에서, 출력(6)은 27.3GHz의 선택된 질문 주파수에 대한 응답을 보이지 않는다. 그러나 도 4c에 도시된 바와 같이, 질문 신호의 두 배 또는 그보다 더 높은 고조파이고, 주변 레벨을 초과하는 54.6GHz의 수신된 신호는, 폴리머 패널 컴포넌트들(7) 중 하나에 결점의 존재를 나타낸다.
복합체 매트릭스 재료(3)를 제조함에 있어서, 센싱 엘리먼트들(4)이, 효과적이고 일관된 센싱을 가능하게 하기 위해, 상기 재료 내 실질적으로 균등하게 이격되는 것이 바람직하다. 그러나 요구되면, 재료(3) 내 센싱 엘리먼트들(4)의 밀도를, 연결 부위 또는 벤드 부위(bends)와 같은 잠재적으로 약한 부위들에서 증가시키는 것이 가능하다.
일 예에서, 상기 폴리머 매트릭스의 입자들의 부분은, 센싱 엘리먼트들로 작용하는, 전형적으로 마이크로미터 또는 나노미터 치수들의 포어(pores) 또는 홀(holes)에 의해 대체된다. 상기 홀은 가스 또는 유체, 전형적으로 공기 또는 물을 포함한다. 각 포어는 극화될 수 있는 입자(polarisable particle)로 기능한다. 상기 포어 수치(pore count)는 바람직하게 포어들 사이의 연결성을 피하기 위해 상대적으로 낮다. 이러한 배열은, 그것이 나노입자들과 같은 특정 입자들을 구매하는 비용 및 매트릭스 재료 내에 이들 입자들을 분산시키는 공정을 피하기 때문에 유리하다. 포어들의 부가는 센싱 시스템에 사용될 수 있는 재료들의 선택을 증가시킨다.
몇몇 경우에서, 다른 타입들의 센싱 엘리먼트들(4)의 사용은 어떤 특정 파라미터가 센싱되는가에 영향을 미치는 것으로 이해되어야 한다. 다중 엘리먼트 타입의 사용이 가능하고, 단일 재료(3)로부터 다중 파라미터 측정들을 제공한다.
상술한 상기 시스템 및 방법의 다른 장점은, 무선 신호는 구조물에서 검출되는 결점을 수리하는데 도움이 될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 마이크로파 신호는 또한 구조물 내 크랙(crack)과 같은 손상된 곳을 수리하기 위해 손상된 사이트(site)를 가열할 수 있다. 상기 크랙은 전기적으로 더욱 저항성이 커서, 마이크로파 유도 전류가 옴 법칙을 통해 상기 크랙을 가열하기 때문에, 집중된 열이 손상된 영역에 제공된다.
상술한 내재성 센싱 시스템 및 방법은, 특히 원거리 센싱이 바람직한, 불리한 환경에 적합하다. 상기 내재성 센싱 시스템 및 방법은, 현재의 SHM 시스템 및 방법에 비해 매우 저렴한 비용으로 편리하게, 제조 중 및 엔드 어플리케이션(end application) 내에, 구조물 재료들에 대한 정보에 빠른 접근을 제공한다.
채용된 상기 재료들은 마모, 손상 또는 온도에 관한 정보가 요구되는, 전형적으로 건설 재료들이다. 임베디드 입자들은, 상기 재료의 스트레스(stress), 스트레인(strain), 온도, pH, 수화(hydration), 부피 왜곡(volume distortion), 밀도 변동(density fluctuation), 오염, 라디에이션(radiation) 또는 아이싱(icing)의 변화와 같은 상기 재료의 환경의 변화에 관한 정보를 제공하기 위해 선택된다. 상기 입자들의 환경의 변화는 또한 시간의 경과에 따른 상기 재료 내에 서서히 진행되거나(creeping) 또는 불안정성(instability)에 기인하여 발생할 수 있고, 이들은 상기 재료의 성능을 저하시킨다.
