KR20120098595A - 광센서 질의 시스템 - Google Patents

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Abstract

일단에 설치된 광자 결정을 가진 광섬유를 포함하는 광센서, 질의 모듈로부터 원격에 위치한 하나 이상의 광센서와 상호작용하는 광신호 생성기를 포함하는 질의 시스템, 및 질의 시스템을 이용하여 운송수단 구조 건전성을 모니터하는 방법을 포함하는 운송수단 구조의 다양한 상태를 모니터하기 위한 장치 및 방법.

Description

광센서 질의 시스템{OPTICAL SENSOR INTERROGATION SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 광섬유 구조 건전성 모니터(structural health monitor) 분야에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 모니터되는 물질 또는 시스템의 속성의 변화를 검출하기 위한 하나 이상의 광자 결정(photonic crystal) 기반 센서, 센서의 상태를 분석하는데 사용하기 위해서 광신호를 전기신호로 변환하는 광학적 질의기(optical interrogator) 모듈을 포함하는 광센서 질의 시스템, 및 질의 시스템을 이용하는 방법에 관한 것이고, 더욱더 구체적으로는, 구조적으로 경량이고 단순한 소형화된 광센서 질의 시스템에 관한 것이다.
항공우주 운송수단 및 시스템은 전형적으로 데이터를 획득하고, 교환하고, 분석함으로써 다양한 시스템의 건전성을 모니터하는 기기를 구비하고, 이러한 배열 내에서의 통신 네트워크는 수집된 데이터를 전송하고 처리하면서 반복적인 그리고 잠재적으로 파괴적인 힘 및 상황을 견디기에 충분히 강인해야 한다.
최근에, 이러한 시스템의 건전성을 모니터할 목적으로 전기적 또는 기계적 디바이스(device) 대신에 광학적 장치를 이용하는 경향이 있다. 광학적 질의 시스템은 화학, 생물학, 온도, 및 압력 센싱 환경에서 사용되는 건전성 모니터링 시스템에서의 필수적인 구성요소이다. 광학적 센싱 기술은 더욱 경량이고 EMI 연속성에 기인한 항공우주 어플리케이션들에 대해서 매우 바람직하지만, 지금까지 그러한 센서 시스템은 매우 비용이 많이 들거나 배치하기에 복잡한 것으로 드러났다.
섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; FBG) 타입 센서 시스템, 광섬유 경로 센싱, 압전기 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 상대적 진공 모니터(comparative vacuum monitor), 스트레인 게이지(strain gauge) 기반 시스템, 초음파 시스템, 및 시각적 인디케이터(visual indicator)를 포함한 다양한 해결책들이 제안되고 시도되어 왔으나, 각각은 문제를 가지고 있다.
현재, 섬유 브래그 격자 장치는 구조 건전성 모니터링의 여러 분야에서 선호되지만, 이러한 장치는 운영할 광섬유 케이블의 주의 깊은 변형을 요할 뿐 아니라 파장 천이 및 다른 현상을 결정하기 위한 복잡한 방법을 요한다. 이러한 시스템은 온도 변화에 의해 영향받는 것으로 보이며, 보상을 위하여 추가적 장비를 요한다.
광섬유 경로 센싱은 그 단순성(예컨대, 섬유의 루프(loop))으로 인하여 상당히 매력적인데, 파손 또는 변화에 대한 모니터링이 시간 영역 반사율(Time Domain Reflectance) 장비와 같은 추가적 장비를 전형적으로 요구하기 때문에 그 결과로 얻어지는 시스템은 상당히 복잡하게 될 수 있다.
압전기 장치는 그 구조 내에서 사용된 물질의 성질 때문에 상당히 고가인 경향이 있다. 이러한 장치는 또한 다른 전기 기반 시스템의 특징(EMI/번개에 대한 민감성)뿐 아니라 각각의 개별 센서를 위한 이중 전선에 대한 필요성을 전형적으로 가질 것이다. 나아가, 이러한 장치는 특정 주파수에 민감한 경향이 있고, 적절하게 작동하기 위하여 상당한 양의 기준 데이터 측정을 요할 수 있다.
