KR101852629B1 - 섬유 광학 가속도계 - Google Patents
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Abstract
섬유 광학 가속도계로서, 베이스 구조물, 제 1 힌지 요소를 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 1 진자, 제 2 힌지 요소를 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 2 진자, 광섬유가 제 1 및 제 2 힌지 구조물들을 중심으로, 각각 제 1 및 제 2 진자들의 변위에 의해 변하는 변형을 받게 하기 위해 제 1 및 제 2 부착 조인트들에서 제 1 및 제 2 진자들에 각각 결합되는 광섬유를 포함한다.
Description
본 발명은 일 양태에서 각각의 힌지 요소들을 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 1 및 제 2 진자(seismic mass)들을 포함하는 섬유 광학 가속도계에 관한 것이다. 광섬유가 제 1 및 제 2 진자들에 결합되어 광섬유는 제 1 및 제 2 힌지 구조물들을 중심으로 각각, 제 1 및 제 2 진자들의 변위에 대하여 변하는 변형을 받게 된다.
구조적 진동 또는 가속의 확실한 원격 감지를 위한 섬유 광학 가속도계들이 당업계에 공지되어 있다. 섬유 광학 가속도계들은 전자기 및 기계적 간섭에 대한 무감각성, 양호한 다중 성능 및 연결 케이블류의 연장된 길이들의 지지와 같은 몇몇의 바람직한 특성들을 지닌다. 이러한 특성들은 섬유 광학 가속도계들이 풍력 에너지, 석유 및 가스 탐사, 항공 우주 등과 같은 원격의 가혹한 환경들이 종종 만연하는 다양한 특별한 분야들에 대한 최선의 선택이 되게 한다.
US 6,891,621 B2 는 가혹한 환경들에 대하여 매우 민감한 가속도계를 기재하고 있다. 가속도계는 힌지에 의해 베이스부에 결합되는 진자를 포함한다. 진자는 가속도계에 인가되는 수평력에 반응하여 힌지 주위에서 진자 운동(pendulum motion)을 수행한다. 광섬유들의 쌍이 가속도계의 하우징과 베이스부 사이에서 가속도계로의 수평력의 인가 동안 광섬유들이 교대로 변형을 받고 압축되는 방식으로 상호 연결된다.
하지만, 당업계에서 더 낮은 비용들로 그리고 개선된 작동 대역폭 및 다이내믹 레인지(dynamic range)와 같은 더 높은 측정 정확성을 갖고 제작될 수 있는 개선된 섬유 광학 가속도계들을 제공할 필요가 존재한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 섬유 광학 가속도계가 제공되며, 이 섬유 광학 가속도계는 :
- 베이스 구조물,
- 제 1 힌지 요소를 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 1 진자,
- 제 2 힌지 요소를 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 2 진자,
- 광섬유가 제 1 및 제 2 힌지 구조물들을 중심으로 각각, 제 1 및 제 2 진자들의 변위에 의해 변하는 변형을 받도록, 각각 제 1 및 제 2 부착 조인트들에서 제 1 및 제 2 진자들에 결합되는 광섬유를 포함한다.
제 1 및 제 2 힌지 요소들은 가속에 반응하여 제 1 및 제 2 부착 조인트들의 변위가 대향적으로 배향되는 것을 보장한다. 제 1 및 제 2 진자들은 따라서 제 1 및 제 2 진자들의 합과 동일한 매스를 갖는 단일 진자의 변위에 의해 제공되는 것과 같은 동일한 힘으로 광섬유를 변형 또는 압축하기 위해 협동한다. 하지만, 제 1 및 제 2 진자들의 독립적인 운동 때문에, 더 높은 주파수의 공진이 본 섬유 광학 가속도계에서 달성될 수 있고 이는 더 큰 작동 주파수 범위로 유도한다. 게다가, 섬유 광학 가속도계의 감도가 단일 진자를 갖는 가속도계에 대하여 두 배가 되는데 이는 제 1 및 제 2 진자들 양쪽이 가속에 반응하여 제 1 광섬유에 변형을 부여하기 때문이다.
본 섬유 광학 가속도계는 측정된 가속을 나타내는 광학 판독 메카니즘을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 제 1 및 제 2 부착 조인트들 사이에서 연장하는 광섬유의 섹션이 섬유 브래그 격자(Fibre Bragg grating; FBG)를 포함한다. FBG 는 미리 정해진 축선을 따른 가속도계의 가속의 측정으로서 광섬유의 변형을 나타내는데 사용된다. 이러한 실시예에서, 광섬유는 프리 텐션될(pre-tensioned) 수 있어서 미리 정해진 레벨의 변형이 정지(quiescent) 조건, 즉 제로 가속 하에서 광섬유에 부여되게 된다. 가속 하에서, FBG 를 포함하는 섬유 구역 내의 변형의 유도된 레벨은 즉각적인 가속에 따라 미리 정해진 레벨의 변형 주위로 동역학적으로 변한다. 이는 FBG 로부터 반사되는 빛의 파장 변경을 측정함으로써 검출될 수 있는 변형을 받은 섬유 구역 내의 변형의 대응하여 교대하는 레벨로 유도한다.
또한 광학 판독 메카니즘을 이용하는, 다른 실시예는 제 1 및 제 2 부착 조인트들 사이의 변형을 받은 섬유 구역 외측에, 예컨대 부착 조인트들의 각각의 측 상에 외측으로 놓이는 2 개의 FBG 들에 의해 형성되는 파브리 페로 공진기(Fabry-Perot resonator)를 포함한다. 광학 가속도계들을 기본으로 하는 이러한 간섭계를 위해, 뿐만 아니라 상기 설명된 단일 FBG 를 위해, 광학 검출 계획은 광 강도, 광 파장 또는 심지어 전달되는 또는 반사되는 빛의 광학 페이스 중 하나의 복조(demodulation)에 의존할 수 있다.
