KR20200022431A - 형광단 강화된 다차원 광센서 - Google Patents

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KR20200022431A
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에리코 보버로
가산 알라베디
압둘라 에이. 알-샤라니
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

광 변위 센서는 a) 연장된 길이방향 축을 따라 정렬된 제1 밴드갭을 갖는 코어 섹션, 및 b) 제2 밴드갭을 갖고 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 포함하는 광섬유를 포함한다. 제1 밴드갭은 길이방향 축을 따라 지향되는 제1 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되고, 제2 밴드갭은 길이방향 축에 횡으로 지향되는 제2 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되며, 광섬유의 제1 및 제2 밴드갭 중 적어도 하나에서의 시프트에 기초하여 변위가 검출되어, 광섬유의 변위에 비례하는 방사선의 강도가 검출되게 할 수 있다.

Description

형광단 강화된 다차원 광센서
본 발명은 광 센서에 관한 것으로, 특히 형광단에 의해 발생된 방사선을 이용하는, 구조물의 변형을 검출하기 위한 다차원 광 센서에 관한 것이다.
석유 및 가스 산업에서 사용되는 파이프라인 및 용기 구조물들은 시간이 지남에 따라 구조물 내에 누적되어 결함을 일으킬 수 있는 응력에 노출된다. 불행하게도, 이러한 구조물들이 응력에 의해 손상되고 있는지 여부를 판단하는 것은 쉽게 관찰할 수 있는 결함들이 발생하기 전까지는 일반적으로 어렵다.
구조적 물질들, 예를 들어, 파이프라인에 사용되는 비금속 파이프에 대한 비파괴 검사 기술의 이용 가능성은 제한적이다. 대부분의 경우, 지금까지 이용 가능한 기술은 물질에 손상을 주거나 실험적이고 신뢰성이 없다. 비-파괴 검사를 위한 현재의 실험적 기술들을 고려하더라도, 현재 어떠한 기술들도 결함들의 형성을 신뢰성 있게 예측할 수 없고, 따라서, 일반적으로 기존의 결함들만을 검출하는 데에 사용된다.
보다 구체적으로, 기존의 건축 물질 및 이에 대응하는 물질 검사를 위한 시스템과 기술은, 결함이 발생하기 전에 결함이 예측될 수 있는 정도의 충분한 정확도 및 정밀도로 신장 응력 또는 압축 응력과 같은 물질 상의 또는 물질 내의 응력의 존재를 검출하기에는 부적합하다. 물질 결함을 감지하기 위해 현재 이용 가능한 기술은 일반적으로 일차원 섬유 브래그 격자(fiber Bragg gratings)에 기초한다. 이들 섬유는 1차원 정보를 제공한다. 즉, 이들은 섬유의 길이를 따라 발생하는 응력만을 검출할 수 있고, 구조물 물질 내에서 상당한 균열 및 파열로 이미 손상된 물질에 대응하는 상당한 응력만을 검출할 수 있다.
신속하고 비-파괴적으로 수행될 수 있는 큰 구조물에서의 변형을 정확하게 검출하기 위한 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본원에는 이러한 고려 사항들과 그 밖의 다른 고려 사항들에 관련된 것이 개시된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, a) 연장된 길이방향 축을 따라 정렬된 제1 밴드갭을 갖는 코어 섹션, 및 b) 제2 밴드갭을 갖고 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 포함하는 광섬유를 포함하는 광 변위 센서가 제공된다. 제1 밴드갭은 길이방향 축을 따라 지향되는 제1 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되고, 제2 밴드갭은 길이방향 축에 횡으로 지향되는 제2 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되며, 광섬유의 제1 및 제2 밴드갭 중 적어도 하나에서의 시프트에 기초하여 변위가 검출되어, 광섬유의 변위에 비례하는 방사선의 강도가 검출되게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 광섬유의 코어 섹션은 섬유 브래그 격자를 포함하고, 클래딩 섹션은 광결정 섬유로 구성된다.
다른 실시예에서, 광 변위 센서는 클래딩 섹션 내에 매립된 복수의 형광단을 더 포함한다.
광 변위 센서의 실시예는 또한 클래딩을 통해 누설된 방사선을 수신하기 위해 광섬유의 클래딩에 인접하게 위치된 수집 섬유를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 광 변위 센서는 제3 밴드갭을 갖는 코어 섹션 및 상기 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 포함하는 제2 광섬유를 더 포함하고, 상기 제1 광섬유가 신장을 감지하고, 제2 광섬유가 압축을 감지하도록 구성되거나 그 반대로 감지하도록 구성된다. 그러한 구현예는 또한 제1 광섬유 및 제2 광섬유 중 적어도 하나를 통해 누설된 방사선을 수신하기 위해 광섬유의 클래딩에 인접하게 위치된 수집 섬유를 포함할 수 있다.