CVM(Comparative Vacuum Monitoring)은 매우 미세한 압력 셀(cell)을 이용하고, 크랙(crack)을 나타내는 압력 변화를 찾는다; 이것은 간단하고 입수가능한 센서 설계에 이바지할 것으로 보인다. 하지만, CVM은 작동을 위하여 배관(tubing) 및 압력 시스템을 요할 것으로 보이고, 공지된 CVM 장비는 사용되기 위하여 휴대용 시스템의 이용을 요할 것으로 보인다.
스트레인 게이지는 저항 변화를 살피는 더욱 오래된 기술이다. 센서들은 상당히 단순하고, 대부분의 경우에 단지 신축성 있는 기질 위에서의 구리선(copper trace)이다. 이러한 센서를 정확하게 설치하고 판독하는 것은 어려울 수 있는데도, 상술한 압전기 설계와 유사한 문제 또한 가진다.
초음파 검사는 현재 사용되는 기술이고, 적절하게 작동하기 위하여 구조 및 장비를 횡단하는 필드 디바이스(field device)의 설치를 요한다. 이러한 시스템을 내장된 타입의 설계로 축소화하려는 시도는 아마도 압전기 타입 시스템과 매우 유사한 시스템을 초래할 것이다.
시각적 검사는 요즘에 사용되는 표준 센싱 방법인데, 자재의 고장을 검사하고, 측정하려고 시도하고, 그리고 구조가 얼마나 오랫동안 서비스 내에서 지속될 수 있을지 추정하는 매우 숙련된 개개인들을 포함한다.
2004년 2월 10일에 Haugse 등에게 발부되고 본 공개의 양수인에게 양도된 미국 특허 제6,691,007호는 운송수단의 상태를 모니터하고 모니터된 상태에 따라서 유지보수 계획을 생성하기 위한 시스템 및 방법을 설명한다. 이 특허는 패브리-페롯 간섭계형(Fabry-Perot interferometric) 장주기(long-period) 격자 및 섬유 브래그 격자 센서와 같은 종래의 광센서의 사용을 개시하지만, 어느 것도 질의기 시스템의 소형화 또는 감소된 비용을 허용할 만큼 충분히 작지 않다.
그러므로, 운송수단 구조 및 시스템의 구조 건전성에 대해서 모니터하고 보고하는 목적을 위해서, 경량의, 소형화된, 그리고 효율적인 광학적 질의 장치가 하나 이상의 광센서로부터 데이터를 조사하도록 요구된다.
본 발명은 광센서 질의 시스템, 및 광센서 질의 시스템을 이용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 공개의 일 실시 예에 있어서, 광센서는 자유단을 갖는 유한 길이의 광섬유, 및 광섬유의 자유단에 설치된 광자 결정을 포함한다. 광섬유 자유단은 연마된 표면을 포함하고, 결정은 연마된 표면에 고정된다. 광자 결정은 파괴적인 주변 영향으로부터 결정을 보호하는 물질로 코팅된다. 광센서의 반사율 속성은 일정 범위의 전압을 결정에 인가함으로써 변경될 수 있다.
