KR20040016835A - 광섬유 변위 센서 - Google Patents

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KR20040016835A
KR20040016835A KR10-2003-7009208A KR20037009208A KR20040016835A KR 20040016835 A KR20040016835 A KR 20040016835A KR 20037009208 A KR20037009208 A KR 20037009208A KR 20040016835 A KR20040016835 A KR 20040016835A
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optical fiber
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optical
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KR10-2003-7009208A
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트위디마이클제이.
골드너에릭리
퍼쉬트사무엘엔.
우센휴이엘.
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리톤 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명에 따른 광섬유 변위 센서(10)는 지지 기부(22)로부터 연장된 장착 포스트(20)에 고정된 가요성 디스크(160) 조립체를 포함한다. 가요성 디스크(16) 조립체는 하우징(101) 내에 장착된다. 나선형 권취 광섬유 코일(12, 16)은 가요성 디스크(16)의 대향 측면(16A, 16B) 상에 장착되며, 광섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)는 광섬유 코일(12, 14)의 내경 및 외경 모두로부터 연장된다. 코일(12, 14)로부터 출력된 광학 신호는 함께 연합하여 간섭계(70, 114)를 형성한다. 가요성 디스크(16)의 주연에 연결된 관성 링(60)은 제1 및 제2 광섬유 코일로부터 하우징(101) 내에 다른 구성 성분으로 광섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)를 전달하기 위해 내부에 복수개의 주연 슬롯(68, 92, 98)을 구비한다. 관성 링(60)은 광섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)가 심각한 절곡으로 손상되는 것을 방지하기 위해 광섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)가 제1 및 제2 코일(12, 14)과 주연 슬롯(68, 92, 98) 사이에서 상부에 나선형으로 권취되도록 형성된 만곡된 측면 에지(61, 63)를 구비한다. 관성 링(60) 내에 슬롯(68, 92, 98)은 광섬유 리드 길이(12A, 12B, 14A, 14B) 내에 부정합을 수용하도록 상이한 길이의 섬유가 상이한 깊이의 슬롯 내에 원주식으로 권취되는 것을 허용하고, 섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)가 결국 함께 가요성 디스크(16)를 빠져 나가는 것을 허용하고, 결합기(76)에 대한 동일한 통로를 얻어서 주변에서 유도된 이질적인 상 변화의 개선된 공통 성분 제거를 제공한다.

Description

광섬유 변위 센서{FIBER OPTIC DISPLACEMENT SENSOR}
본 발명은 변위 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명은 광섬유 코일이 간섭계 내에 포함된 채로 가요성 디스크의 대향 측면 상에 한 쌍의 다층 나선형 권취 광섬유 코일을 포함하는 변위 센서에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 가요성 디스크의 에지 둘레에 섬유 전달 슬롯을 갖는 주연 링을 포함하는 변위 센서에 관한 것이다.
도1은 한 쌍의 나선형 권취 광섬유 코일이 커버에 연결된 기부에 장착된 가요성 디스크 상에 형성되어 있는 본 발명에 따른 광섬유 변위 센서의 단면도이다.
도2는 도1의 장치에 포함될 수 있는 광섬유 코일을 도시한 가요성 디스크 조립체의 상부 평면도이다.
도3은 도1 및 도2에 도시된 형태의 한 쌍의 광섬유 코일을 포함하는 마이컬슨 간섭계를 도시한 센서의 블록도이다.
도4는 본 발명에 따른 광섬유 변위 센서 내에 포함될 수 있는 가요성 디스크의 제2 실시예를 도시한 부분 단면도이다.
도5는 기부 및 커버 사이에 연결의 제2 실시예를 도시한 부분 단면도이다.
도6은 커버가 제거된 도1의 장치를 도시한 정면도이다.
도7은 도1 및 도2에 도시된 형태의 한 쌍의 광섬유 코일을 포함하도록 형성된 마하젠더 간섭계를 사용하는 다른 실시예를 도시한 개략도이다.
도8은 본 발명에 따른 광섬유 변위 센서의 절단된 사시도이다.
도9는 광학 결합기를 내부에 장착하기 위해 기부를 관통하는 한 쌍의 통로를 도시한 평면도이다.