따라서 본 발명은, 항공우주 산업(예를 들어, 항공기 윙, 패널, 볼트, 용기(vessels) 및 씰)을 위한 구조물 컴포넌트와 같은 임계적 구조물 컴포넌트와, 상기 구조물 위 또는 내에 여분의 센서들을 설치할 필요없이, 오일 및 가스 산업용 스마트 씰(smart seals)에 관한 데이터의 지속적 또는 선택적 수집을 가능하게 한다; 이러한 구조물들은 단순히 상술한 재료로부터 형성된다. 이는 또한, 상기 구조물 컴포넌트를 형성하기 위해 복합체 재료의 사용이 증가하고 있는 산업에서 항공기의 유지 및 수리 비용을 줄이는, 훨씬 더 경제적인 SHM 시스템을 제공한다. 상기 컴포넌트의 마모 또는 피로 상태는 실시간으로 수집될 수 있어서, 교체 시기가 분명하고, 상기 컴포넌트의 제조 및 사용에서, 다운타임, 컨트롤 및 오퍼레이팅 비용이 감소된다. 제조 공정은 또한 상기 재료의 내부로부터의 피드백과 함께 세부적으로 모니터되고 최적화될 수 있다.
파이프라인 센싱의 분야에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 지속적인 스트레인 모니터링을 가능하게 하고, 오퍼레이터들이 누출 발생과 같은 문제점들을 방지할 수 있게 한다. 대조적으로, 현재 섬유 광학 기술은, 일단 누출이 발생하면, 액체 또는 가스 시스템에서 누출의 존재를 나타내는 "핫 스팟(hot spot)" 또는 "콜드 스팟(cold spot)"을 인식한다.
본 발명은 또한 커넥터와 와이어의 필요를 제거하는, 다운홀(downhole) 모니터링과 같은 모니터링 시스템의 강건성(robustness)을 향상시킨다. 파워가 와이어리스 상호작용들(wireless interactions)을 통하여 상기 센싱 엘리먼트들에 제공되므로, 센서 장치들이 분리된 파워 소스들을 가질 필요도 또한 제거된다. 다른 어플리케이션 영역들은 복합체 품질 컨트롤(composite quality control), 항공기 및 고속 브레이크 시스템(high speed brake systems), 인간 건강 모니터링(human health monitoring), 핵 및 화학 공장에서 압력 모니터링, 열 차폐(heat shield) 및 노즈콘(nose cones)의 온도 측정, 및 우주 정거장, 철도 및 탱커 내 크랙 검출을 포함한다.
본 발명을 가능하게 하는 것은 몇 가지 재료들의 공명이다. 본 발명은 많은 재료들에서 발생하는 마이크로파 공명을 이용한다. 무선 신호에 민감한 장비로 검출될 수 있는 전자 및 핵 성질들에 관한 메카니즘들이 존재한다. 이들은 유전 측정(dielectric measurment), 반사 파워(reflected power), IR 이미징(imaging), 스펙트럼 분석(spectral analysis), 표면 임피던스(surface impedance) 및 다른 것들을 포함한다. 내재성 센싱의 다음 예들은 유전 측정을 이용한다. 이들 중 첫째는 점도에 응답하는 석영 칩(quartz chip)이고, 둘째는 온도와 압력에 응답하는 다중 벽 나노튜브(Multi-Wall NanoTube, MWNT) 나노복합체이다.
석영 칩은 음향 공명기(acoustic resonators)로 인식된다. 포논(phonons)은 음향 정상파(standing waves)를 만들기 위해 상기 칩의 면들 사이에서 쉽게 이동한다. 이들 공명들은 다중 주파수들에서 발생하고, 상기 칩들을 가로질러 전압으로서 검출될 수 있다. 본 발명의 목적에 중요하게, 상기 칩들의 무선 성질들은 또한 변하고, 상기 칩들의 유전 성질들(dielectric properties)을 측정하는 것에 의해 결정될 수 있다. 석영 칩의 유전 성질들은 도 5의 곡선 A에 도시된다. 스파이크들(spikes)은 음향 공명에 의해 야기된다. 그들은 대부분 절연체들(insulators)의 전형적인 유전 곡선에 겹쳐지게 된다. 도 5의 곡선 B에 도시된 바와 같이, 공명을 감쇠시키는 설탕물 용액을 부가하는 것에 의해 센싱이 입증된다. 보여지는 바와 같이, 점성 감쇠(viscous damping)의 결과로서, 피크들은 더 넓어지고, 더 짧아지며, 거의 사라진다.