본 공개의 다른 실시 예에 있어서, 구조 내 적어도 하나의 광센서로부터 정보를 수집하기 위한 광학적 질의 시스템은, 적어도 하나의 광센서와 통신하기 위한 광신호 생성기, 및 적어도 하나의 광센서에 의해서 반환된 광신호를 수집하기 위한 광신호 수신 장치를 포함하고, 각각의 광센서는 광섬유 가닥(fiber optic strand) 및 광섬유 가닥에 설치된 광자 결정 웨이퍼(wafer)를 포함한다. 광섬유 가닥은 연마된 단면을 가지고 제공되고, 광자 결정 웨이퍼는 광섬유 가닥의 연마된 단면 위에 고정된다. 광자 결정 웨이퍼는 일정 범위의 파장의 반사도 스펙트럼의 변화를 검출한다. 광학적 질의 시스템은, 광신호 생성기와 광신호 수신 장치 사이에 배열된 스위칭 메카니즘을 더 포함하는데, 이로써 둘 이상의 광신호가 동시에 전송되거나 수신될 수 있다. 스위칭 메카니즘은 파장 분할 다중화(wavelength division multiplex) 스위치 또는 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 광신호 생성기는 레이저 또는 LED일 수 있다. 광섬유는 측면-산란광 가이드(side-scattering light guide)의 형태를 취할 수 있고, 광섬유에 의해서 모니터되는 광섬유의 끝에 붙어 있는 일정 길이의 광자 결정 물질을 포함할 수 있다. 광학적 질의 시스템은 결정의 반사율 속성을 제어하기 위해 광자 결정과 연결된 전압 변환 장치를 더 포함할 수 있다. 광센서는 압력, 온도, 화학적 물질, 또는 생물학적 물질 중 적어도 하나를 검출할 수 있다.
본 공개의 또 다른 실시 예에서, 운송수단의 구조 건전성을 모니터하기 위한 방법은 광신호를 생성하는 단계, 광신호 생성기로부터 원격에 위치한 광센서에 광신호를 겨냥하는 단계, 광센서로부터 반환된 반사 광신호를 캡쳐하는 단계, 및 주변 상태의 변화를 판단하기 위해 반사 광신호를 분석하는 단계를 포함하고, 광센서는 광신호 및 주변 상태와 광학적으로 상호작용하는 광자 결정 웨이퍼를 포함한다. 본 방법은 분석된 반사 광신호가 운송수단 구조의 주변 상태의 수락불가한(unacceptable) 변화를 나타내는 경우에, 제어 장치에 경보 신호를 보내는 단계를 더 포함한다. 본 방법은 신호를 분석하기 전에 먼저 광신호를 전기신호로 변환하는 단계를 더 포함한다.
상기 장치 및 상기 장치를 이용한 방법의 추가적 관점이 본 명세서에서 공개된다. 본 공개의 다른 특징들 및 장점들뿐 아니라 상술한 특성들은 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 당업자에 의해서 인식되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광센서의 투시도이고;
도 2는 본 발명에 따른 광학적 질의 시스템의 구조를 도시하는 개략적 도면이고;
도 3은 본 발명에 따른 고장 내성 광학적 스위칭 시스템을 도시하는 개략적 도면이고;
도 4는 본 발명에 따른 광학적 질의기의 블록도이고; 및
도 5는 본 명세서에서 도시된 바와 같이, 광센서를 이용해서 운송수단의 상태를 모니터하는 방법의 단계들을 도시하는 블록도이다.
이제 본 발명의 실시 예들이 첨부 도면들을 참조로 여기에서 더욱 완전하게 설명될 것이다. 하지만, 많은 다른 실시 예들이 예상되고, 본 공개는 본 명세서에서 제시되는 실시 예들에 국한되는 것으로 이해되지 않아야 한다; 차라리, 이 실시 예들은 본 공개가 본 공개의 범위를 당업자에게 철저하고 완전하게 더 잘 전달하도록 제공된다.
가장 넓은 의미에서, 본 공개는 운송수단 내에서 상태를 모니터하고, 운송순단 내에 있는 건전성 관리 시스템에 이러한 상태를 나타내는 데이터를 제공하기 위한 시스템을 제시한다. 본 시스템은 하나 이상의 광센서 및 운송수단 내에 위치된 광학적 질의(optical interrogation) 장치를 포함한다. 광학적 질의 장치는 운송수단의 시스템의 상황을 모니터하기 위해서, 광신호를 운송수단 질의 건전성 관리 시스템에 의하여 이용될 수 있는 전기신호로 변환한다.
