KR930003546B1 - 온도 보상용 광학 압력 센서 - Google Patents

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KR930003546B1
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멜쯔 제랄드
주니어 루이스 벤톤 알렌
맥알베이 페라 칼
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유나이티드 테크놀로지스 코오포레이숀
로버트 시이.워커
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Abstract

내용 없음.

Description

온도 보상용 광학 압력 센서
제 1 도는 부채꼴 모양의 단편을 도려 내었으며 일단부면에 도파관 루우프와 입, 출력 도파관을 가진 압력 변환기를 나타낸 본 발명에 의한 광학 압력 측정 시스템의 주요 구성 요소를 도시하는 확대 투시도.
제 2 도는 압력이 가해지면 다소 확대 및 편향되는 다이어프램을 갖는 제 1 도에 도시된 압력 변환기의 횡단면도.
제 3 도는 압력 변환기의 단부면상에 설치된 도파관 루우프에서 공진하는 광학에너지의 차동 주파수 이동을 예시하는 그래프도.
제 4 도는 압력 변환기의 다이어프램상의 정규화된 공진 주파수 이동대 루우프 반경간의 차를 도시하는 그래프도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 압력 변환기 12 : 다이어프램(diaphragm)
14 : 림(rim) 18 : 도파관 루우프
20 : 입력 도파관 26 : 출력 도파관
24 : 에너지 전송점 32 : 광원
34 : 주파수 검출기
본 발명은 압력을 측정하기 위한 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 응력 유발 복굴절을 일으키는 다이어프램을 구비한 유리 물질로 제조되고, 도파관 루우프내에 공진 주파수의 편이를 야기하는 압력 변환기에 관한 것이다.
상기 압력 변환기는 압력의 변화를 모니터하기 위해 사용되는 장치이다. 이 압력 변환기는 압력 측정 시스템의 통합부이며 대상의 설치 장소에 위치되어 있다. 그리고 상기 압력 변환기는 이 변환기의 설치 장소에서의 압력 변화를 전달하는 전기 신호, 공기 압축 신호, 유압 신호 혹은 광학 신호로서 모니터 혹은 검색된다. 광학 도파관의 사용이 급증함에 따라 여러가지 종류의 광학 센서가 제안되어 왔는데, 그 예로써 "광파이버 스트레인 센서"라는 명칭으로 1981년 10월 20일 지이.멜쯔씨등(공동 양수인)에게 허여된 미합중국 특허 제4,295,738호에 기재된 다중 코어 압력 반응 광파이버 도파관을 들 수 있다. 상기 광학 도파관에 작용하는 스트레인 변화는 코어로부터 나오는 광의 상대적인 강도를 측정하므로써 결정된다.
특정 대상에 대한 것은 수동 레이전 가속도계를 기술한 SPIE(1983년)지의 제412권에, 클리포드 지이.워커에 의해 광파이버 및 레이저 센서로 발표된 "광탄성 및 전기 광학 센서"란 명칭의 논문이 있다. 제 1 도는 매우 좁은 선폭의 레이저 소오스를 포함하는 레이저 가속도계내의 링공진기를 도시하는 것이며, 상기 레이저 소오스의 출력빔은 두개의 분리 빔으로 분할되어 분리브랙(Bragg) 셀을 통해 통과된다. 편광기는 상기 하나의 빔을 90°로 회전시킨 다음 링 공진기에 보낸다. 상기 링 공진기에 작용하는 응력은 주파수차를 트래킹으로써 측정될 수 있다. 그러나, 시이.워커 논문에 제안된 광학 센서는 고성능 광학 물질로 형성된 다이어프램의 압력하에 변형과 관련된 응력 유발 복굴절의 변화를 측정하기 위한 광학 에너지의 광대역 비간섭 소오스를 제안하지 않았음을 주목해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 부식성 가스 및 액체와 같은 거친 주변 환경내의 넓은 온도 범위에 걸쳐 정확하고 반복 가능한 압력 측정을 제공하도록 광학 물질로 제조되는 압력 변환기를 가진 압력 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 광학 압력 센서의 특별한 특징은 압력 변환기에 있으며, 이 압력 변환기의 중앙에 배치된 다이어프램은 통합적으로 형성된 링에 의해 이러한 다이어프램 둘레가 견고하게 유지되어 있다. 다이어프램의 일표면에 작용하는 압력에 의한 다이어프램에 변형은 도파관 루우프내에 응력 유발 복굴절을 야기하므로 초복사(super radiant) 다이오드와 같은 비교적 폭이 넓은 선폭의 광원으로부터의 광에너지에 의해 유발된 공진 주파수의 대응 변화를 일으킨다.