바람직하게, 본 발명은 폴리머에 분산된 다중 벽 탄소 나노튜브(CNTs)를 이용한다. CNT들은 무선 스펙트럼에서 식별할 수 있는 공명을 갖는다. 그들은, 예를 들어 온도에 기인한 폴리머의 변화를 검출하도록 모니터된다.
도 6의 예에 도시된 바와 같이, 공명들은 400MHz에서 발견된다. 이들은 에너지 갭들(벽간(inter-wall) 에너지 차이에 기초한) 또는 포논 관련 공명들(길이에 기초한)이고, 최선의 신호들에 대하여 같은 주파수를 갖는다. 온도 변화를 측정하기 위해, 공명 주파수의 변화는 해결하기가 더 쉽기 때문에, 더 높은 주파수 피크가 추적된다. CNT 입자들에 대하여, 폴리머 공명은 넓고 짧아서, 상기 곡선은 보통 로렌치안 함수(lorentzian function)에 맞추어져서, 거의 103~104ppm/℃로 온도와 함께 변하는 중앙 주파수가 발견된다.
더 높은 주파수에서, 퍼컬레이션(percolation) 메카니즘에 기초한 더 큰 무선 공명들이 발생하며, 이는 리벳(rivets), 스크류(screws) 또는 와이어(wires)와 같은 작은 컴포넌트들로부터 온도 또는 스트레인 신호들을 제공할 수 있고, 또는 대안으로, 패널에 반사되고, 몇몇 측정기와 이격된 다른 컴포넌트들에 반사된 전자기 신호들을 파 필드(far field)를 통하여 제공할 수 있다. 이 공명 신호의 크기는 다양한 치수들의 다중 벽 나노튜브 버튼으로 입증된다. 이들은, 9GHz에서 다중 벽 나노튜브 복합체의 마이크로파 공명은 곡선 "C"로 표현되고, 나노튜브들을 갖지 않는 샘플은 곡선 "D"로 표현되는 도 7에 도시된 바와 같이, 9~10GHz 부근 또는 wt%가 증가되면 더 낮은 주파수에서, 중요한 손실 탄젠트로 공명한다.
CNT들은 함께 더 근접하여 이동하기 때문에, 압력은 공명 주파수를 감소시키고, 주파수의 범위에 걸쳐 전도성(conductivity)을 증가시킨다. 전도성 손실은 낮은 주파수에서 가장 커서 피크의 왼쪽 편의 레벨이 증가하고, 이에 의해, 왼쪽으로 이동(shifted)되는 것으로 나타난다. 한편, 피크의 오른쪽의 레벨은 떨어지고, 이에 의해, 또한 왼쪽으로 이동되는 것으로 나타난다.
도 8에 도시된 바와 같이, 최종 결과는 전체 피크가 압력 하에서 왼쪽으로 이동하는 것으로 나타난다는 것이다. 이 현상은 여기서 퍼컬레이션 문턱 주파수(percolation threshold frequency)로 호칭된다.
퍼컬레이션 문턱 주파수(PTF)는 두 개의 분리된 공정들로부터 일어나는 터닝 포인트(turning point)이다: 전도성 손실(conductivity loss) 및 즉시 침투(evanescent penetration), 이들 각각은 반대 방향의 동향을 보이는 곡선을 갖는다. 일반적으로, 유전 손실 인자(dielectric loss factor)는 주파수와 함께 증가하는 반면, 즉시 깊이(evanescent depth)와, 손실 부피의 크기는 전자기 스킨 깊이(electro-magnetic skin depth)에 따라 주파수와 함께 떨어진다. 상기 터닝 포인트는 이 두 개가 균형을 이루는 때이다. 이 수는 스트레인, 온도 또는 다른 것의 변화를 편리하게 전달한다.