본 공개는 하나 이상의 광센서, 광학적 질의 장치, 및 센서와 질의 장치 사이에 위치한 광학적으로 응답하는 인프라스트럭처(infrastructure)를 포함하는 구조 건전성 모니터링 시스템 또한 제시한다. 건전성 모니터링 시스템은 극심한 환경을 견딜 수 있고, 화학적 센싱, 생물학적 센싱, 및 온도 또는 압력 센싱에 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 광센서(100)는 단일 모드 광섬유(106)의 단면(end face)(104) 위에 설치되고 고정된 광자 결정(102)을 포함한다. 가장 간단한 형태에 있어서, 광자 결정은 단일 층의 반도체 물질로부터 만들어지지만, 섬유 가닥(106)의 끝에 설치된 여러 층의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 센서 원리는 광자 결정의 반사도 스펙트럼(reflectivity spectrum)의 변화를 감지하는 것을 기초로 한다. 단일 층 광자 결정은 모니터되고 있는 파장 범위 내에서 날카로운 반사 공진을 가진다. 바람직하게는, 광자 결정 센서는 표준 제작 공정을 이용하여 실리콘 파운드리(silicon foundry)에서 제작되고, 사이즈, 인터페이스 특성, 및 가장 혹독한 동작 환경에서의 동작을 위한 강인함(robustness)에 대한 요구조건들을 만족시킬 것이다. 물질 구조에 따라서, 섬유의 팁(tip)에 대한 압력과 같이 다양한 효과가 모니터될 수 있다. 더욱 복잡한 빌드업(buildup), 예컨대 반사율 속성을 변화시키기 위해 광자 결정에 일정 범위의 전압을 인가하는 것은, 광학적 질의기에 의해 판독될 수 있는 빛 반사율을 수정함으로써 "스마트(smart)" 구성요소가 광자 결정 또는 웨이퍼를 저전력 통신 장치로서 이용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 다른 가능한 구현은 단일 섬유에 의해서 모니터되는 일련의 광자 결정 패치(patch) 또는 일정 길이의 광자 결정 물질을 가지고, 섬유를 측면-산란광 가이드(side-scattering light guide)로 이용하는 것이다.
광자 결정 센서는 또한 본 공개에서 앞서 논의된 섬유 브래그 격자 센서보다 이용하고 제조하기에 훨씬 덜 복잡하다. 섬유 브래그 격자 센서는 현재 (125 마이크로미터 유리 섬유로부터) 기존 단일 모드 섬유의 코팅을 벗겨내고, 섬유에 브래그 격자를 "쓰고(writting)", 이후 교체 물질을 가지고 재코팅함으로써 만들어진다. 섬유에 격자를 쓰는 것은 레이저 및 위상 마스크(phase mask)를 이용하는 것뿐만 아니라 다른 방법을 통해서 수행될 수 있다. 피복 교체, 쓰기 과정, 및 섬유 혼합물(composition)의 선택은 모두 최종 센서 성능에 영향을 가질 수 있다. 이것은 수행하기에 복잡한 과정이다.
섬유 브래그 센서들은 매우 민감할 수 있는데 이는 유익하며, 이들은 단일 섬유의 길이를 따르는 일렬(in-line) 구성에 적합하고, 20개 이상의 센서들로부터 동시에 데이터를 판독할 수 있다. 하지만, 이러한 장치는 그 길이를 따라서 반사된 빛의 파장(전형적으로 단파장)을 변화시킴으로써 동작한다. 이것은 시스템의 많은 복잡성을 센서의 질의 장비로 몰아가는데, 이것은 반사된 빛의 매우 낮은 진폭에서 파장의 매우 작은 변화들(모든 주변부(fringe)의 간섭 효과)을 판독할 수 있어야 하기 때문이다. 이것은 제조 동안 유입된 많은 양의 가변성의 직접적인 결과라고 보이는데, 이는 구성을 복잡하게 할 수 있다.