본 섬유 광학 가속도계는 바람직하게는 외부 환경의 오염물들로부터 이동 가능하고 민감한 내부 구성요소들을 보호하기 위해 밀폐식으로 밀봉된 변환기 하우징 내에 포장된다. 광학 커넥터들의 쌍이 분리 가능하고 다목적의 섬유 광학 가속도계를 제공하기 위해 변환기 하우징과 편리하게는 일체형으로 될 수 있다.
하나의 실시예에서, 제 1 및 제 2 힌지 요소들은 공통 수평 평면 내에 배열된다. 게다가, 제 1 진자의 무게 중심(centers of gravity) 및 제 2 진자의 무게 중심은 바람직하게는 공통 수평 평면 내에 배열된다. 제 1 및 제 2 힌지 요소들로서 동일한 수평 평면 내의 제 1 및 제 2 진자들의 각각의 무게 중심들의 변위가 교차하는 축방향 감도, 즉 섬유 광학 가속도계의 의도되는 감도 축선에 수직인 방향으로의 가속에 대한 감도를 감소시키는 역할을 한다. 이러한 교차하는 축방향 감도의 감소는 베이스 구조물에 대한 제 1 및 제 2 진자들의 변위가 공통 수평 평면을 따른 가속에 대하여 대부분 방지되기 때문에 달성된다.
본 발명의 유리한 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물은 동일한 재료로 형성된다. 제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물은 섬유 광학 가속도계의 일관된 코어를 형성하기 위해 성형될 수 있다. 제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물은 대안적으로는 밀링 또는 커팅과 같은 기계가공 공정들에 의해 단일 고체 대상으로부터 제작될 수 있다. 섬유 광학 가속도계 코어의 일관된 또는 일원화된 구조 때문에, 비용 효과적인 제작 및 조립 방법론이 제공된다. 또한, 감도, 작동 주파수 범위 및 치수들과 같은 섬유 광학 가속도계의 주요 성능 측정 기준은 간단하게는 제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물 중 하나 또는 둘 이상의 적절한 치수들을 변경함으로써 매우 효율적인 방식으로 구체적인 분야들에 맞추어지거나 적응될 수 있다. 게다가, 또는 대안적으로, 제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물이 형성되는 재료는 주요 성능 측정 기준을 바람직한 목표 측정 기준으로 적응시키도록 변경될 수 있다.
제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물은 {볼프람(Wolfram), 스테인리스 강, 황동(brass), 구리, 티타늄, 규소}의 그룹으로부터 선택되는 금속과 같은 금속성 재료로 제공될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 힌지 요소들은 베이스부에 인접한 제 1 및 제 2 진자들 내에 각각 절개부들 또는 핀치(pinch)들을 포함한다. 이러한 절개부들은 종래의 밀링 또는 커팅 기법들에 의해 효율적인 방식으로 생성될 수 있다. 또한, 이러한 절개부들의 물리적 특징들은, 예컨대 폭 및/또는 높이에 관하여, 수정될 수 있고, 이에 의해 빠르고 비용 효율적인 방식으로 구체적인 목표 측정 기준으로 섬유 광학 가속도계의 성능 측정 기준을 적응시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제 1 레버가 광섬유 상의 제 1 부착 조인트와 제 1 진자 사이에 연장하고, 제 2 레버가 광섬유 상의 제 2 부착 조인트와 제 2 진자 사이에 연장한다. 제 1 및 제 2 레버들은 제 1 및 제 2 힌지 구조물들을 중심으로 제 1 및 제 2 진자들의 특정한 변위에 의해 제 1 및 제 2 부착 조인트들 사이의 광섬유 단면에 인가되는 변형의 레벨을 증가시키도록 변형력 증폭을 제공한다. 변형력 증폭의 양은 제 1 거리 비(distance ratio)에 의존한다. 제 1 거리 비는 제 1 힌지 요소와 제 1 진자의 무게 중심 사이의 거리에 대한 광섬유 상의 제 1 부착 조인트와 제 1 힌지 요소 사이의 거리로서 설정된다. 이러한 제 1 거리 비는 2 또는 3 또는 5 보다 더 클 수 있다. 바람직하게는, 대응하는, 또는 제 2 힌지 요소와 제 2 진자의 무게 중심 사이의 거리에 대한 제 2 힌지 요소와 제 2 부착 조인트 사이의 거리에 적절한 제 2 거리 비는 실질적으로 제 1 거리 비와 동일하다.
각각의 제 1 및 제 2 레버들은 적절한 부착 메카니즘에 의해 각각의 진자들에 부착 또는 결합되는 별개의 요소들로서 제공될 수 있거나 또는 대안적으로는 예컨대 이전에 논의된 단일 고체 대상물의 기계가공에 의해 각각의 진자들과 일체형으로 형성될 수 있다.
본 섬유 광학 가속도계의 핵심 구성요소들은 바람직하게는 섬유 광학 가속도계를 통하여 연장하는 중앙 수직 평면 주위에 대칭으로 배열된다. 하나의 실시예에서 제 1 및 제 2 진자들, 제 1 및 제 2 힌지 요소들 그리고 베이스 구조물은 중앙 수직 평면을 중심으로 대칭으로 배열된다. 이는 제작을 간소화하고 더 균일한 주파수 반응을 제공하고 의도되는 감도 축선 외의 다른 축선들을 따른 가속에 대한 감도를 최소화한다.