이 타입의 공명은 이완 공정(relaxation process)이 아니다. 대신에, 상태의 변화가 존재하여서, 무선파(radio wave)가, 낮은 주파수에서 유전체를 감지하거나, 높은 주파수에서 반사 컨덕터(reflective conductor)를 감지한다. 그 결과는 추적될 수 있는 무선 '컬러(colour)'를 갖는 내재성 센싱 재료이다.
내재성 센서들을 제조하기 위해, 공명 입자들은 어플리케이션에 흔한 재료에 들어간다. 이것은 폴리머, 겔, 졸-겔(sol-gel), 페인트, 접착제 또는 심지어 세라믹 재료일 수 있다. 이 재료들은 다른 부품들: 링(rings), 튜브(tubes), 플레이트(plates), 스크류(screws), 시트(sheets), 오-링(o-rings), 그롬메트(grommets), 와셔(washers), 밸브(valves) 및 다른 형태들, 인사이드 빌딩(inside buildings), 보트(boats), 차(cars), 항공기(aircraft) 및 많은 다른 것들에 들어간다.
예로서, 그들 환경을 감지하기 위해 오-링, 파이프 및 그롬메트로 형성된 내재성 센서들을 고려한다. 이 센서들은 또한 2차적인 복합체일 수 있고, 상기 복합체 재료는 다른 금속/세라믹 부품에 연결된다. 대안으로, 상기 센서들은, 예를 들어, RFID 태그들(tags)의 안테나 컴포넌트에 부가하거나 이를 대체하기 위해, 또는 상기 RFID 태그의 안테나와 함께 작동하여 커플링을 부스트(boost)하기 위해, 전자 회로 또는 안테나의 성질을 향상시키는 신규 재료로 형성될 수 있다.
상기 컴포넌트 부품의 형상/크기는 또한 신호 레벨을 높이기 위해 입자 공명과 함께 작용할 수 있다. 이것은, 상기 부품이 상기 입자 공명과 일치하는 자연 마이크로파 공명을 가질 때 발생한다. 이러한 효과가 가장 강한 바람직한 물체들 중 하나가 오-링 구조물이다. 바른 전도성으로, 상기 오-링의 원주가 다중 전기 파장(mutliple electrical wavelength)이면, 나노복합체 오-링은 입자 공명 또는 PTF에서 공명할 수 있다.
도 9는 전형적인 오-링 구성을 보여주고, 상기 오-링 구성에서, 오-링의 무선 공명은 오퍼레이션 중에 전송 라인과 안테나를 통하여 모니터되어 마모(abrasion), 화학적/열적 저하(chemical/thermal degradation), 돌출(extrusion), 과잉압축(overcompression), 또는 조립 중 손상을 나타낸다.
거친 환경에서 신뢰성을 위해, 본 발명은 상기 구조물을 센서로서 이용할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 좋은 예는 파이프 내 물 점도의 측정이다. 거친 환경에서 점도 측정은, 종래의 센서들이 빠른 터뷸런트(turbulent) 유체 흐름 속으로 돌출하기 때문에, 상기 센서들을 취약한 상태에 두게 된다. 반면에 내재성 센싱 시스템은, 정보를 수집하기 위해 튜브의 내부 벽의 조합(combination)을 이용하는 것에 의해, 그리고 상기 거친 환경 외부에 위치된 안테나를 이용하는 것에 의해 더욱 강건하다. 여기서부터, 상기 안테나는, 상기 용액에 의해 차례로 감쇠되는, 상기 입자들 내 음향파들을 흥분시킨다. 그들이 압전기 입자들(piezoelectric particles)이면, 상기 구조물의 핵심은 상기 입자들이 상기 용액과 접촉하는 경우에 활성화되고, 더 예리한 공명을 소유한다는 것이다. 이것은 물 유전(water dielectric)의 극화 효과(polarising effect)에 기인하며, 폴리머의 내부에 임베디드된 것들에 비하여 내부 표면 입자의 낮은 음향 감쇠와 크리스탈에서의 포텐셜을 증가시킨다.