본 발명에 의한 광학 압력 센서의 또 다른 특징은 고르지 않고 내구성이 있는 저손실 유리로부터 제조된 압력 변환기가 압력 변화를 측정하기 위해 사용된다는 것이다. 다이어프램의 일표면상의 도파관 루우프는 폐루우프내에 전달하는 광에너지의 성분의 상대적인 위상차를 야기하는 응력 유발 복굴절을 초래한다. 이러한 위상차에 비례하는 출력 신호는 공진하는 광학 에너지의 작은 부분을 광학 에너지의 스펙트럼 내용을 분석하는 광학 검출기 및 출렬 도파관에 연결함으로서 형성된다.
본 발명의 전술한 목적과 그외의 목적 및 특징과 장점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예인 아래의 설명으로부터 더욱 명백하게 될 수 있다.
먼저, 제 1 도를 참조하면, 본 발명에 의한 광학 압력 센서의 주요 구성 요소를 나타내는 개략적인 형태가 도시되어 있다. 압력 변환기(10)는 유체 압력의 변화가 측정될 수 있는 위치 설정 장소에 위치되어 있다. 상기 변환기(10)의 중앙 부분에는 다이어프램(12)이 림(14)과 함께 통합적으로 형성되어 있으며, 이 림(14)은 압력 변환기(10)의 둘레 주변에 원주형으로 확장한다. 일단부면(16)(제 1 도에 도시된 상부면)은 다이어프램(12)의 일단부면상에 형성된 도파관 루우프(18)를 포함한다. 입력 도파관(20)은 압력 변환기(10)의 단부면(16)상에 형성되어 있으며, 양호한 실시예에서 도파관 루우프(18)에 접하게 위치한 에너지 전송점(24)을 통해 현모양(chordal) 방향으로 림(14) 둘레상의 입력 도파관에 대한 단부점(22)으로부터 변환기의 반대측 상에 있는 단부점(25)까지 확장한다. 또한, 단부면(16)상에는 출력 도파관(26)이 설치되어 있으며, 이 출력 도파관(26)은 도파관 루우프(18)에 대하여 접하게 위치한 에너지 전송점(28)을 통해 현모양 방향으로 단부점(27)으로부터 림(14) 둘레에서의 단부점(30)까지 연장한다.
본 발명의 광학 압력 센서는 또한 초복사 다이오드 혹은 다른 반대역폭 다이오드 및 스펙트럼의 휘도 광학 소오스와 같은 광원(32)을 포함하는데, 상기 광원(32)은 입력 도파관(20)의 단부(22)를 통해 광학 에너지를 연결하도록 설치되어 있다. 주파수 검출기(34)는 또한 단부면(30)으로부터 나오는 광에너지를 모니터하기 위해 제공되어 있다. 이하에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 주파수 검출기(34)는 도파관 루우프(18)에서 공진하는 광에너지의 스펙트럼 내용을 분석하는 장치이다. 원한다면, 광원(32)과 주파수 검출기(34)는 원격 배치될 수 있으며, 광학 에너지는 광학 도파관(도시되지 않음)에 의해 압력 변환기(10)로부터 전도될 수 있다. 이것은 압력 변화가 거친 주변 환경, 예를들어 고온 혹은 부식성 유체에 영향을 받는 주변 환경에서 측정된다면 특히 바람직하다.