저비용 제작을 위해 특히 적합한, 본 섬유 광학 가속도계의 하나의 실시예에 따르면 제 1 및 제 2 진자들은 광섬유를 향하여 제 1 및 제 2 힌지 요소들의 공통 수평 평면 상에 배열되고 베이스 구조물은 공통 평면 아래에 배열된다. 이전에 설명된 것과 같이, 제 1 및 제 2 힌지 요소들은 절개부들 그 자체가 제 1 및 제 2 진자들과 베이스 구조물 사이의 물리적 분리부들 또는 경계들을 형성하도록 베이스 구조물에 인접하거나, 또는 이 베이스 구조물 안으로 연장하는 제 1 및 제 2 진자들 내의 각각의 절개부들 또는 핀치들로서 형성될 수 있다.
본 섬유 광학 가속도계에는 진동 측정 분야의 특별한 타입의 바람직한 성능 측정 기준 및 제약들에 의존하는 매우 가변적인 치수들이 제공될 수 있거나 또는 매우 가변적인 치수들로 제작될 수 있다. 하나의 실시예에서, 수평 평면 내의 베이스 구조물의 최대 치수는 4 ㎜ 내지 40 ㎜, 바람직하게는 8 ㎜ 내지 20 ㎜ 사이이다. 섬유 광학 가속도계는 10 ㎜ 내지 15 ㎜ 와 같은 8 ㎜ 내지 80 ㎜ 인 수직 축선을 따른 최대 치수를 가질 수 있다.
섬유 광학 가속도계의 매스는 증가하는 치수들이 증가하는 가속도계 매스를 유도하도록 일반적으로 그의 치수들을 따를 것이다. 복수의 유용한 실시예들은 5 그램과 100 그램과 같은 2 그램과 400 그램의 가속도계 매스들을 갖는다. 이러한 바람직한 가속도계 매스 범위들은 보통 변환기 하우징 및 가능하게는 하나 또는 둘 이상의 섬유 광학 커넥터들을 포함하는 포장된 작동 섬유 광학 가속도계를 위한 매스를 명시한다.
섬유 광학 가속도계는 바람직하게는 외부 환경에 대하여 제 1 및 제 2 진자들 및 제 1 및 제 2 힌지 요소들을 에워싸고 밀봉하는 상기 언급된 변환기 하우징을 포함한다. 변환기 하우징은 바람직하게는, 외부 환경의 오염물들로부터, 상기 언급된 제 1 및 제 2 진자들 그리고 제 1 및 제 2 힌지 요소들과 같은, 섬유 광학 가속도계의 이동 가능하고 깨지기 쉬운 내부 구성요소들을 캡슐화하고 보호하기 위해 외부 환경에 대하여 밀폐식으로 밀봉된다. 변환기 하우징은 나사 가공, 글루잉(gluing), 용접, 크림핑(crimping), 가압 끼워맞춤, 납땜 등과 같은 적절한 부착 메카니즘에 의해 베이스 구조물에 부착될 수 있다.
변환기 하우징은 포장된 섬유 광학 가속도계 내측의 변형을 받은 광섬유를 가속 판독 목적들을 위한 외부 원격 광대역 광원에 광학적으로 결합하기 위해 하나 또는 둘 이상의 광섬유 커넥터들을 포함할 수 있다. 각각의 광섬유 커넥터들은 외부 변형, 응력 및 오염물들에 대하여 광섬유 커넥터들을 보호하는 보호성 탄성 부싱들의 각각의 하나 내에 에워싸일 수 있다. 최종적으로, 변환기 하우징은 각각의 광섬유 커넥터들과 광섬유의 변형을 받은 부분(감지 요소) 사이에 위치되는 광섬유의 완충된(buffered) 길이들을 지지할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태는 :
- 베이스 구조물,
- 제 1 힌지 요소를 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 1 진자,
- 광섬유가 제 1 힌지 구조물을 중심으로 제 1 매스의 변위에 의해 변하는 변형을 받게 하기 위해 제 1 부착 조인트에서의 제 1 진자와 제 2 부착 조인트 사이에 결합되는 광섬유를 포함하는, 섬유 광학 가속도계에 관한 것이다. 제 1 진자, 제 1 힌지 요소 및 베이스 구조물은 주조, 에칭 또는 기계가공에 의해 단일 고체 대상물로부터 제작된다.
본 발명의 이러한 제 2 양태에 따르면, 제 1 진자, 제 1 힌지 요소 및 베이스 구조물은 주조, 에칭 또는 기계가공에 의해 단일 고체 대상물로부터 제작된다. 섬유 광학 가속도계의 코어의 일원화된 구조 때문에, 비용 효과적인 제작 및 조립 방법론이 제공된다. 또한, 감도, 작동 주파수 범위 또는 치수들과 같은 중요한 성능 측정 기준 및 수치들은 간단하게는 제 1 진자, 제 1 힌지 요소 및 베이스 구조물 중 하나 또는 둘 이상의 적절한 치수들을 변경함으로써 매우 효율적인 방식으로 구체적인 분야들에 맞추어질 수 있다. 게다가 또는 대안적으로는, 제 1 진자, 제 1 힌지 요소 및 베이스 구조물이 형성되는 재료는 특별한 분야에 의해 부과되는 성능 측정 기준 또는 제약들을 충족시키도록 맞추어질 수 있다. 본 섬유 광학 가속도계의 관련 구성요소(들)의 치수들의 변경은 프로그램 가능한 수치적으로 제어되는 밀링 기계의 적절한 파라미터들을 수정함으로써 편리하게 실행될 수 있다. 힌지 요소들의 치수들이 수정되는, 이러한 적응 방법론의 효과의 하나의 예는, 첨부된 도면 5 의 설명과 연관하여 더 상세하게 이하에서 설명된다.