본 발명에 따른 광섬유 변위 센서는 연장된 장착 포스트를 갖는 지지 기부를 포함한다. 가요성 디스크는 장착 포스트에 연결되고, 가요성 디스크의 제1 측 상에는 제1 나선형 권취 광섬유 코일이 형성된다. 가요성 디스크의 제2 측 상에는 제2 나선형 권취 광섬유 코일이 형성된다. 광섬유 코일의 내경 및 외경 모두로부터 광섬유 리드가 연장된다. 각각의 코일로부터 연장된 광섬유 리드 사이에 광학 신호를 결합시키도록 광학 결합기가 배치된다. 광섬유 코일, 리드 및 결합기의 조합이 마이컬슨 간섭계를 형성하도록 잔여 리드의 단부는 미러 반사식으로 배치된다.
관성 링이 가요성 디스크의 주연에 연결된다. 관성 링은 제1 및 제2 광섬유 코일에서부터 광학 결합기까지 그리고 거울 반사식으로 배치된 단부가 고정된 위치로 광섬유 리드를 전달하도록 그 내부에 복수개의 주연 슬롯을 갖는다.
관성 링은 바람직하게는 대향 대면하는 만곡된 측면 에지를 포함하고, 만곡된 측면 에지 사이에는 복수개의 주연 슬롯이 형성된다. 만곡된 측면 에지는 광섬유 리드가 제1 및 제2 코일과 주연 슬롯 사이에서 그 위에 나선형으로 권취되어 심각한 절곡으로부터 광섬유 리드가 손상되는 것을 방지하도록 형성된다.
바람직하게는 관성 링 내에 복수개의 슬롯은 필요에 따라 광섬유 리드 길이에 있어서의 부정합을 수용하도록 상이한 깊이의 슬롯 내에 원주 상에 권취될 섬유의 길이를 달리하는 것을 허용한다. 이는 제1 및 제2 섬유 코일로부터의 섬유 리드 모두가 결국 함께 코일 조립체를 빠져 나가는 것을 허용하고, 결합기로 동일한 경로를 취해서 주변에서 유도된 이질적인 상 변화의 개선된 공통 성분 제거를 제공한다.
본 발명의 대상의 인식과 작동 방법 및 구조의 보다 완벽한 이해는 양호한 실시예의 상세한 설명을 연구하고 첨부된 도면을 참조함으로써 달성될 것이다.
도1 및 도8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변위 센서(10)는 광섬유의 상부 코일(12)과 또한 광섬유로 형성된 하부 코일(14)을 포함한다. 상부 및 하부 코일(12, 14) 각각은 바람직하게는 폴리카보네이트와 같은 순응 물질로 형성된 가요성 디스크(16)의 대향측(16A, 16B) 상에 형성된다. 센서의 작동식 분광 범위에 따라 가요성 디스크용으로 알루미늄과 같은 다른 물질이 사용될 수 있다. 가요성 디스크(16), 상부 및 하부 코일(12, 14) 및 관성 질량체(60)는 변위 센서(10)에 대한 1차 변환기인 가요성 디스크 조립체(11)를 구성한다. 가요성 디스크(16)는 중심 통로(18)를 갖는다. 중심 통로에 인접한 가요성 디스크(16)의 내부는 후술되는 바와 같이 장착 포스트(20) 상에 디스크(16)가 장착되는 것을 허용하는 장착 허브(19)를 포함한다.
변위 센서(10)는 기부(22)를 포함하는 하우징(21)을 포함한다. 장착 포스트(20)는 기부(22)의 중심부로부터 연장된다. 볼트(28)의 제1 단부(26)를 수용하도록 장착 포스트(20) 내에 나사산이 형성된 통로(24)가 배치된다. 볼트(28)의 제2 단부(30)가 디스크(16) 내에 통로(18)를 통해 장착 포스트(20)로부터 멀리 연장된다. 볼트(28)를 따라 와셔(32)가 위치되어 디스크(16)는 장착 포스트(20)의 상부 단부와 와셔(32) 사이에 있게 된다. 너트(34)는 볼트(28)와 나사 결합되어 와셔(32) 및 허브(19)를 장착 포스트(20)에 견고하게 고정시킨다.