광 변위 센서의 실시예는 제1 밴드갭과 중첩되는 방출 파장을 갖는 코어 섹션에 위치된 복수의 형광단을 더 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 복수의 형광단은 제1 유형의 형광단 및 제2 유형의 형광단을 포함하며, 제2 유형의 형광단은 제1 유형의 형광단의 방출에 의해 여기될 수 있다. 제1 유형의 형광단은 툴륨 이온(Tm+3)을 포함할 수 있고, 제2 유형의 형광단은 디스프로슘 이온(Dy+3)을 포함할 수 있다.
광 변위 센서의 다른 실시예는 클래딩 내에 제2 코어 섹션을 포함하고, 제2 코어 섹션은 제1 코어 섹션의 제1 밴드갭과 상이한 제3 밴드갭을 갖는다. 일부 구현예에서, 광 변위 센서는 클래딩 섹션에 위치된 복수의 형광단을 포함할 수 있다. 클래딩으로부터의 방사선을 수신하기 위해, 수집 섬유가 클래딩에 인접하게 배치될 수 있다. 수집 섬유는 또한 복수의 형광단을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 또한, 구조물 내에 광 센서를 매립하는 단계를 포함하는 구조물 내의 변위를 결정하는 방법을 포함하는데, 상기 광 센서는 연장된 길이방향 축을 따라 정렬된 제1 밴드갭을 갖는 코어 섹션과, 제2 밴드갭을 갖고 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 갖는 광섬유를 포함하고, 상기 제1 밴드갭은 상기 길이방향 축을 따라 지향되는 제1 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되고, 제2 밴드갭은 상기 길이방향 축에 대해 횡으로 지향되는 제2 파장을 중심으로 한 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성된다. 상기 방법은 또한 광섬유를 통해 제1 밴드갭 근처로 튜닝된 파장의 검사 방사선을 송신하는 단계와, 코어 섹션 및 클래딩 중 적어도 하나를 통해 검출된 방사선의 양에 따라 구조물 내의 변위를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 형광단은 클래딩 내에 매립되어 있다.
본 발명의 방법의 일부 실시예는 광섬유의 클래딩에 인접하게 수집 섬유를 위치시키는 단계와, 수집 섬유의 출력부에서 방사선을 모니터링하는 단계를 더 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 방법은 제1 밴드갭과 상이한 제3 밴드갭을 갖는 코어 섹션을 가지는 제2 광섬유를 구조물 내에 매립하는 단계와, 수집 섬유의 출력부에서 검출된 방사선의 파장에 따라 변위가 압축 또는 신장인지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 모니터링은 광 센서로부터 원격으로 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 코어 섹션 내에 제1 및 제2 유형의 형광단을 매립하는 단계를 더 포함하고, 제2 유형의 형광단은 제1 유형의 형광단의 방출에 의해 여기될 수 있다. 코어 섹션은 섬유 브래그 격자를 포함할 수 있고, 클래딩 섹션은 광결정 섬유로 구성된다.
이들 및 다른 측면, 특징 및 이점은 본 발명의 특정 실시예 및 첨부된 도면 및 청구의 다음의 설명으로부터 이해될 수 있다. 도면은 예시적이고 모범적인 것으로서, 도시된 요소들을 절대적인 의미에서나 혹은 상대적 의미에서 반드시 정확하게 실척으로 나타내는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 1차원 밴드갭을 갖는 광 물질의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 일 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 3은 수집 섬유를 포함하는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 4는 2개의 섬유 센서를 포함하는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 5a는 섬유 코어 내의 형광단을 포함하는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 5b는 코어 내에 2가지 유형의 형광단을 갖는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 6은 이중-코어 섬유를 포함하는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
광 밴드갭 섬유와 같은 광 장치들은, 굴절률 또는 유전 상수와 같은 광학 특성의 공간적인 주기적 변조를 포함한 물질을 포함한다. 광학 특성의 변조는 물질에 스펙트럼 민감도를 부여한다. 특히, 선택된 변조는 물질로 하여금 "밴드갭(band gap)"이라고 불리는 제한된 스펙트럼 대역 내의 입사 방사선을 반사하고, 해당 스펙트럼의 다른 모든 부분들을 투과시키게 할 수 있다. 이러한 물질은 "밴드갭 물질"로 지칭된다. 물질의 신장 또는 압축은 광학 특성의 주기적 변조에서의 대응하는 변화를 야기하고, 이는 다시 더 높거나 더 낮은 파장으로의 밴드갭의 시프트를 야기하기 때문에, 밴드갭 물질들을 포함하는 광 장치들은 변형 및 변위 센서를 위한 유용한 검출 요소들이다. 이러한 시프트는 "검사(inspecting) 방사선"을 사용하여 밴드갭 물질을 조사함으로써 측정할 수 있다. 검사 방사선이 물질에 의해 그리고 물질을 통해 반사 및/또는 투과되는 방식은 물질에서의 변위 또는 변형을 드러낼 수 있다.