바람직한 실시예에 따르면, 섬유 광학 가속도계는 제 2 힌지 요소를 통하여 베이스 구조물에 이동 가능하게 결합되는 제 2 진자를 또한 포함하고 광섬유는 제 2 부착 조인트를 통하여 제 2 진자에 결합된다. 2 개의 진자들 사이에 광섬유를 장착시킴으로써, 가속에 반응하는 제 1 및 제 2 부착 조인트들의 변위는 적절한 가속도계 설계에 의해 대향적으로 배향될 수 있다. 후자의 실시예에서, 제 1 및 제 2 진자들은 따라서 이전에 설명된 것과 같은 제 1 및 제 2 진자들의 합과 동일한 매스를 갖는 단일 진자의 변위에 의해 제공되는 것과 동일한 힘으로 광섬유를 변형 또는 압축하기 위해 협동한다. 명백하게는, 제 1 양태에 관하여 상기 논의된 다양한 본 발명의 실시예들의 특징들은 본 발명의 제 2 양태에 따른 2 개의 독립적으로 이동 가능한 진자들을 갖는 섬유 광학 가속도계에서 또한 유용하다. 하나의 이러한 실시예에서, 섬유 광학 가속도계의 제 1 및 제 2 힌지 요소들은 공통 수평 평면 내에 배열된다.
본 발명의 제 3 양태는 섬유 광학 가속도계를 갖는 원격 진동성 구조물의 가속 검출 방법에 관한 것이고 이 가속 검출 방법은 :
- 임의의 상기 언급된 실시예에 따른 섬유 광학 가속도계를 진동성 구조물에 부착시키는 단계,
- 광학 전달 섬유를 섬유 광학 가속도계의 광섬유에 광학적으로 결합시키는 단계,
- 광대역 광원, 예컨대 적외선 소스를 광학 전달 섬유에 적용하는 단계,
- 섬유 광학 가속도계로부터 반사되는 빛의 파장을 검출하는 단계,
- 반사된 빛의 파장을 복조함으로써 섬유 광학 가속도계의 가속을 판정하는 단계,
를 포함한다.
이러한 방법론에 따르면, 가속 판독은 전자기 및 기계적 간섭에 대한 무감각성, 좋은 다중화 능력 및 연결 케이블류의 연장된 길이들의 지지를 생성하기 위해 광학 영역(domain)에서 수행된다. 진동 검출 시스템은 섬유 광학 가속도계들이 유입하는 광대역 빛이 섬유 광학 가속도계들 각각을 통과하는 것을 가능하게 하는 광학 입구들 및 출구들 모두를 포함한다면 캐스케이드형(cascaded) 또는 데이지 체인형(daisy-chained)인 복수의 섬유 광학 가속도계들을 포함할 수 있다. 복수의 섬유 광학 가속도계들의 각각으로부터 반사되는 빛의 파장은 임의의 특별한 섬유 광학 가속도계에 대한 반사된 빛의 개별적인 검출 또는 복조를 가능하게 하기 위해 상이한 파장들로 개별적으로 조정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들과 연괄되어 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 섬유 광학 가속도계에서 사용하기 위한 섬유 광학 가속도계 코어의 3D 사시도이고,
도 2 의 a) 및 b) 는 도 1 에 묘사된 섬유 광학 가속도계 코어의 정면 및 측면 개략도들이고,
도 3 은 광섬유가 장착된 도 1 및 도 2 에 묘사된 섬유 광학 가속도계 코어의 3D 사시도이고,
도 4 의 a) 및 b) 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 섬유 광학 가속도계 코어의 3D 사시도이고,
도 5 는 상이한 치수들의 힌지 요소들을 갖는 3 개의 상이한 변형예들에서의 도 1 및 도 2 에 묘사된 코어를 기본으로 하는 섬유 광학 가속도계에 대한 주파수 대 가속도계 출력 감도의 그래프이고,
도 6 은 도 4 의 a) 및 b) 에 묘사된 가속도계 코어를 포함하는 포장된 또는 마무리된 섬유 광학 가속도계의 3D 도면이다.
도 2 의 a) 및 b) 는 도 1 에 묘사된 섬유 광학 가속도계 코어의 정면 및 측면 개략도들이고,
도 3 은 광섬유가 장착된 도 1 및 도 2 에 묘사된 섬유 광학 가속도계 코어의 3D 사시도이고,
도 4 의 a) 및 b) 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 섬유 광학 가속도계 코어의 3D 사시도이고,
도 5 는 상이한 치수들의 힌지 요소들을 갖는 3 개의 상이한 변형예들에서의 도 1 및 도 2 에 묘사된 코어를 기본으로 하는 섬유 광학 가속도계에 대한 주파수 대 가속도계 출력 감도의 그래프이고,
도 6 은 도 4 의 a) 및 b) 에 묘사된 가속도계 코어를 포함하는 포장된 또는 마무리된 섬유 광학 가속도계의 3D 도면이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 섬유 광학 가속도계 코어(1)를 묘사하는 도면이다. 섬유 광학 가속도계 코어(1) 또는 코어는 제 1 힌지 요소(8)를 통하여 제 1 진자(13)에 이동 가능하게 결합되는 본질적으로 원통형 또는 디스크 형상의 베이스 구조물(3)을 포함한다. 제 2 진자(11)는 마찬가지로 제 2 힌지 요소(10)를 통하여 베이스 구조물(3)에 이동 가능하게 결합된다. 제 1 진자(13)는 하부 반원통형 디스크(13)의 형태인 2 개의 일체로 형성된 부분들 및 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 수직 축선(도시되지 않음)을 따라 하부 반원통형 디스크(13)로부터 돌출하는 레버(7a)를 포함한다. 유사한 형상의 제 2 진자(11)가 하부 반원통형 디스크의 형태인 2 개의 일체로 형성된 부분들 및 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 수직 축선(도시되지 않음)을 따라 하부 반원통형 디스크로부터 연장하는 다른 또는 제 2 레버(7b)를 포함한다.