도 11은 스킨을 지지 프레임에 연결하는 표면에 내재성 센싱 접착제를 포함하는 복합체 항공기 윙(wing)을 보여준다. 이들 영역들은 흔히 패널 또는 다른 로드 베어링 구조물(load bearing structure) 내 스트레스의 핫스팟(hotspots)이고, 그들의 기계적 상태에 관한 정보를 전송한다. 이런 이유로, 복합체 구조물에 대한 중요한 기계적 정보가 본딩 포인트(bonding points)에서 이용될 수 있다.
본 발명이 사용될 수 있는 또 다른 영역은, 도 12에 도시된 바와 같이, 지구의 어플리케이션(terrestrial applications)을 위해 또는 지구 환경에 진입하는 우주선의 열 차폐에 관한 사용을 위해, 강렬한 열에 노출되는 열 타일(heat tiles)의 건전성(integrity)의 변화를 모니터링하는 것이다. 중요한 점은, 무선 공명이지만, 입자의 녹는점 아래에 있도록 열 전도가 온도를 제한하는 영역에 있는 입자들을 병합하는 것이다. 이 층으로부터 그리고 추가로 용기의 내부에서, 내재성 센싱은 타일의 건전성과, 그것이 여전히 적절한지 여부의 지표를 제공한다.
본 발명의 또 다른 면은 주변 방법(ambient method)이다. 주변 방법은 전송기를 제거하는 것에 의해 내재성 센싱 시스템을 단순화하는 것이고, 그래서 무선 라이센스가 필요하지 않다. 그것은 내재성 센싱 재료의 공명 주파수를 발견하기 위해 주변 무선 신호(ambient radio signal)를 이용한다. 이것을 하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 두 개의 안테나가 사용될 필요가 있으며, 하나는 내재성 센싱 재료 옆에 배치되고, 다른 하나는 그것으로부터 멀리 떨어진 곳에 배치된다. 상기 두 안테나 신호들이 비교되면, 내재성 센싱 재료로부터의 하나는 재료 공명 주파수에서 배경 무선 에너지(background radio energy)가 부족하게 될 것이나, 레퍼런스(reference) 안테나는 그렇지 않을 것이다.
따라서 믹싱 회로(또는 유사한 것)를 통하여 수집된, 안테나 신호들 사이의 차이는 상기 재료의 공명 주파수를 제공할 것이다.

Claims (26)

  1. 복수의 센싱 입자들이 임베디드된 매트릭스 구조물을 갖는 재료;
    안테나를 포함하는 수신기;
    상기 안테나와 상기 재료 사이의 RF 에너지의 교환을 가능하게 하는 커플링(coupling) 메카니즘; 및
    상기 재료의 기계적, 전기적 및 화학적 상태 중 적어도 하나를 결정하도록 배열된 회로;를 포함하며,
    상기 매트릭스 구조물은 엘라스토머 또는 에폭시 수지로 이루어지고, 상기 센싱 입자들은 상기 매트릭스 구조물 내에 분산되고 상기 매트릭스 구조물에 의해 둘러싸이고, 상기 센싱 입자들은 단일 벽 탄소 나노튜브, 다중 벽 탄소 나노튜브, 금 나노링, 자기 나노입자, 나노와이어 및 구형 나노입자 중 적어도 하나를 포함하는 나노입자를 포함하고, 상기 센싱 입자들은 센싱 입자들이 고조파 발생(harmonic generation)과 주파수 배가(frequency doubling)를 유도하는 비선형 성질을 보이도록 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질 또는 전자 분포를 갖고,
    상기 수신기는 소스 RF 신호 및 리턴된 RF 신호를 수신하도록 배열되고, 상기 리턴된 RF 신호는 상기 재료로부터 수신되며,
    상기 센싱 입자들의 상기 수송 성질 또는 전자 분포의 변화는 상기 소스 RF 신호를 변화시켜서, 상기 재료의 성질의 변화가 상기 리턴된 RF 신호로부터 결정될 수 있고,
    적어도 하나의 전송기(transmitter)를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전송기는 상기 소스 RF 신호를 전송하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들은 상기 재료의 유전 성질을 변경하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들은 상기 재료의 자기 성질을 변경하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들은 포어를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들의 공명 주파수는 상기 재료의 전기적 및/또는 기계적 성질의 변화에 의해 변하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들은, 공명이 상기 리턴된 RF 신호에서 유도되도록, 자기 변형(magnetostriction), 역압전기(converse piezoelectricity), 자기 디렉트 발생(magnetic direct generation) 또는 전자 커플링(electron coupling)을 통하여 상기 소스 RF 신호의 변화를 야기하는 입자들을 포함하는 센싱 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들의 공명 Q 인자는 상기 재료의 전기적 및/또는 기계적 성질의 변화에 의해 변하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들은, 상기 소스 RF 신호와의 상호 작용에서, 상기 리턴된 RF 신호에 상기 소스 RF 신호의 고조파 주파수를 발생시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료는 나노복합체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  12. 삭제