게다가, 섬유 브래그 격자 센서 동작은 그 길이를 따라서 변화를 요한다(예컨대, 스트레칭, 구부림, 압력 등). 일부 경우들에 있어서, 이것은 유익하지만, 관심이 있는 단일 지점이 모니터될 필요가 있는 대부분의 다른 경우들에서, 이것은 골칫거리일 수 있다. 이것은 또한 센서로 하여금 보상되어야 하는 (섬유 부분의 굽음 또는 스트레칭에 기인해서) 온도 변화에 자연스럽게 민감하게 하는 경향이 있다.
대조적으로, 광자 결정은 대량 생산 능력, 반복가능성, 및 상당히 제어된 센싱 영역을 제공한다. 이 장치들은 또한 입사광의 더 큰 반환을 가지고 더욱 순수한 반사기(reflector)로서 작동한다. 결정 격자는 기존 반도체 기술을 이용해서 제작된다. 이후, 이 장치들은 집적 회로와 마찬가지 방식으로 웨이퍼로부터 절단될 수 있다. 기본적 설치를 위해서, 섬유 끝이 기존 텔레콤(telecomm) 타입 장비를 이용해서 연마되고, 격자구조 웨이퍼가 그 표면에 부착된다. 이 엘리먼트는 노출된 채 남아 있을 수 있고, 또는 의도된 어플리케이션에 따라서 파괴적 주변 상태로부터 결정을 보호하는 물질을 가지고 코팅될 수 있다. 광자 결정의 이용은 본 공개의 질의기 시스템을 구성하는 구성요소의 무게 및 복잡성을 현저하게 감소시켜서, 시스템의 소형화를 가능하게 한다.
도 2를 참조하면, 본 공개의 광학적 질의 시스템(200)은 복수의 광센서(202), 광스위치(204), 광케이블(206), 및 광학적 질의기(208)를 포함하는 것으로 보인다. 각각의 센서(202)는 상술한 FPPC(fiber-plus-photonic-crystal) 구조(100)를 포함한다.
광스위치(204)는 작고, 경량이고, 넓은 범위의 진동을 견딜 수 있는 집적된 전-고체-상태(all-solid-state) 장치일 수 있다. 하나 이상의 MEMS(microelectromechanical system switch)를 포함할 수 있는 이 장치는 혹독한 환경에서 신뢰할 수 있고, 고장에 견디고, 용이하게 이용할 수 있다. 도 2에서 도시된 광학적 네트워크는 신속하게 조정할 수 있는 반도체 레이저를 도파관 라우터(waveguide router)와 같은 광 수동(optical passive) 파장 라우터와 통합시킨다. 이 레이저는 높은 용량, 낮은 전력 소비 광 패킷(optical packet) 스위치 및 경량 질의기의 이용을 가능하게 한다.
광학적 질의기(208)는 운송수단 내에서 원격 위치에 위치된 시스템 센서의 상황을 모니터하기 위하여 운송수단 건전성 관리 시스템에 의해 이용되는 전기신호로 광신호를 변환하는데, 이것은 종래에 이용된 섬유 브래그 격자 센서 시스템과 유사하되 이를 대체한다.