제 1 힌지 요소(8)는 원통형 형상의 베이스 구조물(3) 및/또는 제 1 진자(13) 내의 수평 절개부, 핀치 또는 컷아웃(cutout)(5)에 의해 형성된다. 제 1 힌지 요소(8)의 치수들은 섬유 광학 가속도계의 전체 치수들로 조절될 수 있다. 힌지 요소들(8, 10)의 재료 및 치수들을 제어함으로써, 순응성(compliance) 또는 강성은 특별한 분야의 요구사항들로 편리하게 제어되고 적응될 수 있다. 힌지 요소들의 치수들이 변하는 효과는 이하에 도 5 와 연관하여 더 상세하게 논의된다.
본 발명의 본 실시예에서, 힌지 요소(8)의 폭은 0.25 ㎜ 내지 0.75 ㎜ 이며 힌지 요소(8)의 높이 또는 두께는 0.5 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 이다. 폭은 중앙 수직 컷아웃(12)에 의해 형성되는 수직 중앙 베이스 벽으로부터 수평 컷아웃(5)에 평행하게 연장하는 수평 평면을 따라 측정된다. 힌지 요소(8)의 두께는 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 수직 축선(도시되지 않음)을 따라 측정되는 수평 컷아웃(5)의 높이에 대응한다.
유사한 형상의 제 2 힌지 요소(10)가 원통형 형상의 베이스 구조물(3) 및/또는 제 2 진자(11) 내의 다른 또는 제 2 수평 절개부, 핀치 또는 컷아웃(17)에 의해 형성된다. 제 2 힌지 요소(10)의 치수들은 바람직하게는 제 1 힌지 요소(8)의 치수들과 동일하다.
제 1 진자(13)의 레버(7a)의 편평한 정상 부분이 광섬유(도시되지 않음)의 수용을 위한 형상 및 크기의 수평으로 연장하는 그루브(9a)를 포함하고 이 광섬유는 그루브(9a)를 통하여 그리고 제 2 진자(11)의 제 2 레버(7b)의 편평한 정상 부분 내에 새겨진 대응적인 형상의 그루브(9b)를 통하여 수평으로 연장한다. 광섬유는 글루잉, 용접, 크림핑, 가압 끼워맞춤, 납땜 등과 같은 적절한 부착 메카니즘에 의해 적어도 부분적으로는 그루브(9a)를 통하여 연장하는 제 1 부착 조인트에서 제 1 진자(13)에 단단하게 부착 또는 결합된다. 광섬유의 다른 부분은 마찬가지로 적어도 부분적으로는 그루브(9b)를 통하여 연장하는 제 2 부착 조인트에서 제 2 진자(11)에 단단하게 부착 또는 결합된다. 따라서, 섬유 광학 가속도계 코어(1)는 화살표(15)에 의해 나타낸 방향으로 그의 수직 축선을 따라 왕복 가속을 받을 때, 제 1 및 제 2 레버들 사이에 수평으로 연장하는 광섬유의 부분은 제 1 및 제 2 진자들(13, 11)의 대향적으로 지향되는 변위에 의해 변하는 변형력을 받게 된다.
제 1 및 제 2 부착 조인트들 사이에 수평으로 연장하는 섬유 브래그 격자(FBG) 구역에서의 빛 반사는 첨부된 도면 3 의 설명과 연관하여 이하에 추가적으로 상세하게 설명되는 것과 같이 광섬유 내의 변하는 변형력을 측정 또는 판정하는데 사용될 수 있다.
도시된 것과 같이, 섬유 광학 가속도계 코어(1)는 바람직하게는 중앙 수직 컷아웃(12)을 통하여 중앙적으로 연장하는 수직 평면을 중심으로 대칭이다.
베이스 구조물(3)은 10 ㎜ 와 같은 8 ㎜ 내지 12 ㎜ 의 직경을 가질 수 있다. 대응하는 높이는 6 내지 12 ㎜ 일 수 있다.
섬유 광학 가속도계 코어(1)는 바람직하게는 일원화된 또는 단일 부품 섬유 광학 가속도계 코어(1)를 제공하기 위해 예컨대 밀링 또는 마이크로 기계가공에 의해 금속성 재료의 덩어리 또는 단일 고체 금속성 부품을 기계가공함으로써 제작된다. 금속성 부품 또는 덩어리는 텅스텐, 스테인리스 강, 황동, 구리 또는 티타늄을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 진자들(13, 11)(제 1 및 제 2 레버들(7a, 7b), 제 1 및 제 2 힌지 요소들(8, 10), 그리고 베이스 구조물(3)을 포함)의 이러한 일체형 형성은 전통적인 가속도계 구조물들의 많은 작은 개별 구성요소들 또는 부분들의 취급 및 조립 단계들을 제거하는 매우 시간 및 비용 효과적인 제작 방법론을 지지한다.
도 2 의 a) 및 b) 는 도 1 에 묘사된 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 개략적인 2D 정면도 및 측면도들이다. 제 1 및 제 2 힌지 요소들(8, 10)은 파선(20)으로 나타낸 공통 수평 평면 내에 배열된다. 본 발명의 본 실시예에서, 제 1 진자(13)의 무게 중심이 제 1 및 제 2 힌지 요소들(8, 10)의 공통 수평 평면(20)에 대하여 상방으로 수직으로 변위된다. 마찬가지로, 제 2 진자(10)의 무게 중심이 공통 수평 평면(20)에 대하여 상방으로 수직으로 변위된다.