인식하게 되겠지만, 본 발명에 의한 광학 압력 센서의 특별히 중요한 특징은 이들 변화들이 주파수 검출기(34)에 의해 정확하게 모니터될 수 있도록 압력 변환기(10)가 압력 변화에 응답하는 방식에 관한 것이다. 다음, 제 2 도를 참조하면, 여기에는 예시 목적상, 확대된 다이어프램(12)의 굴절(또는 편향)을 갖는 압력 변환기(10)의 횡단면도가 도시되어 있다. 압력 변환기(10)는 저손실 광학 도파관의 형성을 위해 적합한 광학 투명 물질로서 형성되는 것이 바람직하다. 바람직한 형태에 있어서, 림(14)은 다이어프램의 둘레가 그것의 원주 둘레에 견고하게 고정되도록 상기 다이어프램(12)보다 훨씬 더 큰 두께를 갖는다. 림(14)과 다이어프램(12)은 분리 구성 요소로서 조립될 수 있으며 동시에 통합된 구조를 위한 제조 공정이 염가로서 그리고 간단한 단계로서 이루어질 수 있다.
압력 변환기에 대해 통상의 지식을 가진자라면, 본 발명의 중요한 특징이 광학 공진기로서 작용하는 도파관 루우프(18)에 있으며, 이러한 광학 공진기의 공진 주파수가 압력 변환기(10)에 작용하는 압력 함수로서 변화한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 견지에서, 상기 특징은 본 발명에 의한 광학 압력 센서의 원리 및 동작을 기술하는데 도움이 될 수 있다. 제 1 도 및 제 2 도에 관련하여 언급된 것처럼, 도파관 루우프는 예를들면, 이온 주입과 같은 공지된 종래 기술 방법의 하나에 의해 저손실, 단일 모우드 장방형 도파관으로 형성된다. 도파관 루우프(18)내에 유지되는 각각의 공진 주파수는 최하위 도파관 모우드에 대응하는 거의 밀접하게 이격된 두개의 주파수로 분할되는데, 상기 도파관 모우드는 도파관의 넓은 디멘죤에 수직 및 평행하게 편광된다. 이와 같은 주파수들 사이의 분리는 응력 유발 복굴절 때문에 압력에 따라 변화할 것이다. 통상의 지식을 가진자라면, 공진 루우프가 일련의 통과 대역이 다음식(1)과 같은 공진 주파수 중심에 있는 광학 코움 필터(comb filter ; 빗살형 필터)와 유사한 방식으로 작용한다는 것을 알 수 있을 것이다.
fa,b=Nc/(na,bL) N=1,2… (1)
여기서 na및 nb는 각기 수직 및 수평 모우드의 위상 굴절률이며, L은 링의 원주이고 N은 공진 차수이다. 다이어프램상의 대칭적이며 균일하게 분포된 모우드는 루우프에 응력을 유발시킴으로써 통과 대역을 이동시킨다. 공진 주파수들 δfa및 δfb의 변화는 반경 스트레인(radial strain) εr및 접선 스트레인 εθ양자에 의해 결정된다. 광학 통로 길이는 다음식(2,3)과 같은 링 둘레의 변화 및 응력 유발 복굴절에 의해 변화된다.
δfa/f=-(εθ+δna/n) (2)
δfb/f=-(εθ+δnb/n) (3)
여기서, f=fa
Figure kpo00001
fb
n=na
Figure kpo00002
nb이다.