밴드갭 물질들은, 물질의 광학 특성의 변형(perturbation) 또는 변화가 직교 축들을 따라 공간적으로 변할 수 있다는 점에서 1차원, 2차원 또는 3차원적일 수 있다. 예를 들어, 다차원 밴드갭 물질에서, 유전 상수의 주기적 변조는 서로에 대한 각도에서 서로 다른 공간 축들을 따라 상이하다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 상이한 1차원 밴드갭을 갖는 광 물질(100)의 개략도이다. 광 물질은 길이방향 축(L1)을 따라 정렬된 다수의 변조된 섹션들(예를 들어, 104, 106, 108, 110)을 포함하는 중심 코어(102)를 포함한다. 코어 섹션은 인접한 부분들(예를 들어, 104, 106)이 교호하는 유전 상수들을 갖도록 제조된다. 교호하는 섹션들은 광 물질에, 축(L1)을 따라 제1 파장(λ1)을 중심으로 하는 밴드갭을 제공한다. 즉, 축(L1)을 따라 코어(102)를 통해 전파되는 다파장 광은 파장(λ1)을 중심으로 하는 스펙트럼 부분을 반사시킬 것이고, 나머지 스펙트럼 성분들은 축(L1)을 따라 투과될 것이다. 또한, 광 물질(100)는 횡방향 축(L2)을 따라 배열된 교호하는 섹션들(예를 들어, 112, 114, 116, 118)을 포함한다. 횡방향 섹션들(112, 114, 116, 118)은 또한 교호하는 유전 상수들을 가진다. 이는 다른 기술들을 이용하여 달성될 수 있다. 일부 구현예에서, 광 물질은, 교호하는 유전 상수 효과를 생성하기 위해 유리 물질과 교호되는 중공(hollow) 튜브를 포함하는, 광결정 섬유를 포함한다. 횡 단면도는 횡방향 축(L2)을 따라 제2 파장(λ2)을 중심으로 하는 밴드갭을 광 물질에 제공한다. 축(L2)을 따라 광 물질을 통해 전파되는 광은 파장(λ2)에 중심을 둔 스펙트럼 부분을 반사시키지만, 나머지 스펙트럼 성분들은 축(L2)을 따라 투과될 것이다.
통상적인 응용에서, 광 물질은 대개, 섬유 또는 케이블과 같은 투과 경로로서 작용하는 특정한 축(예를 들어, L1)을 따라 연장된다. 이러한 기하학적 구조에서, 연장된 축을 따르는 주기적 변조는 다른 방향을 따르는 것보다 더 신장된 크기를 가진다. 검사 방사선은 정상적인 조건 하에서 교란되지 않고, 길이방향을 따라 전파될 수 있다.
도 2는 광 밴드갭 섬유로서 구현되는 본 발명에 따른 광 변위 센서(200)의 일 실시예를 도시한다. 센서(200)는 코어(210) 및 주변의 클래딩(220)을 포함하고 길이방향 축(L)을 따라 연장된다. 코어(210)는 축(L)을 따라 길이방향으로 배열되는, 주기적으로 교호하는 굴절률을 가진 섹션들(예를 들어, 섹션 212, 214, 216, 218)을 포함한다. 코어(210)는 모니터링을 위해 장치의 길이를 따라 다량의 검사 방사선을 투과시키도록 의도된다. 코어(210)는 유리 또는 고분자 물질로 제조될 수 있다. 클래딩(220)은 코어를 둘러싸고, 패터닝된 결정 구조를 갖는다. 클래딩(220)의 패터닝된 구조는, 코어 주위의 대략 대칭적인 패턴으로 배열된 세관(tubule)들(예를 들어, 222, 224, 226)을 포함한다. 세관들은 속이 비어 있을(hollow) 수 있거나(즉, 공기를 함유할 수 있음), 또는 결정 구조(예를 들어, 고분자 실리카)의 주변 베이스 물질과 상이한 굴절률을 갖는 다른 물질을 함유할 수 있다. 이러한 구성에서, 방사상 방향을 따라 보았을 때, 세관들의 영역들과 베이스 물질 사이의 교호는 방사상 축들을 따른 밴드갭을 생성한다. 클래딩(220) 내에 교호하는 굴절률 영역을 제공하기 위한 다른 구성이 또한 사용될 수 있다. 클래딩(220)의 베이스 물질의 굴절률은 또한 코어의 굴절률보다 더 높게 선택된다. 광 밴드갭 섬유에서, 방사선은 단순히 코어와 클래딩의 굴절률 간의 차이를 통해 가이드되는 것이 아니라, 클래딩의 밴드갭에 의해 코어 내에 가이드될 수 있다. 투과된 방사선의 파장이 밴드갭 내에 있도록 선택되는 경우, 그에 의해 섬유 클래딩의 밴드갭은 정상 조건들 동안에 투과된 방사선을 코어(210) 내에 가이드하여 투과 효율을 높게 향상시킨다.