도 3 은 광섬유(30)가 장착된 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 3D 사시도의 비례도(scaled drawing)이다. 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 치수들은 스케일(31)로 나타내어지고 표시된 값들은 미터의 단위이다.
제 1 및 제 2 레버들(9a, 9b) 상의, 각각의 제 1 및 제 2 부착 조인트들 사이에서 연장하는 광섬유(30)의 변형을 받는 구역이 섬유 브래그 격자(FBG)를 포함한다. FBG 는 본 가속도계의 감지 축선인 수직 축선(15)을 따라 가속도계 가속의 측정으로서 광섬유의 변하는 변형을 검출하는데 사용된다. 광섬유(30)는 바람직하게는 프리 텐션되어서 미리 정해진 변형이 광섬유에 부여된다. 섬유 광학 가속도계의 작동은 이하와 같다 : 가속이 수직 축선(15)을 따라 섬유 광학 가속도계에 인가될 때, 제 1 및 제 2 진자들(13, 11)은 이들 각각의 힌지 요소들을 중심으로 변위된다. 제 1 및 제 2 부착 조인트들(9a, 9b)은 서로 접근하거나 서로로부터 멀어져 이동하도록 대향하는 실질적으로 수평 방향들로의 변위에 반응한다. 이러한 운동은 FBG 를 포함하는 변형된 섬유 구역(30) 내의 변형의 증가 또는 감소로 전환(transform)된다. 이러한 변하는 변형은 FBG 로부터 반사된 빛의 파장 변경을 측정함으로써 검출될 수 있다. 반사된 빛은, 섬유 광학 가속도계로부터 멀리 위치된, 예컨대 1550 ㎚ LED 를 포함하는, 광대역 광원에 의해 발생되는 입사광이 원인일 수 있다. 입사 광대역 빛은 섬유 광학 가속도계에 결합되는 전달 광섬유를 통하여 섬유 광학 가속도계로 전달될 수 있다. 전달 섬유는 따라서 입사 광대역 빛을 섬유 광학 가속도계로 운반하고 섬유 광학 가속도계로부터 협대역(narrowband) 반사된 빛을 복귀시키는 양쪽을 책임진다. 대안적으로는, 전달된 광대역 빛의 흡수 하락(absorption dip)이 FBG 에 의해 유도되는 파장 변경을 판정하기 위해 검출될 수 있다.
협대역 반사된 빛의 파장은 이하의 등식(1)으로부터 판정될 수 있다 :
여기서 :
Δλ = 반사된 파장의 변경;
λo = 변형이 없는 조건들 하에서 반사된 파장;
ζ = 탄성 광학 계수(변형 하에서의 상대 굴절률)
ε = 광섬유의 길이방향 변형이다.
도 4 의 a) 는 본 섬유 광학 가속도계의 제 2 실시예에 따른 섬유 광학 가속도계 코어(40)의 측면도이고 도 4 의 b) 는 섬유 광학 가속도계 코어(40)의 제 2 실시예의 3D 사시도이다.
본 발명의 제 1 실시예와 비교하면, 본 섬유 광학 가속도계 코어(40)는 표차하는 축방향 가속 감도의 감소, 즉 도 4 의 a) 상의 수직 화살표(55)를 따른 가속의 나타낸 방향에 수직인 방향으로의 가속의 감소를 제공한다.
섬유 광학 가속도계 코어(40) 또는 도 4 의 b) 상의 코어는 제 1 힌지 요소(48)를 통하여 제 1 진자(53)에 이동 가능하게 결합되는 단차식 원통형 또는 디스크 형상의 베이스 구조물(43)을 포함한다. 제 2 진자(51)는 마찬가지로 제 2 힌지 요소(50)를 통하여 단차식 디스크 형상의 베이스 구조물(43)에 이동 가능하게 결합된다. 제 1 진자(53)는 하부 불규칙한 일반적으로 반원통형 디스크의 형태인 2 개의 일체로 형성된 부분들 및 섬유 광학 가속도계 코어(40)의 수직 축선(도시되지 않음)을 따라 하부 반원통형 디스크로부터 돌출하는 레버(47a)를 포함한다. 유사한 형상의 제 2 진자(51)는 하부 불규칙한 일반적으로 반원통형 디스크의 형태인 2 개의 일체로 형성된 부분들 및 섬유 광학 가속도계 코어(40)의 수직 축선(도시되지 않음)을 따라 하부 반원통형 디스크(51)로부터 연장하는 다른 또는 제 2 레버(47b)를 포함한다.
제 1 힌지 요소(48)가 단차식 디스크 형상의 베이스 구조물(43) 및/또는 제 1 진자(53) 내의 절개부, 핀치 또는 컷아웃(45)에 의해 형성된다.
제 1 힌지 요소(48)의 치수들은 섬유 광학 가속도계의 전체 치수들로 조정될 수 있다. 각각의 힌지 요소들(48, 50)의 재료 및 치수들을 제어함으로써, 순응성 또는 강성이 특별한 분야의 요구사항들로 편리하게 제어되고 적응될 수 있다.