도 3은 운송수단 네트워크에 고장 내성(failure tolerance)을 제공하는 여분의 아키텍처를 강조하는 본 공개에 따른 다른 시스템(300)을 도시한다. 도 1에 도시된 유형의 복수의 광센서(302)는 각각 커플러(305)를 통해서 MEMS 스위치(304a)에 연결된다. MEMS 스위치(304a)는 백업(back-up) 스위치(304b)로의 연결을 제공해서, 온보드(on-board) 광학적 네트워크는 광섬유 케이블 또는 도파관 격자 라우터의 고장의 경우에 최소 지연을 가지고 동작할 수 있다. MEMS 스위치(304a)들은 작고, 파장-둔감성이고, 광학적으로 투명해서, 설치 및 작동이 간단하다. 나아가, 이들의 스위칭 타임은 대략 10 마이크로 초인데, 적절한 리던던시(redundancy) 관리 구현을 고려할 때 이것은 대부분의 기능의 복구를 위해 충분히 빠르다. 시스템은 주 질의기(308a) 및 백업 질의기(308b)를 더 포함한다.
도 4는 본 공개의 광학적 질의기(208)를 이루는 구성요소들을 도시하는 블록도이다. 운송수단 네트워크(500)의 광센서와 제어 및 데이터 획득 시스템 간의 인터페이스를 제공하는 질의기(208)는 광섬유 수신기/송신기(232), 신호 조절(conditioning) 컨버터(234), A/D 컨버터(236), 및 마이크로콘트롤러(238)를 포함한다. 광섬유 수신기(232)는 광섬유로부터의 빛 세기를 전기신호로 변환하는데, 이것은 증폭되고, A/D 컨버터(236)로의 입력을 위해 신호를 조절하는 필터 회로로 통과된다. 거기서부터, 디지털화된 신호는 분석을 위해 마이크로콘트롤러(238)로 보내지고, 후자는 특정된 문턱(threshould) 아래로 떨어지는지 여부를 판단하기 위하여 신호를 모니터한다. 그러하다고 판단되면, 마이크로콘트롤러는 운송수단 네트워크(500)에 경고 신호를 보낸다.
도 5는 본 공개에 따른 운송수단의 구조 건전성을 모니터하기 위한 방법의 단계들을 도시하는 블록도이다. 블록 401에서, 제1 단계는 예컨대, 레이저 또는 LED에 의해서와 같이 광신호를 생성하는 것을 수반한다. 다음으로, 블록 402에서 도시된 바와 같이, 광신호는 운송수단 내에서 원격에 위치한 광센서에 겨냥된다. 센서는 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이, 케이블의 끝 표면에 설치된 광자 결정을 가진 광섬유 케이블을 포함한다. 블록 403에서, 광신호는 센서로부터 반사되고, 반환되어 블록 404에서 도시된 바와 같이 광신호 수신 장치에 의해서 캡쳐된다. 블록 405에 의해 도시된 단계에서, 광신호는 전기신호로 변환되고, 신호의 필터링 및/또는 증폭과 같은 임의의 신호 조절이 이후에 수행된다. 블록 406에 의해 도시된 단계에서 전기신호의 관심 속성이 측정된다. 관심이 있을 수 있는 신호의 속성은 그것의 진폭, 그것의 주파수, 그것의 파장 등을 포함한다. 블록 407에서 도시된 단계에서, 전기신호의 측정된 속성(들)은 측정된 속성의 수락가능한 상한값을 나타낼 수 있는 미리 선택된 문턱값과 비교된다. 다음으로, 블록 408에서 도시된 바와 같이, 본 방법은 전기신호 속성의 값이 각각의 문턱값을 초과하는지 여부에 대한 판단을 수행한다. 만일 전기신호 속성의 값이 문턱값을 초과한다면, 경보 신호가 (블록 409에서) 생성되고, 본 방법은 블록 410으로 진행하고, 여기서 모니터링 처리 스케줄의 요구조건에 따라 블록 401 내지 408의 단계들이 반복될 수 있다. 반면, 전기신호 속성의 값이 문턱값을 초과하지 않는다면, 본 방법은 블록 410으로 직접 진행하고, 여기서 모니터링 처리 스케줄에 따라 단계 401 내지 408이 반복된다. 모니터링 처리 스케줄은 사용자 소정 간격으로 광센서의 단일 질의, 연속적 질의, 사용자 선택 간격으로 반복된 세트의 질의, 또는 질의 및 간격의 임의의 조합을 요구할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 관심이 있을 수 있는 전기신호의 임의의 속성은 측정되고, 평가되고, 해당 문턱값에 대해 비교되고, 바람직하게는 운송수단 내에 설치 전에 판단되고 설정될 수 있다.