또한, 클래딩(220)은 제1 파장의 방사선의 흡수에 의해 여기되는 경우 보다 긴 파장의 방사선을 재방출하는 물질을 구성하는, 매립된 형광단(예를 들어 232, 234, 236)을 포함한다. 형광단(232, 234, 236)은 선택가능한 흡수 및 방출 대역을 갖는 유기 분자, 전이 금속이나 란탄족 이온, 양자점 또는 반도체 나노결정일 수 있다. 도 1의 실시예를 위해, 형광단(232, 234, 236)은 코어(210)의 광 물질의 밴드갭과 중첩되는 흡수 대역을 갖도록 선택될 수 있다.
동작 시, 장치(200)가 변형되고 응력에 노출되었는지를 결정하기 위해 검사 방사선이 사용된다. 코어(210)의 밴드갭을 약간 벗어난 선택된 파장의 검사 방사선이 축(L)을 따라 투과된다. 변형이 없는 경우, 검사 방사선은 코어를 통해 다른 영향 없이 전파될 것이다. 클래딩(220) 내의 압축 또는 신장 변형은 클래딩(220)의 밴드갭 에너지 및 굴절률의 주기적 변조를 변화시킨다. 이러한 변화로 인해, 코어(210)와 클래딩(220) 사이의 계면은 더 이상 내부 전반사를 유지하지 못하고, 코어로부터의 방사선이 클래딩 내로 누설될 수 있다. 누설된 방사선의 양은 변형의 정도에 대략 비례한다. 누설된 방사선은 직접적으로 검출될 수 있거나, 또는 여기 형광단(232, 234, 236)에 의해 방사선이 증폭될 수 있다. 형광단(232, 234, 236)으로부터 생성된 방출은 그 후 그들이 흡수하는 방사선의 양, 및 따라서 변형의 수준에 대략적으로 비례할 것이다. 형광단(232, 234, 236)으로부터의 방출은 다수의 상이한 방식으로 검출될 수 있다. 일부 구현예에서, 방출은 직접 관찰될 수 있다. 대안적으로, 방출은 섬유의 길이를 통해 연속적으로 모니터링될 수 있다.
도 3에 도시된 광 변위 센서의 다른 실시예에서, 부가적인 섬유(250)가 센서(200)에 인접하여 배치되고, 클래딩(220)을 통과하여 형광단(232, 234, 236)에 의해 방출되는 방사선을 수집하는 데에 사용된다. 부가적인 섬유(250)는 일반적인 광섬유일 수 있으며, 광결정 섬유이거나 섬유 브래그 격자 특징부를 포함할 필요가 없다. 부가적인 섬유(250)에 의해 포획된 방사선이 섬유의 길이에 걸쳐 변동 없이 전파될 수 있기 때문에, 센서(200)의 변형은 섬유(250)의 출력부에서 원격으로 검출될 수 있다. 원격 위치에서의 방사선의 존재는 변형이 발생했음을 나타낸다. 모니터링된 방사선의 강도는 변형의 크기(거리) 또는 위치에 대응한다.
광섬유의 축을 따른 변형의 경우에, 코어 밴드갭의 연관된 시프트가 검사 방사선의 파장과 중첩될 수 있도록, 검사 방사선은 코어(210)의 밴드갭에 근접하게 튜닝되는 것이 바람직하다. 그러나, 신장 및 수축은 밴드갭을 반대 방향으로 시프트시키는 경향이 있기 때문에, 정확한 유형의 변형(신장 대 수축)이 발생하는 경우에만 정확한 시프트가 발생한다. 그러므로, 구조물의 2가지 유형의 변위를 포괄적으로 모니터링하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 변위 센서(400, 450)가 사용될 수 있다. 센서들(400, 450)은 각각 형태가 동일할 수 있고, 구조화된 클래딩 및 형광단을 포함하는 도 2에 도시된 광결정 섬유와 동일한 유형을 가질 수 있다. 센서(400)는 코어 섹션(410)을 갖고, 센서(450)는 코어 섹션(460)을 가진다. 코어 섹션(410)은 제1 밴드갭(BG1)을 가지는 반면, 코어 섹션(460)은 제2 밴드갭(BG2)을 가지며, BG1과 BG2은 동일하지 않다. 특히, BG1은 검사 파장보다 약간 더 높고, BG2는 검사 파장보다 약간 낮은(또는 그 반대인) 경우에 유용하다. 예를 들어, 검사 파장은 530 nm 주위의 녹색 어디쯤의 가시 스펙트럼에 중심을 둘 수 있고, BG1은 검사 파장 약간 아래의 500 nm에 설정되고, BG2는 검사 파장의 약간 위의 560 nm에 설정될 수 있다. 검사 파장의 전파가 BG1에서 차단되는 경우에, 섬유의 압축이 표시되고, 검사 파장이 BG2에서 차단되면, 섬유의 신장이 표시된다.