유사한 형상의 제 2 힌지 요소(50)가 원통형 형상의 베이스 구조물(43) 및/또는 제 2 진자(51) 내의 다른 또는 제 2 절개부, 핀치 또는 컷아웃(57)(도 4 의 b) 참조)에 의해 형성된다. 제 2 힌지 요소(50)의 치수들은 바람직하게는 제 1 힌지 요소(48)의 치수들과 동일하다. 제 1 진자(53)의 제 1 레버(47a)의 정상 부분이 광섬유(도시되지 않음)의 수용을 위한 형상 및 크기의 수평으로 연장하는 그루브 또는 오목부(indent)(49a)를 포함하고 이 광섬유는 그루브(49a)를 통하여 그리고 제 2 진자(51)의 제 2 레버(47b)의 정상 부분에 새겨진 대응적인 형상의 그루브(49b)를 통하여 수평으로 연장한다. 장착될 때 광섬유(30)는 글루잉, 용접, 크림핑, 납땜 등과 같은 적절한 부착 메카니즘에 의해 적어도 부분적으로는 그루브(49a)를 통하여 연장하는 제 1 부착 조인트에서 제 1 진자(53)에 단단하게 부착 또는 결합된다. 광섬유의 다른 부분은 마찬가지로 적어도 부분적으로는 제 2 그루브(49b)를 통하여 연장하는 제 2 부착 조인트에서 제 2 진자(51)에 단단하게 부착 또는 결합된다. 본 발명의 제 1 실시예와 연관하여 이전에 설명된 것과 같이 섬유 광학 가속도계 코어(40)가 화살표(55)에 의해 나타낸 수직 축선을 따라 왕복 가속을 받을 때, 제 1 및 제 2 레버들(47a, 47b)사이에 수평으로 연장하는 광섬유의 변형을 받은 부분은 가변 변형력을 받게 된다. 가변 변형력은 제 1 및 제 2 부착 조인트들의 대향적으로 배향되는 본질적으로는 수평 변위에 의해 야기되는데 이는 가속에 반응하여 제 1 및 제 2 진자들(53, 51)의 힌지 요소들 주위로 제 1 및 제 2 진자들의 대향적으로 지향된 변위에 의해 야기된다.
제 1 및 제 2 힌지 요소들(48, 50)은 도 4 의 a) 상에 파선(70)으로 나타낸 공통 수평 평면 내에 배열된다. 제 1 실시예와 비교하면, 본 실시예는 제 1 및 제 2 힌지 요소들(48, 50)을 또한 포함하는 공통 수평 평면(70) 내에 배열되는 제 1 진자의 무게 중심 및 제 2 진자의 무게 중심을 갖는다. 이는 섬유 광학 가속도계의 교차하는 축방향 감도, 즉 파선(70)을 따라 배향되는 가속에 대한 감도를 효과적으로 최소화하는데 제 1 및 제 2 진자들(53, 51)의 변위가 이러한 조건들 하에서 대부분 방지되기 때문이다.
제 1 진자(53)의 외부 표면이 부착 조인트(49a)로부터 아래로 베이스(43) 근처의 연결 지점으로 광섬유를 제 위치에 고정시키는 광섬유를 위한 새겨진 얕은 안내 채널(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 대응하는 얕은 안내 채널이 제 2 진자(51)의 외부 표면 내에 또한 새겨진다. 얕은 안내 채널들은 광섬유가 말려질 수 있는 섬유 가속도계의 단차식 원통형 또는 디스크 형상의 베이스 구조물(43)에 이르기까지 잘 규정된 방식으로 광섬유를 안내하는 것 외에 광섬유의 안내되는 부분의 적절하게 제한된 곡률 반경을 유지하고 지지하는 몇몇의 목적들을 위해 유익하다.
도 5 는 도 1 및 도 2 에 묘사된 코어를 기본으로 하는 실험적인 섬유 광학 가속도계에 대한 주파수 대 측정된 가속도계 출력 감도의 그래프(60)이다. 섬유 광학 가속도계는, 최대 감도의 축선인, 수직 방향, 즉 도 1 의 화살표(15)에 의해 나타낸 방향의 미리 정해진 가속을 받았다. 실험적 섬유 광학 가속도계 코어(1)의 3 개의 상이한 변형예들은 본 섬유 광학 가속도계의 확장성을 입증하기 위해 상이한 치수들의 힌지 요소들을 갖고 티타늄으로 제작되었다. 하부 곡선(63)은 0.5 ㎜ 의 높이 또는 두께 그리고 약 0.75 ㎜ 의 폭의 힌지 요소를 갖는 코어 또는 제 1 광학 가속도계 코어 상에서 측정되었다. 중간 및 상부 곡선들(62, 61) 각각은 0.5 ㎜ 및 0.25 ㎜ 의 힌지 요소 폭에 대한 측정된 가속도계 출력 감도를 나타낸다. 예상된 것과 같이, 실험적 섬유 광학 가속도계의 고주파 공진은 힌지 요소의 증가하는 순응성 때문에 힌지 요소 폭의 감소에 따라 감소한다. 마찬가지로, 실험적 섬유 광학 가속도계의 작동 주파수 범위(즉, 고주파 공진 한참 아래)를 통하는 출력 감도는 주어진 가속에 대하여 광섬유에 증가하는 변형을 부여하는 증가하는 변형을 나타내는 힌지 요소 두께의 감소에 따라 증가한다. 힌지 요소 폭의 본 조절은 본 섬유 광학 가속도계의 성능 측정 기준이 종래의 효과적인 방식으로 섬유 광학 가속도계 코어의 선택된 특징들의 간단한 기하학적 치수들을 변경함으로써 특별한 목표 측정 기준으로 어떻게 맞추어질 수 있는지를 보여주는 단지 하나의 예를 나타낸다.