볼트(28)의 제2 단부(30)는 너트(34)를 통해 연장된다. 하우징(21)은 또한 사실상 원통형인 측벽(38)과 원뿔대인(또는 돔인) 상부(40)를 갖는 커버(36)를 포함한다. 상부(40)의 중심부(42)에는 나사산이 형성된 통로(44)가 배치되어 볼트(28)의 단부(30) 상에 장착된다. 커버(36)는 통로(44)와 볼트(28)의 결합이 커버(36)의 하부 에지(46)가 기부(22) 내에 형성된 원형 홈(48) 내에 결합을 야기하도록 형성된다. 커버(36)는 접착제 접합에 의해 기부(22)에 밀봉되므로 하우징은 수분 밀폐식이다.
도1, 도2, 도4 및 도8을 참조하면, 중심 장착 허브(19)는 광섬유 코일(12, 14)이 위치하는 디스크(16)의 부분(52)보다 더 큰 두께를 갖는다. 디스크(16)로부터 상부 원통형 돌출부(54)가 연장된다. 돌출부(54)는 허브(19)로부터 이격된다. 허브(19)와 돌출부(54) 사이의 공간은 허브(19)의 두께보다 더 작은 두께를 갖기 때문에 허브(19)와 돌출부(54) 사이에는 대체로 원통형인 공동이 있다. 바람직하게는 사실상 돌출부(54)와 동일한 원통형 돌출부(56)가 디스크(16)의 하부측으로부터 연장된다. 돌출부(54, 56)와 허브(19) 사이에 디스크(16)의 부분은 디스크(16)의 평면과 수직인 성분을 갖는 방향으로 장착 포스트(20) 및 볼트(28)가 이동하는 것에 응답하여 디스크(16)가 굽을 수 있는 힌지(58)를 한정한다.
도1, 도2, 도4, 도6 및 도8을 참조하면, 가요성 디스크 조립체(11)의 고유 주파수를 저하시키고 축방향 가속에 대한 센서(10)의 감도를 최대화시킬 목적으로 관성 질량체(60)가 디스크(16)의 외부 에지(62)에 부착된다. 질량체(60)는 알맞게 상부 링(64) 및 하부 링(66)으로 형성된다. 상부 및 하부 링(64, 66)은 함께 조립되면, 관성 질량체(60) 둘레에 연장된 중실 슬롯(68)을 한정한다. 바람직하게는 상부 및 하부 링(64, 66) 각각은 높은 체적 탄성계수 구조 접합체에 의해 서로 연결되어 디스크(16)의 에지(62) 상에 고정식으로 보유된다.
도3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광섬유 코일(12, 14)은 2개의 레그로서 간섭계(70)에 포함된다. 도3은 공지된 마이컬슨 간섭계 구성을 도시하고 있지만, 본 발명은 도7에 도시된 마하젠더 간섭계를 사용하여 실시될 수 있다. 본 발명의 이어지는 설명에서, 입력 리드(12A)와 출력 리드(12B)를 갖는 코일(12)을 참조하는 것이 편리하다. 마찬가지로, 코일(14)은 입력 리드(14A)와 출력 리드(14B)를 갖는다. 마이컬슨 간섭계를 조립하기 위해서는 통상 스플라이스(splice)가 요구된다는 것을 알아야 한다. 이러한 스플라이스는 당해 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있으므로 도시하지 않는다.