이 경우, BG1을 갖는 센서(400)는 신장 응력에 민감한 반면, BG2를 갖는 센서(450)는 압축 응력에 민감하다. 이러한 실시예에서, 수집 섬유(480)도 또한 사용될 수 있다. 각각의 센서에 대해 수집 섬유를 사용하는 것이 가능하지만, 일부 실시예에서, 센서(400, 450) 모두로부터 누설된 방사선 및 형광단 방출을 수신하기 위해 하나의 수집 섬유가 사용될 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 광 변위 센서의 다른 실시예를 도시한다. 센서(500)는 또한, 코어 섹션(510) 및 클래딩(520)을 포함한다. 본 실시예에서, 코어(510)는 형광단(예를 들어, 집합적으로 532)을 포함하고, 스펙트럼 밴드갭(BG3)을 갖는다. 클래딩은 또한 형광단(예를 들어, 542)을 포함한다. 형광단(532)의 방출 파장은 정상 조건(변위 또는 변형이 없음) 하에 밴드갭(BG3)과 중첩한다. 따라서, 정상 조건 하에서, 코어(510)를 통한 임의의 형광단 방출은 밴드갭(BG3)에 의해 차단된다. 센서의 동작 시, 코어(510) 내에 응력이 발생하면, 밴드갭(BG3)은 변경된 밴드갭(BG3')으로 시프트되며, 이는 형광단(532, 534, 536)의 방출 파장과 일치하지 않는다. 그 후, 형광단으로부터의 방출은 더 이상 차단되지 않고, 코어(510)를 통해 전파될 수 있으며, 섬유 센서의 출력부에서 원격으로 모니터링될 수 있다. 방출의 세기는 코어의 변형의 수준에 직접 비례한다.
도 5b는 광 센서(550)가, 상호작용할 수 있는 두 타입의 형광단을 포함하는, 도 5a의 실시예의 변형예를 도시한다. 제1 유형의 형광단(예를 들어, 집합적으로 562)은 코어 섹션(560) 내에 위치되고, 제2 유형의 형광단(예를 들어, 집합적으로 572)은 또한 코어 섹션(560) 내에 위치된다. 형광단(572)은 형광단(562)의 방출에 의해 여기될 수 있도록 선택된다. 코어가 응력을 받고 형광단(562)으로부터의 방출이 코어(560) 내로 그리고 그 밖으로 이동할 때, 형광단(572)으로 에너지가 전달되고, 이어서 방사선을 방출한다. 이러한 방식으로, 형광단(572)으로부터의 방출은 코어(560)에서의 응력의 크기에 비례할 것이다. 코어(560)의 밴드갭(BG4)은 형광단(562)과 형광단(572) 사이의 에너지 전달 파장(즉, 형광단(562, 572)의 방출 파장)으로 튜닝된다. 따라서, 정상적인 무-응력 조건 하에서 형광단(562)이 코어(560)를 통해 이동하는 검사 방사선 파장에 의해 연속적으로 여기될 수 있지만, 밴드갭(BG4)은 형광단(562)의 방출이 형광단(572)으로 이동하는 것을 적어도 부분적으로 방해한다. 코어(560)가 변형되고, 코어의 밴드갭(BG4)이 상응하게 시프트되는 경우, 형광단(562)으로부터의 방출은 형광단(572)으로 이동하여 이를 여기시킬 수 있다. 또한, 형광단(572)의 방출은 섬유를 따라 보다 자유롭게 이동할 수 있고, 포획될 수 있는 형광 및 방사선의 전체 강도를 증가시킨다.
동일한 실시예의 또 다른 변형에서는, 형광단 사이에 어떠한 에너지 전달도 필요하지 않다. 형광단(562)의 방출은 코어의 밴드갭의 파장보다 약간 더 짧은 파장에 있는 반면, 다른 형광단(572)의 방출은 약간 더 긴 파장에 있다. 정상적인 작동 조건에서, 2개의 방출은 여기 파장과 함께 섬유를 통해 전파된다. 압축 변형의 경우, 코어 브래그 격자의 밴드갭은 보다 짧은 파장 형광단과 중첩될 것인 반면, 신장 변형의 경우, 이는 더 긴 파장 형광단과 중첩될 것이다. 따라서, 방출 파장이 누락되는 것을 관찰함으로써 변형을 모니터링할 수 있다.