도 6 은 도 4 의 a) 및 b) 에 묘사된 가속도계 코어(40)를 포함하는 포장된 또는 마무리된 섬유 광학 가속도계(75)의 3D 도면이다. 컵 형상의 상부 하우징 부분(65)은 제 1 및 제 2 진자들(53, 51)(도 4 의 b) 참조) 그리고 제 1 및 제 2 힌지 요소들(48, 50)을 에워싼다. 컵 형상의 상부 하우징 부분(65)은 코어를 캡슐화하고 외부 환경의 오염물들로부터 이동 가능하고 깨지기 쉬운 내부 구성요소들을 보호하기 위해 단차식 디스크 형상의 베이스 구조물(43)(도 4 의 b) 참조)의 상부 표면과 접촉한다. 한 쌍의 광섬유 커넥터들(도시되지 않음)이 외부 변형, 응력 및 오염 약품들에 대하여 광섬유 커넥터들을 보호하는 보호성 탄성 부싱들(66a, 66b) 각각의 하나 내에 에워싸인다. 각각의 광섬유 커넥터들은, 포장된 섬유 광학 가속도계(75) 내측의 변형을 받은 광섬유 구역을 가속 판독 목적들을 위해 외부 원격 광원에 광학적으로 결합시키는데 사용되는, LEMO® 에 의해 공급되는 Redel-D 미니어쳐 광 커넥터와 같은, 산업 표준 커넥터를 포함할 수 있다. 광섬유 커넥터들의 하나는 다중화 배열 내의 다른 일련적으로 결합된 광섬유 가속도계에 연결 가능한 광 출구로서 사용될 수 있다. 하부 하우징 부분(67)은 각각의 광섬유 커넥터들과 광섬유의 변형을 받은 부분(감지 요소) 사이에 위치되는 광섬유의 완충된 길이들을 지지하는 완전한 가속도계 또는 변환기 하우징을 형성하기 위해 단차식 디스크 형상의 베이스 구조물(43)(도 4 의 b) 참조)의 하부 부분을 에워싸고 컵 형상의 상부 하우징 부분(65)에 인접한다.
Claims (20)
- 베이스 구조물(3),
제 1 힌지 요소(10)를 통하여 상기 베이스 구조물(3)에 이동 가능하게 결합되는 제 1 진자(11),
제 2 힌지 요소(8)를 통하여 상기 베이스 구조물(3)에 이동 가능하게 결합되는 제 2 진자(13),
광섬유(30)가 상기 제 1 및 제 2 힌지 구조물들을 중심으로 각각, 상기 제 1 및 제 2 진자들의 변위에 의해 변하는 변형을 받도록, 각각 제 1 및 제 2 부착 조인트들에서 상기 제 1 및 제 2 진자들(11, 13)에 결합되는, 광섬유(30)를 포함하는 섬유 광학 가속도계(1)에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(10, 8)은 공통 수평 평면(20) 내에 배열되고 그리고 상기 제 1 진자의 무게 중심 및 상기 제 2 진자의 무게 중심은 상기 공통 수평 평면(20) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 진자들(11, 13), 상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(10, 8) 그리고 상기 베이스 구조물(3)은 동일한 재료로 형성되는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 2 항에 있어서,
상기 재료는 {텅스텐, 스테인리스 강, 황동(brass), 구리, 티타늄, 규소}의 그룹으로부터 선택되는 금속성 재료를 포함하는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 진자들(11, 13), 상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(10, 8) 그리고 상기 베이스 구조물(3)은 성형 또는 기계가공에 의해 단일 고체 대상물로부터 제작되는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(10, 8)은 각각 상기 베이스 구조물(3)에 인접하는 상기 제 1 및 제 2 진자들 내에 절개부들 또는 핀치들을 포함하는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광섬유(30) 상의 상기 제 1 부착 조인트와 상기 제 1 진자(11) 사이에서 연장하는 제 1 레버(47a),
상기 광섬유(30) 상의 상기 제 2 부착 조인트와 상기 제 2 진자(13) 사이에서 연장하는 제 2 레버(47b)를 포함하는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 힌지 요소와 상기 광섬유(30) 상의 상기 제 1 부착 조인트 사이의 거리는 상기 제 1 힌지 요소와 상기 제 1 진자의 무게 중심 사이의 거리보다 적어도 2 배 더 큰,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 진자들(11, 13), 상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(8, 10) 그리고 상기 베이스 구조물(3)은 중앙 수직 평면을 중심으로 대칭적으로 배열되는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 진자들(11, 13)은 상기 광섬유(30)를 향하여 상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(8, 10)의 공통 수평 평면(20) 위에 배열되고 상기 베이스 구조물(3)은 상기 공통 수평 평면(20) 아래에 배열되는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
수평 평면 내의 상기 베이스 구조물(3)의 최대 치수가 4 ㎜ 내지 40 ㎜인,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
2 그램 내지 400 그램의 매스를 갖는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 부착 조인트들 사이에서 연장하는 상기 광섬유(30)의 변형을 받은 섹션은 섬유 브래그 격자(Fibre Bragg grating; FBG)를 포함하는,
섬유 광학 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,
외부 환경에 대하여 상기 제 1 및 제 2 진자들(11, 13) 및 상기 제 1 및 제 2 힌지 요소들(10, 8)을 에워싸고 밀봉하는 변환기 하우징(transducer housing)을 포함하는,
섬유 광학 가속도계.
- 섬유 광학 가속도계를 갖는 원격 진동성 구조물의 가속 검출 방법으로서,
제 1 항에 따른 섬유 광학 가속도계(1)를 상기 진동성 구조물에 부착시키는 단계,
광학 전달 섬유를 상기 섬유 광학 가속도계의 상기 광섬유(30)에 광학적으로 결합시키는 단계,
광대역 광원을 광학 전달 섬유에 적용하는 단계,
상기 섬유 광학 가속도계로부터 반사되는 빛의 파장을 검출하는 단계, 및
상기 반사된 빛의 상기 파장을 복조함으로써 상기 섬유 광학 가속도계의 가속을 판정하는 단계를 포함하는,
섬유 광학 가속도계를 갖는 원격 진동성 구조물의 가속 검출 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 광대역 광원은 적외선 광원을 포함하는,
섬유 광학 가속도계를 갖는 원격 진동성 구조물의 가속 검출 방법. - 삭제
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