멀리 떨어져 위치된 레이저(72)는 광섬유 결합기(76)로 광학 신호를 안내하는 광섬유 리드(74)에 광학 신호를 제공한다. 결합기(76)는 공지된 임의의 적절한결합기 구조체일 수 있다. 결합기 출력 신호는 리드(12A, 14A)에 입력되어 광섬유 코일(12, 14) 각각에 광학 신호를 제공한다. 음파에 의해 야기된 하우징(21)의 운동은 가요성 디스크 조립체(11)를 평면에 수직인 방향으로 구부러지도록 한다. 이러한 구부러짐은 각각의 섬유 디스크(12, 14) 내에 동일한 대향 변형을 야기한다. 이러한 변형은 섬유 각각의 광로 길이 내의 동일한 대향 변형을 야기하여, 각각의 코일(12, 14) 내에서 이동하는 광의 상을 변형시킨다. 광학 신호는 각각 리드(12B, 14B)를 통해 광섬유(12, 14)에서 광섬유(78, 79)로 출력된다. 광섬유(78, 79)의 각 단부(82, 83) 상에는 미러(80, 81)가 형성되어, 각각의 섬유 코일(12, 14) 내에 광로 길이 내의 변형을 2배로 만든다(그에 따라 발생하는 전체 광학 상 차이를 2배로 만든다). 광학 신호는 미러(80, 81)에서 반사되어 결합기(76)로 복귀 전파된다. 신호들은 광학기(76) 내에서 연합하여 간섭 패턴을 생성한다. 결합기(76)는 간섭계 출력을 광섬유 리드(86)로 결합시킨다. 멀리 떨어져 위치된 광검출기(88)는 간섭계 출력을 수신하고, 광로 길이를 변형시키는 음파의 진폭과 주파수를 결정하도록 처리되는 전기 신호를 생성한다.
광섬유 코일(12, 14)은 가요성 디스크(16)의 각각의 표면 상에 직접 형성될 수 있다. 이 경우, 돌출부(54, 56)는 각각 광섬유 코일(12, 14)용 권취 허브로 작용한다. 다르게는, 광섬유 코일(12, 14)은 미리 성형되어 가요성 디스크(16)에 접착제로 접합될 수 있다.
도1 및 도2를 참조하면, 권취가 시작되기 전에 광섬유(78)의 단부(82)는 가요성 디스크(16) 내에 포함된 나선형 슬롯(84) 내에 위치된다. 권취가 완료되고제 위치에 열적으로 경화되면, 광섬유(78)의 단부(82)와 미러형 반사기(80)는 상부 링(64)의 내부 에지(90)와 섬유 코일(12)의 외경 사이에 존재하는 공간 내에 권취되고, 접착제 접합에 의해 제 위치에 고정된다.
유사하게 광섬유(79)의 단부 부분(83)은 권취가 다시 시작되기 전에 가요성 디스크(16)의 대향측 상에 포함된 (도시되지 않은) 나선형 슬롯 내에 위치된다. 권취가 완료되고 제 위치에 열적으로 경화되면, 마찬가지로 단부 부분(83)과 미러형 반사기(81)는 하부 링(66)의 내부 에지(94)와 섬유 코일(14)의 외경 사이에 존재하는 공간 내에 권취되고, 또한 접착제 접합에 의해 제 위치에 고정된다.
도1, 도4, 도6 및 도8을 참조하면, 관성 질량체(60)는 만곡된 상부 및 하부 에지(61, 63)를 각각 갖는다. 더 큰 원주를 갖는 슬롯(68)으로 이행되기 전에, 광섬유(12)의 대향 단부의 부분(17)은 내부 에지(90) 상에 권취되고 만곡부(61)를 지나서, 요구되는 회전수만큼 슬롯(92) 내에 링(64) 주위에 권취된다. 유사하게 광섬유(14)의 단부 부분(15)은 더 큰 원주를 갖는 슬롯(68)으로 이행되기 전에, 링(66)의 내부 에지(94) 상에 권취되고 만곡부(63)를 지나서, 요구되는 회전수만큼 슬롯(98) 내에 링(60) 주위에 감긴다. 광섬유(12, 14) 모두의 길이가 슬롯(68)에 도입되면, 결합기(76)에 도달하기 위해 남은 거리의 길이가 동등하게 된다. 2개의 광섬유(12, 14)가 공통 슬롯(68) 내에 감긴 횟수는 단지 슬롯(68)의 외부에서 직접 결합기(76)로 이행되기 전에 초과된 섬유 길이의 느슨함을 잡아주는 만큼 요구된다. 섬유 리드(74, 86)는 커버(36)의 측벽(38) 내에 섬유 출구 통로(75)를 통해 결합기(76)로부터 연장된다. 통로(75)는 적절한 밀봉체로 밀봉되어 커버(36)와 기부(22)에 의해 한정된 영역의 내부에 액체가 도입되는 것을 방지한다.