이러한 메카니즘에 적절한 형광단의 예로는 형광단(562)의 경우 란탄족 이온 툴륨(Tm3+)이 있고, 형광단(572)의 경우 디스프로슘(Dy3+)이 있다. 검사 방사선 파장은 1G4레벨 이상의 임의의 에너지 레벨, 예를 들어, 370 nm에서 1D2 레벨을 여기시키도록 튜닝될 수 있다. 클래딩(570)은 검사 방사선을 코어(560) 내에 유지하기 위해 동일한 에너지 레벨로 튜닝되는 것이 유리하다. Tm3+ 및 Dy3+ 사이의 에너지 전달은 레벨들(1G4 → 4F9/2)을 통해 발생하므로, 밴드갭(BG4)은 500 nm의 전달 에너지로 튜닝된다. 변형이 발생할 때, 단위 또는 변형 마다 더 큰 강도의 방사선이 투과되기 때문에, 상기 실시예는 모니터링된 신호의 증폭을 제공한다. 많은 다른 적절한 형광단 조합이 또한, 적절하게 튜닝된 여기 파장과 함께 사용될 수 있다. 특히, 다른 예시적인 형광단 시스템은 1550 nm에서 근적외선 파장을 사용하여 코어를 통해 전파된다. 이러한 파장은 광섬유 통신에 일반적으로 이용되며 통상적인 C-밴드로 정의된다. 이는 에르븀(Er3+)을 사용하여 생성된다. 이러한 형광단 시스템은 대부분의 광섬유가 이러한 파장에 동작하도록 최적화되는 이점을 가진다. 이 경우에, 고려되는 에너지 전달 메커니즘은 업-변환이고, 그 결과, 가시 범위에서 훨씬 더 높은 에너지로 방출하는 형광단으로 방출이 전달된다. 이러한 메커니즘을 통하여, 변형의 존재 하에 비-가시 방사선이 가시 방사선으로 변환된다. 유사한 결과를 얻기 위해, 코어에서 Yb3+의 980 nm파장이 사용될 수 있다.
도 6은 콤팩트한 디자인을 갖는 본 발명에 따른 광 변위 센서(600)의 다른 실시예를 도시한다. 센서(600)는 클래딩(630)에 의해 둘러싸인 2개의 코어들(610, 620)을 갖는 광결정 섬유(605)를 포함한다. 부가적인 수집 섬유(640)는 섬유(605)에 인접하여 위치된다. 코어(610)는 밴드갭(BGDC 1)을 갖고, 코어(620)는 밴드갭(BGDC 1)을 가지며, 클래딩(630)은 밴드갭(BGDC 3)을 가진다. 클래딩의 광 밴드갭(BGDC 3)에 의해 크게 결정되는 바와 같이, 코어(610, 620) 내에서 방사선이 가이드된다. 검사 방사선의 파장은 밴드갭(BGDC 1)보다 더 높고 밴드갭(BGDC 2)보다 더 낮게 또는 그 반대로 튜닝된다. 코어(610) 내의 압축 응력은 BGDC 1이 시프트되고 검사 방사선의 파장 방사선과 중첩되게 할 것이며, 따라서 방사선 소광(radiation quenching)을 야기할 것이다. 코어(620)에서의 신장 응력은 BGDC 1이 시프트되고 검사 방사선의 파장 방사선과 중첩되게 할 것이며, 따라서 또한 방사선 소광을 야기할 것이다. 부가적으로, 섬유의 방향에 수직한 방향을 따른 압축 또는 신장 응력은 클래딩(630)의 주기적인 구조의 변화를 야기할 것이고, 따라서 코어를 통해 투과되는 방사선이 클래딩(630)을 통해 누설될 수 있다. 누설된 방사선의 검출은 클래딩 내의 응력의 존재를 직접적으로 나타낸다. 누설된 방사선의 검출을 용이하게 하기 위해, 일부 구현예에서 클래딩(630)은 검사 방사선에 의해 여기될 수 있는 형광단(예를 들어, 635)을 포함할 수 있다. 이어서, 임의의 형광단 방출의 강도는 방사선 누설의 크기 및 클래딩의 변형에 직접적으로 비례한다.