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 입자들은 상기 재료 내에 실질적으로 같은 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료의 성질의 상기 변화는 환경 변화에 응답하는 것이고, 상기 환경 변화는 상기 재료의 스트레스(stress), 스트레인(strain), 온도, pH, 수화(hydration), 부피 왜곡(volume distortion), 밀도 변동(density fluctuations), 오염, 라디에이션(radiation) 또는 아이싱(icing)에서의 변화인 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수신기는 트랜스시버이고,
    상기 트랜스시버에 의해 발생한 무선 신호는 펄스, 주파수, 상, 또는 디지털로 변조되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 시스템은, 상기 센싱 입자들 간 국부 상호작용을 모니터하기 위해, 상기 전송기에 의해 발생한 상기 소스 RF 신호의 두 배의 주파수에서 상기 리턴된 RF 신호 간 진폭 비를 결정하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 RF 신호는, 상기 재료의 성질의 상기 변화가 결정되는, 상기 재료의 사이트를 가열하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나는 방향 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나는 포물선 또는 상 어레이 안테나 구조 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는, 상기 재료를 포함하는 구조물의 미리 결정된 목표 사이트를 향하여 상기 소스 RF 신호를 보내도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  22. 삭제
  23. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 시스템은 시간의 함수로서 상기 재료의 공명 주파수를 결정하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료에 대하여 공간 정보를 획득하기 위해 상기 적어도 하나의 소스 RF 신호로부터 상기 리턴된 RF 신호들을 결합하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  25. 재료의 성질의 변화를 센싱하는 방법으로서,
    상기 재료는 복수의 센싱 입자들이 임베디드된 매트릭스 구조물을 갖고, 상기 매트릭스 구조물은 엘라스토머 또는 에폭시 수지로 이루어지고, 상기 센싱 입자들은 상기 매트릭스 구조물 내에 분산되고 상기 매트릭스 구조물에 의해 둘러싸이고, 상기 센싱 입자들은 단일 벽 탄소 나노튜브, 다중 벽 탄소 나노튜브, 금 나노링, 자기 나노입자, 나노와이어 및 구형 나노입자 중 적어도 하나를 포함하는 나노입자를 포함하고, 상기 센싱 입자들은 센싱 입자들이 고조파 발생(harmonic generation)과 주파수 배가(frequency doubling)를 유도하는 비선형 성질을 보이도록 상기 재료의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 응답하여 변하는 수송 성질 또는 전자 분포를 가지며,
    상기 재료에 소스 RF 신호를 제공하는 단계;
    상기 재료로부터 리턴된 RF 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 센싱 입자들의 상기 수송 성질 또는 전자 분포의 변화에 의해 야기되는 상기 리턴된 RF 신호의 변화로부터 상기 재료의 기계적, 전기적 및 화학적 상태 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 소스 RF 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 센싱 방법.
  26. 삭제
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