도4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로 제2 힌지(100)가 가요성 디스크(16)의 외부 에지(62) 부근에 형성되어 있다. 힌지(100)는 공진 주파수를 감소시키고, 더 낮은 입력 주파수 가속 입력 및 더 높은 센서 이득을 요구하는 적용예를 감지하기 위한 척도 인자를 증가시키는 디스크(16)의 컴플라이언스(compliance)를 증가시키는 것을 돕는다.
도5는 하우징(101)을 형성하는 기부(22)에 커버(36)를 고정시키기 위한 구성을 도시하고 있다. 측벽(38)은 기부(22) 내에 홈(104)으로 연장된다. L자 형상의 돌출부(106)는 측벽(38)의 바닥 내부 부분에 인접한 기부(22)에서 연장된다. 돌출부(106) 및 기부(22)의 상부 표면(23)은 내향으로 대면하는 원형 홈(102)을 한정한다. 광섬유 리드(108, 110)는 하우징(101) 내측에 감기고, 돌출부(106) 및 표면(23)에 의해 형성된 홈(102) 내에 보유된다. 코일 내측에 섬유를 보유할 수 있는 능력은 초과된 섬유 리드 길이를 손질하는데 편리하다.
바람직하게 전체 센서(10)는 입사된 음파에 응답하여 운동하도록 중립 부양식으로 형성된다. 변위 센서(10)는 가요성 디스크 조립체(11)의 공진 주파수 (약 100Hz)가 관심 대상의 음성 주파수 대역 이하로 발생되도록 설계된다. 이러한 모드에서, 센서(10)는 음성 입력의 진폭에 비례하여 강도가 변조된 광학 신호를 출력하는 변위 장치로서 작동한다. 실제로, 전체 센서 조립체(10)는 종종 폴리우레탄과 같은 연성 순응 음성 전달 매체 내에 포획된다.
음성 에너지를 접하면, 중립 부양식으로 포획된 센서 조립체(10)는 음파와협력하여 운동한다. 무거운 텅스텐 링(60)의 관성으로 인해, 가요성 디스크 조립체(11)의 외부 에지(62)는 공간 내에서 관성적으로 안정되게 존재하는 반면, 중심 장착 포스트(20)는 하우징(21)과 하나의 질량체로서 운동한다. 가요성 디스크(16) 내에 형성된 힌지(58)는 가요성 디스크(16)의 에지(65)의 휨이 발생하는 것을 허용하는 자유도를 제공한다. 관성적으로 안정적인 텅스텐 링(60)의 정합 표면에 인가된 순응 접합 접착제에 의해 둘러싸인 협소한 클램핑 표면으로 인해 가요성 디스크(16)의 외부 에지(62)에 유사한 자유도가 발생한다. 선택적인 힌지(100)는 추가적인 순응성을 텅스텐 링(60)에 부가하여 관성적으로 안정적인 링을 회전식으로 비틀리게 하는 경향을 최소화한다.
가요성 디스크(16)의 내부 및 외부 부분(65, 62) 사이의 상대적인 축방향 운동은 각각 그에 따라 일체식으로 접합된 상부 및 하부 광섬유 코일(12, 14) 내에 수반되는 변형을 야기한다. 각각의 코일에 상대적인 변형이 대향식으로 유도되어, 상부 코일(12)이 압축될 때마다 역으로 하부 코일(14)은 인장된다. 레이저광이 2×2 광학 결합기(76)의 출력 장치로부터 상부 및 하부 광섬유 코일(12, 14) 모두를 통해 각각 전송되면, 유도된 변형의 효과는 간섭계로 도입되는 레이저광의 상대적인 경로 길이(및 그에 따른 상)를 변화시킨다.
각각의 광섬유 코일(12, 14)의 미러형 단부(82, 83)로부터 반사된 광은 또한 코일을 두 번 통과함에 따라 추가적인 상 전환을 겪게 된다. 완전 상이한 상은 마이컬슨 간섭계의 결합기(76)에서 간섭식으로 재조합된다. 음성 정보를 저장한 이 광은 복조, 필터링 등과 같은 전자 신호 처리를 위해 떨어져 있는 처리 시스템에서광검출기(88)로 분할된다.
이 센서(10)는 상용 재고 공통 하드웨어를 갖는 저가의 기계 가공 구성 부품의 성분과 저가의 광섬유를 조합하여 저가 장비를 형성한다. 이 장비에 대한 전형적인 응용예는 수중 상태에 배치된 피동식 수중 음파 탐지기 감지 및 지진 관측을 포함한다.