방사선의 누설 또는 형광단(635)의 방출은 제3 코어를 통해 또는 부가적인 섬유(640)를 통해 수집될 수 있다. 부가적인 섬유(640)는 일반적인 광섬유일 수 있으며, 광결정 섬유이거나 섬유 브래그 격자 특징부를 포함할 필요가 없다. 섬유(640)의 기능은 누설된 방사선 또는 형광단 방출을 상당한 손실 없이 근처의 또는 원격의 모니터링 장비에 전달하는 것이다. 일부 구현예에서, 형광단(예를 들어, 645)은 또한 수집 섬유(640)의 코어 내에 포함될 수 있다. 광섬유(605) 형광단으로부터 누설된 방사선은 수집 섬유(640) 내의 형광단(645)을 여기시켜 출력 신호를 증대시킬 수 있다. 이러한 센서(600)에서, 형광단(635)이 임의의 변형에 의해 야기된 누설을 검출하고 증대시켜 더 큰 방사선 강도가 수집 섬유(640)에 도달하도록, 형광단(635, 645)이 모두 동시에 사용될 수 있다. 결과적으로, 형광단(645)은 수집 섬유(640)에 수신된 방사선을 검출하고 증대시킨다.
일반적으로, 투과되는 검사 방사선의 파장은 모니터링이 필요한 구조물 내의 최소 변위 또는 변형의 크기에 기초하여 선택될 수 있다. 원하는 모니터링되는 변형 크기는 연관된 밴드갭의 파장 범위와 광 구조물의 주기성의 크기를 결정한다.
설명된 실시예는 몇 가지 유리한 특징을 제공한다. 광결정 밴드갭 섬유의 사용은 다차원 변위 검출을 제공한다. 형광단의 첨가는 변위 및 변형에 의해 야기되는 방사선 누설 및/또는 방출을 증대시킴으로써 검출의 용이성을 향상시킨다. 형광단은 방출의 존재 또는 부재에 의해 광 물질 내의 응력 및 변형의 검출을 향상시킨다. 2차원 밴드갭의 부가는 방사상 또는 횡방향 축들을 따른 민감도를 부가한다. 또한, 튜닝가능한 밴드갭 파장은 고에너지(단파장)이기 때문에, 센서들의 감도는 서브-마이크론 범위에서 매우 높을 수 있다.
본원에 개시된 임의의 구조적 및 기능적 세부사항은 시스템 및 방법을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 통상의 기술자에게 상기 방법을 구현하기 위한 하나 이상의 방식을 교시하기 위한 대표적인 실시예 및/또는 배열로서 제공되는 것으로 이해되어야 한다.
도면에서 유사한 숫자는 다수의 도면에 걸쳐 유사한 요소를 나타내고, 도면을 참조하여 기술되고 도시된 모든 구성요소 및/또는 단계가 모든 실시예 또는 배치에 필수적인 것이 아니라는 점도 또한 이해되어야 한다. 간결성을 위해, 많은 수가 존재하는 특정 요소는 어두에 "예를 들어"라는 말을 사용하는 것을 포함하는 부분집합에 의해 언급되었으며, 이는 후속하는 경우에서는 "예를 들어"라는 말을 사용하지 않고 언급된다. "예를 들어"라는 말에 의해 언급되는 부분집합은 모든 유사한 요소들을 지칭하며, "예를 들어"라는 말이 없이 그 뒤에서 사용되는 부분집합은 제한적인 것이 아니라 그러한 모든 유사한 요소들을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 단지 설명하기 위한 목적이며 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 단수형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어들 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 성분의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이들의 군의 존재 또는 첨가를 배제하지는 않는 것으로 추가로 이해될 것이다.
배향의 용어들은 본 명세서에서 단지 컨벤션 및 참조의 목적으로 사용되며 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 그러나, 이들 용어들은 관찰자와 관련하여 사용될 수 있는 것으로 인식된다. 따라서, 어떠한 제한도 암시되거나 추론되지 않는다.
또한, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본원에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "가지는(having)", "포함하는(containing)", "포함하는(involving)", 및 그 변형들을 사용하는 것은 그 뒤에 나열된 요소들과, 부가적인 요소들뿐만 아니라 그 균등물들을 포함(encompass)하는 것을 의미한다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 통상의 기술자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화들이 이루어질 수 있고 등가물들이 그들의 구성 요소들을 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 통상의 기술자는 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 기구, 상황 또는 재질을 적용하기 위한 많은 변형이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려된 최상의 방식으로 개시된 특정한 실시예에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 광 변위 센서로서,
    광섬유를 포함하되, 상기 광섬유는,
    연장되는 길이방향 축을 따라 정렬된 제1 밴드갭을 갖는 코어 섹션; 및
    제2 밴드갭을 갖고 상기 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 포함하고,
    상기 제1 밴드갭은 상기 길이방향 축을 따라 지향되는 제1 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되며, 상기 제2 밴드갭은 상기 길이방향 축에 횡으로 지향되는 제2 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되고,
    상기 광섬유의 상기 제1 및 제2 밴드갭 중 적어도 하나의 시프트에 기초하여 변위가 검출되어, 상기 광섬유의 상기 변위에 비례하는 방사선의 강도가 검출되게 하는, 광 변위 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어 섹션은 섬유 브래그 격자를 포함하고, 상기 클래딩 섹션은 광결정 섬유로 구성되는, 광 변위 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 섹션 내에 매립되는 복수의 형광단을 더 포함하는, 광 변위 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클래딩을 통해 누설된 방사선을 수신하기 위해 상기 광섬유의 클래딩에 인접하게 위치된 수집 섬유를 더 포함하는, 광 변위 센서.