본 공개에 따른 광학적 질의 시스템은 경량이고, 소형화되고, 익스트림(extreme) 환경을 견딜 수 있다. 본 시스템은 화학적 센싱, 바이오 센싱, 및 온도, 압력 센싱에 적용될 수 있다. 또한, 이것은 항공기 동체에 내장될 수 있는데, 여기서 건전성 모니터링이 원해진다. 본 공개의 센서 질의 시스템은 가장 까다로운 환경들, 예컨대 엔진들 및 중량 부하(weight-bearing) 구조들로 침투한다; 이들의 패키징 및 전자적 집적은 온도, 기계적 진동, 부식성 물질, 및 전자기 간섭의 극한상황을 견디도록 설계되지만, 모니터되는 시스템의 동작에 역으로 영향을 주지 않도록 전체적으로 작은 부피 및 비침식적(non-intrusive) 동작을 유지한다.
본 공개의 장치는 질의기 하드웨어의 재사용을 증가시키기 위하여 스위치 타입 장치의 추가를 허용할 것이다. 섬유 브래그 격자 센서 시스템 기술의 현재 상황은 거의 배타적으로 스플리터(splitter) 및 커플러(coupler)를 사용하는 것에 중점을 두는 것으로 보인다. 이러한 배열은 센서 데이터로의 매우 빠른 액세스를 제공할 수 있는 반면, 시스템이 기본적으로 한 번에 모든 것에 연결되기 때문에, 모든 동시 반사가 한 번에 "디코딩"되어야 하는 것처럼 질의 장치 설계를 복잡하게 하는 것으로 보인다. 섬유 브래그 격자 센서는 또한 매우 좁은 스펙트럼 밴드에서 가벼운 수정만을 할 수 있는 것으로 보이고, 이것은 질의기 내에서 추가적 민감도를 요한다.
광자 결정 접근은 스위칭 장치가 사이즈에 따라 마이크로- 내지 밀리- 초 범위에서 동작하는 것을 허용한다. 구조 건전성 모니터링과 같은 경우에서, 항공기는 사실상 시스템이 모든 수 초, 분, 또는 심지어 시간에 투표되어야 하는 특정 상태들을 제외하고는 그것의 센싱 네트워크가 활성화되게 할 필요가 없을 수 있다. 이를 이용하면, 질의기 시스템의 복잡성, 비용, 및 사이즈를 감소시키는 것을 가능하게 하는 한편, 시스템으로 만들어질 수 있는 리던던시 또한 증가시킨다.
조명원을 위해서, 레이저 및 조절가능한 레이저 시스템은 현재 최고의 질의 장치인 것으로 보인다. CCD 타입 장비가 센싱 장치로서 이용될 수 있다; 하지만, 필터링된 빛 센서(filtered light sensor)들이 배열되어 이용될 수도 있다. 이 장치는 이미 섬유 브래그 격자 센서를 위해 사용되었지만, 광자 결정 기반 물질이 시스템의 설계를 훨씬 더 쉽게 만들고, LED와 같은 더욱 낮은 품질의 광원의 이용을 가능하게 할 수 있고, 이것은 또한 이러한 센서 시스템에서의 이용일 수 있는데, 더 많은 빛 에너지가 반사될 것이고 섬세한 파장 천이에 대해서 걱정할 필요가 더 적기 때문이다.