본 발명에 따른 변위 센서(10)는 바람직하게는 150 Hz와 10 KHz 사이의 주파수 영역 내에 광역 감청 주파수의 음성 감지를 위해 마이컬슨 간섭계 접근법을 채용한다. 섬유 코일(12, 14) 사이에 광을 결합하도록 미러(78, 80) 대신에 제2 결합기(112)를 추가하여 본 발명에 실제로 사용될 수 있는 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계(114)를 형성한다.
도8 및 도9에 도시된 마하젠더 간섭계 실시예에서, 결합기(76, 112)는 바람직하게는 기부(22)를 통해 한 쌍의 통로(116, 118) 내에 위치된다. 통로(116, 118)는 바람직하게는 기부(22)의 수직 중심선에 대해 대칭으로 배치된다. 마하젠더 구성에서, 결합기(76)는 각각 코일(12, 14) 사이에서 동일하게 레이저(72)로부터의 광을 분할하는 리드(12A, 14A)로 레이저광을 제공한다. 결합기(112)는 각각 리드(12B, 14B)를 통해 코일(12, 14)로부터 수신된 광을 간섭식으로 재조합하여 간섭 패턴을 생성한다. 결합기(112)는 조합된 광학 신호를 광학 출력을 검출기(122)로 안내하는 광섬유(120)로 출력한다.
마이컬슨 간섭계 기계화가 이러한 형태의 광섬유 센서에 대해 일반적인 것이지만, 이러한 특정 설계는 이러한 계열의 센서의 더욱 많은 공통적인 문제점 중 일부를 해결하는 다수의 혁신적인 특징을 채용한다. 예컨대, 앞선 변위 센서는 가요성 디스크(16)의 외부에 배치되는 큰 관성 질량체(60)와 관련하여, 공진 주파수를 관심 대상의 가장 낮은 주파수보다 상당히 낮게 조절하고 그에 따라 주파수 응답의 평활도를 향상시키는 데 사용된다는 차이점을 갖는다.
섬유를 코일(12, 14)로부터 질량체(60)를 지나서 광학 결합기(76)와 연결하려 할 때 충돌이 발생한다. 섬유는 유리 섬유의 최소 곡률 반경을 어기지 않도록 반경방향으로 보다는 가요성 디스크(16)로부터 접선 방향으로 빠져 나갈 필요가 있기 때문에, 섬유가 외측을 통과하는 것을 허용하는 관성 링(60) 또는 가요성 디스크(16)로 절단된 터널 슬롯은 실용적이지 않다. 본 발명은 관성 링(60) 내에 반원형 상부 및 바닥부 에지(61, 63)를 결합함으로써, 임의 형상의 기움, 굴곡, 에지 또는 단절없이, 섬유가 내부 벽 상, 그리고 둥글게 가공된 상부 위에 나선형으로 나아가고, 링의 외경 아래로 나선형으로 나아가는 것을 허용함으로써 이러한 문제점을 극복한다. 상부 및 하부 링(64, 66)과 이에 대응하는 코일(12, 14)은 미러 상이며, 섬유(12, 14) 모두가 중심 슬롯(68) 내에 함께 들어가서 주위의 섭동, 특히 온도로 유도된 변형으로 인한 이질적인 상 변화의 공통 성분 제거를 최대화하도록 광학 결합기(76)로 직접 빠져 나가는 (그리고 필요하다면 서로 결합되는) 것을 허용한다.