  5. 제1항에 있어서, 제3 밴드갭을 갖는 코어 섹션과 상기 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 포함하는 제2 광섬유를 더 포함하고, 상기 제1 광섬유는 신장을 감지하고 상기 제2 광섬유는 압축을 감지하도록 구성되거나, 또는 그 반대로 감지하도록 구성되는, 광 변위 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유 중 적어도 하나를 통해 누설된 방사선을 수신하도록 상기 광섬유의 클래딩에 인접하게 위치된 수집 섬유를 더 포함하는, 광 변위 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 코어 섹션 내에 위치된 복수의 형광단을 더 포함하며, 상기 복수의 형광단은 상기 제1 밴드갭과 중첩되는 방출 파장을 갖는, 광 변위 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 형광단은 제1 유형의 형광단 및 제2 유형의 형광단을 포함하고, 상기 제2 유형의 형광단은 상기 제1 유형의 형광단의 방출에 의해 여기될 수 있는, 광 변위 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 유형의 형광단은 상기 코어의 상기 제1 밴드갭보다 약간 더 짧은 방출 파장을 갖고, 상기 제2 유형의 형광단은 상기 코어의 상기 제1 밴드갭보다 약간 더 긴 방출 파장을 갖는, 광 변위 센서.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 유형의 형광단은 툴륨 이온(Tm+3)을 포함하고, 상기 제2 유형의 형광단은 디스프로슘 이온(Dy+3)을 포함하는, 광 변위 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 내에 제2 코어 섹션을 더 포함하고, 상기 제2 코어 섹션은 상기 제1 코어 섹션의 상기 제1 밴드갭과 상이한 제3 밴드갭을 갖는, 광 변위 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 클래딩 섹션 내에 위치되는 복수의 형광단을 더 포함하는, 광 변위 센서.
  13. 제11항에 있어서, 상기 클래딩으로부터의 방사선을 수신하도록 상기 클래딩에 인접하게 위치되는 수집 섬유를 더 포함하는, 광 변위 센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 수집 섬유는 복수의 형광단을 포함하는, 광 변위 센서.
  15. 구조물 내의 변위를 결정하는 방법으로서,
    상기 구조물 내에 광 센서를 매립하는 단계 - 상기 광 센서는 연장된 길이방향 축을 따라 정렬된 제1 밴드갭을 가진 코어 섹션과, 제2 밴드갭을 갖고 상기 코어 섹션을 둘러싸는 클래딩 섹션을 갖는 광섬유를 포함하고, 상기 제1 밴드갭은 상기 길이방향 축을 따라 지향되는 제1 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성되고, 상기 제2 밴드갭은 상기 길이방향 축에 횡으로 지향되는 제2 파장을 중심으로 하는 방사선의 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성됨 - ;
    상기 광섬유를 통해 상기 제1 밴드갭 근처로 튜닝된 파장의 검사 방사선을 투과시키는 단계; 및
    상기 코어 섹션 및 상기 클래딩 중 적어도 하나를 통해 검출된 방사선의 양에 따라 상기 구조물 내의 변위를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 클래딩 내에 형광단을 매립하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 광섬유의 상기 클래딩에 인접하게 수집 섬유를 위치시키는 단계; 및
    상기 수집 섬유의 출력부에서 방사선을 모니터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 구조물 내에 제2 광섬유를 매립하는 단계 - 상기 제2 광섬유는 상기 제1 밴드갭과 다른 제3 밴드갭을 갖는 코어 섹션을 가짐 - ; 및
    상기 수집 섬유의 출력부에서 검출된 방사선의 파장에 따라, 변위가 압축인지 또는 신장인지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 모니터링하는 단계는 상기 광 센서로부터 원격으로 수행되는, 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 코어 섹션 내에 제1 및 제2 유형의 형광단을 매립하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 유형의 형광단은 상기 제1 유형의 형광단의 방출에 의해 여기될 수 있는, 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 코어 섹션은 섬유 브래그 격자를 포함하고, 상기 클래딩 섹션은 광결정 섬유로 구성되는, 방법.
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