부가적으로, 이러한 센싱 접근법은 더욱더 낮은 비용의 센싱 해결책에 적합할 수 있다. 예를 들어, 사실상 더 싼 플라스틱 섬유 케이블, 광원을 위한 표준 발광 다이오드, 및 더 싼 빛 센서를 가지고 이 접근법을 해결하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 식으로, 동일한 센싱 시스템은 패널 스위칭, 단순 근접 센싱(문들), 및 저품질 압력형 어플리케이션(자동차에서 이용되는 것과 같은 탑승 무게 센싱 시스템), 및 낮은 무게, 낮은 비용, 거기에 EMI 배제 시스템이 이익이 되는 다른 어플리케이션 영역에서 저비용 이용을 위해 적용될 수 있다. 낮은 신뢰도-요구 시스템 및 높은 신뢰도 시스템 사이의 이러한 확장성은 연구 관점에서 매력적으로 보인다.
본 공개는 바람직한 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 본 공개의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경들이 만들어질 수 있고 등가물들이 그 구성요소들을 위해서 치환될 수 있다는 것이 당업자에 의해서 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 구조 내 적어도 하나의 광센서로부터 정보를 수집하기 위한 광학적 질의 시스템으로서:
    적어도 하나의 광센서와 통신하기 위한 광신호 생성기, 및
    적어도 하나의 광센서에 의해서 반환된 광신호를 수집하기 위한 광신호 수신 장치를 포함하고,
    각각의 광센서는 광섬유 가닥 및 광섬유 가닥에 설치된 광자 결정 웨이퍼(wafer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 광섬유 가닥은 연마된 단면을 가지고 제공되고, 광자 결정 웨이퍼는 광섬유 가닥의 연마된 단면 위에 고정되는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 광자 결정 웨이퍼는 일정 범위의 파장의 반사도 스펙트럼(reflectivity spectrum)의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 광신호가 동시에 전송되거나 수신될 수 있도록, 광신호 생성기와 광신호 수신 장치 사이에 배열된 스위칭 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 스위칭 메카니즘은 파장 분할 다중화(wavelength division multiplex) 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 스위칭 메카니즘은 MEMS 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 광신호 생성기는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 광신호 생성기는 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 광섬유는 측면-산란광 가이드(side-scattering light guide), 및 광섬유에 의해서 모니터되는 광섬유의 끝에 붙어 있는 일정 길이의 광자 결정 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 결정의 반사율 속성을 제어하기 위해 광자 결정과 연결된 전압 변환 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 광센서는 압력, 온도, 화학적 물질, 및 생물학적 물질 중 적어도 하나를 검출하는 것을 특징으로 하는 광학적 질의 시스템.
  12. 운송수단 구조의 구조 건전성을 모니터하기 위한 방법으로서:
    광신호를 생성하는 단계,
    광신호 생성기로부터 원격에 위치한 광센서에 광신호를 겨냥하는 단계,
    광센서로부터 반사된 반사 광신호를 캡쳐하는 단계, 및
    주변 상태의 변화를 판단하기 위해 반사 광신호를 분석하는 단계를 포함하고,
    광센서는 광신호 및 주변 상태와 광학적으로 상호작용하는 광자 결정 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 분석된 반사 광신호가 운송수단 구조의 주변 상태의 수락불가한(unacceptable) 변화를 나타내는 경우에, 제어 장치에 경보 신호를 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 반사 광신호를 분석하는 단계는 맨 먼저 광신호를 전기신호로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 광센서로서,
    자유단을 갖는 유한 길이의 광섬유, 및
    광섬유의 자유단에 설치된 광자 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  16. 제 15 항에 있어서, 광섬유 자유단은 연마된 표면을 포함하고, 상기 결정은 상기 연마된 표면에 고정되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  17. 제 15 항에 있어서, 광자 결정은 파괴적인 주변 영향으로부터 상기 결정을 보호하는 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 결정에 일정 범위의 전압을 인가하기 위한 장치를 더 포함하고, 전압은 상기 결정의 반사율 속성을 변경시키는 것을 특징으로 하는 광센서.
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