제2 문제점은 광학 결합기(76)에 스플라이스가 만들어질 때 발생한다. 결합기로의 스플라이스는 100 %로 되지는 않는다. 연합된 연결을 가로질러 매우 작은 초과 전송 손실이 발생하고 연결부가 기계적으로 견고한 것을 보장하도록 여러 번의 시도가 자주 요구된다. 결과적으로, 코일(12, 14) 중 하나의 리드는 의도했던 것보다 반드시 더 작다. 보통의 실시가 간단하게 준비되고, 결합기(76)에 적용되는 의도된 길이 부정합이 균등하게 될 때까지 에폭시는 장착 기부(22) 상의 둘둘 말린 경로를 따라 가능한 최선의 방법으로 더 긴 리드를 결합한다. 2개의 리드의 상이한 전달의 결과로서 스스로 상쇄되지 않는 각 섬유에 대한 진동 노출, 충격 또는 온도 에 있어서의 근소한 차이로 인해 2개의 코일 길이(12A, 14A) 사이에 잘못된 상 변화가 발생할 수 있다. 슬롯(92, 98)은, 장착 포스트(20) 상에 가요성 디스크 조립체를 위치시킨 후에 발생하는 초과된 섬유의 조임시, 더 짧은 섬유 코일 길이의 배치를 허용함으로써 이러한 문제점을 제거한다. 이러한 섬유 조임 공정 동안, 더 짧은 섬유가 슬롯(92, 98) 내에 요구되는 회전수만큼 권취되면, 섬유는 더 넓은 슬롯(68)의 위로 이동하여 대향 코일로부터 섬유 한쪽을 따라 감김을 완료한다. 이러한 기술은 주변에서 유도된 이질적인 상 변화의 공통 성분 제거에 있어서의 손실을 초래하지 않고 섬유 길이를 자동으로 균등하게 한다.
종래의 장치에서 발생하는 다른 문제점은 음성 주파수 통과 대역 내에 주파수에서 발생하는 구조적 공진에 의해 야기된 간섭이다. 이는 일반적으로 더욱 큰 변위 센서의 편평한 상부 하우징이 편평 다이어프램으로 작동하고 원하는 것보다 더 낮은 주파수에서 공진할 때 발생한다. 이 효과는 잠재적으로는 동일한 주파수의 음성 신호를 간섭하고, 직접적으로는, 특히 다중 센서 배열 응용에서 이들 센서의 사양에 의해 요구되는 편평 주파수 응답에 강한 영향을 준다.
이러한 문제점을 완화시키기 위해, 본 발명에 따른 센서의 커버(36)는 중심에 나사산이 형성된 구멍(44)을 통해 볼트(28)에 견고하게 연결될 때 하우징 구조체를 강화시키는 원뿔형 셸을 형성하도록 특별하게 경사진다. 결과적인 강한 보강재는 고유 커버 공진을 관심 대상의 통과 대역 외측에 이동시킬 수 있어서, 원하는 주파수 영역 이상의 주파수 응답의 평활도에 강한 영향을 주지 않는다.
본 명세서에 개시된 구조 및 방법은 본 발명의 원리를 설명한다. 본 발명은 그 사상 및 기본 특징으로부터 벗어나지 않는 다른 특정한 형태로 실시될 수 있다. 설명된 실시예들은 모든 관점에서 제한보다는 예시 및 설명을 위한 것으로 고려된다. 그러므로, 전술한 설명보다는 첨부된 청구항이 본 발명의 범주를 한정한다. 청구항의 등가물의 범위 및 의미 내에 있는 본 명세서에 설명된 실시예들의 모든 수정예들은 본 발명의 범주 내에 속한다.

Claims (12)

  1. 광섬유 변위 센서(10)이며,
    지지 기부(22)와,
    기부(22)로부터 연장된 장착 포스트(20)와,
    장착 포스트에 연결되고, 제1 및 제2 측면(16A, 16B)을 갖는 가요성 디스크(16)와,
    가요성 디스크(16)의 제1 측면(16A) 상에 형성되며, 제1 내부 광섬유 리드(12A)와 제1 외부 광섬유 리드(12B)가 연장되는 제1 나선형 권취 광섬유 코일(12)과,
    가요성 디스크(16)의 제2 측면(16B) 상에 형성되며, 제2 내부 광섬유 리드(14A)와 제2 외부 광섬유 리드(14B)가 연장되는 제2 나선형 권취 광섬유 코일(14)과,
    간섭계(70)를 형성하기 위해 제1 및 제2 광섬유 코일(12, 14) 사이에 광학 신호를 결합시키도록 배치된 광학 결합기(76)와,
    가요성 디스크(16)의 주연에 연결되고, 제1 및 제2 광섬유 코일로부터 광학 결합기(76)로 각각 제1 광섬유 리드(12A, 14A)와 제2 광섬유 리드(12B, 14B)를 전달하기 위해 내부에 복수개의 주연 슬롯(68, 92) 갖는 관성 링(76)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 관성 링(60)은 만곡된 대향 대면 단부 에지(61, 63)를 포함하고, 만곡된 측면 에지(61, 63) 사이에는 복수개의 주연 슬롯(68, 92, 98)이 형성되며,
    만곡된 단부 에지(61, 63)는 광섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)가 제1 및 제2 코일(12, 14)과 주연 슬롯(68, 92, 98) 사이에서 상부에 나선형으로 권취되어, 광섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)가 심각한 절곡으로 손상되는 것을 방지하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관성 링(60) 내에 복수개의 슬롯(68, 92, 98)은 광섬유 리드 길이 내에 부정합을 수용하도록 배치되어, 제1 및 제2 섬유 코일(12, 14) 모두로부터 내부 섬유 리드(12A, 14A) 및 외부 광섬유 리드(12B, 14B)가 함께 가요성 디스크(16)를 빠져 나가고, 광학 결합기(76)로 동일한 통로를 취해서 주변에서 유도된 이질적인 상 변화의 개선된 공통 성분 제거를 제공하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  4. 제1항에 있어서, 장착 포스트(20), 가요성 디스크(16) 및 광학 결합기(76)가 내장되도록 폐쇄된 하우징(101)을 형성하기 위해 기부(22)에 부착된 커버(36)를 더 포함하고,
    상기 하우징 커버(36)는 하우징(101) 내에 소정의 위치에 섬유 리드(12A, 12B, 14A, 14B)를 보유하도록 배치된 내향으로 지향된 돌출부(106)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가요성 디스크(16)는 관통하는 중심 통로(18)를 포함하고,
    상기 가요성 디스크(16) 내에 중심 통로(18)를 통해서 장착 포스트(20)로부터 연장되는 볼트(28)와, 기부(22)에 대한 하우징 커버(36)의 부착으로부터 독립적으로 가요성 디스크(16)를 클램핑하도록 볼트(28)와 결합하는 너트(34)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 센서(10)의 감도를 증가시키도록 중심 통로(18) 부근에 가요성 디스크(16) 내에 형성된 힌지(58)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 중심 통로(18)에 인접하여 가요성 디스크(16) 내에 형성된 내부 힌지(58)와, 관성 링(60) 근처에 외주연(62)에 인접하여 가요성 디스크(16) 내에 형성된 외부 힌지(100)를 더 포함하여, 센서(10)의 감도를 더 증가시키고 링(60)을 비틀리게 하는 경향을 감소시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  8. 제5항에 있어서, 상기 하우징 커버(36)는 볼트(28)의 단부(30)와 나사식으로결합된 돔형 부분(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 지지 기부(22)는 장착 포스트(20)와 사실상 수직으로 관통 연장하는 통로(77)를 포함하고, 광학 결합기(76)는 통로(77)에 장착되고 광섬유 코일(12, 14)에 연결되어 마이컬슨 간섭계(70)를 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 지지 기부(2)는 장착 포스트(20)에 사실상 수직으로 관통 연장하는 한쌍의 평행한 통로(116, 118)를 포함하고, 각각의 통로(116, 118)의 내부에는 광학 결합기(76, 112)가 장착되고, 광학 결합기(76, 112)는 광섬유 코일(12, 16)과 연결되어 마하젠더 간섭계(114)를 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가요성 디스크(16)에는 제1 및 제2 측면(16A, 16B) 내에 만곡된 홈(84)이 형성되고, 만곡된 홈(84)은 제1 및 제2 내부 광섬유 리드(12A, 14A)용 경로를 각각 제공하도록 배치되어 각각 제1 및 제2 광섬유 코일(12, 14) 아래로 전달되는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 만곡된 홈(84)은 제1 및 제2 내부 광섬유 리드(12A, 14A)가 광섬유 코일(12, 14) 아래로부터 접선식으로 빠져나가는 것을 허용하여,제1 내부 광섬유 리드(12A, 14A)는 소정의 최소값보다 작은 곡률 반경을 갖지 않고 관성 링(60) 상에 나선형으로 권취될 수 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 변위 센서.
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