굴절률의 변화는 다음과 같은 식에 의한 도파관 루우프의 수직 pa및 평행 pb광탄성 사수에 관련된다. 즉
δna/n=(-n2/2)·pa(εr+εθ) (4)
δnb/n=(-n2/2)·(pbεr+paεθ) (5)
간단한 플레이트 이온(plate theory)은 다이어프램(12)의 표면 변형이 다음식과 같이 주어진다는 것을 보여준다. 즉
Figure kpo00003
여기서,
Figure kpo00004
t=다이어프램 두께
E=영률(Young's modulus)
υ=프와송비(Poisson's ratio)
도파관 루우프(18)내의 용화된 실리카(silica)에 대한 광탄성 상수는 다음과 같다. 즉
pb=0.126
pa=0.27
이러한 값을 사용하고 스트레인에 대한 식(6) 및 (7)을 식(2) 및 (3)에 대체함으로써 각 모우드의 주파수 편이 및 차 주파수 △의 추정치를 다음과 같이 얻을 수 있다. 즉
δfa/f=-C·[0.426+0.148(r/a)2] (8)
δfb/f=-C·[0.579-0.311(r/a)2] (9)
△/f=C·[0.153-0.459(r/a)2] (10)
여기서,
Figure kpo00005
정규화 주파수편이, △/(fC)는 제 4 도의 그래프에서 (r/a)의 함수로 도시된다.
도파관 루우프(18)의 설치 장소 및 두께비(r/a)는 차동 주파수 편이 △가 적당한 신호대 잡음비를 제공하기 위해 충분히 큰 코움 필터의 모우드 차수사이의 자유 스펙트럼 범위 △fr의 반을 초과하지 않도록 선택되어야 한다.
예를들어, 만약
E=10.4×106psi, υ=0.17, at=4
이면 C=5.6×10-7p이고,
△fr=c/(n2πr)=3.3×109(r/1cm)-1Hz (12)
f
Figure kpo00006
c/λ
Figure kpo00007
3×1014Hz (13)이면
△/△fr=7.8×10-9(a/1cm)(r/a)
(p/1psi)[1-3(r/a)2] (14)
가 된다.
만일 a=0.5cm이고 p=100psi이면 요구치 |△|＜△fr/2는 r/a＜0.9로 도파관 루우프(18)를 설치함으로써 만족될 수 있다. 가장 큰 신호대 잡음비 r/a는 거의 최대 허용 가능 한도로 설정되어야 한다. a=1/2cm 및 r/a=0.85에 대해서는, 자유 스펙트럼 범위가 8.19GHz이고, 100psi 압력에 대한 최대 차동 주파수 편이는 -3.0GHz이다.
단일선의 폭 δf'은 다음과 같이 정의되는 공진기의 '피네스"(finesse)"에 의해 결정된다. 즉
F=△fr/δf' (15)
만일 K가 입,출력 결합기의 전력 결합 효율이고 1이 결합 손실이며, r이(단위 길이당 이득에 있어서의) 도파관 감쇠라면,
Figure kpo00008
이 되고, 통과 대역의 중심에서의 피크 전송율은 다음과 같다.
즉,
Figure kpo00009
만일 밍 공진기(18)의 감쇠도가 0.01dB/cm이며 전력 결합 효율 및 입/출력 결합 손실이 1%이고, r=0.4cm, K=1%, l=1%이면, F=136이 되고 T=0.19가 된다. 이와 같은 변수들에 대한 각각의 통과 대역폭은 약 60MHz이다. 선들간의 제로 압력 분리는 삽입된 도파관의 디멘죤 및 개구수의 함수이다. 이것은 최소한 선폭보다 훨씬 더 큰 크기 치수로 만들어질 수 있다. 예를들어, 만일 개구수가 0.1이고 도파관이 2 : 1의 애스펙트비를 갖는다면, fa-fb
Figure kpo00010
500MHz가 된다. 광원(32) 및 주파수 검출기(34)는 대역들, 예를들어 제로 압력 분리에 압력 종속 성분 △를 부가한 대역들 사이의 적어도 예기된 최대 총 분리를 포함할 수 있도록 충분한 광대역이어야 한다.
도파관 루우프(18)는 광대역 입력으로부터 상기 기술된 공진선을 선택하여 검출기(34)에 제공한다. 이러한 다수의 선쌍들은 매우 폭이 넓은 광대역 소오스에서 발생될 수 있으며, 상기 각각의 선쌍은 상기 나타낸 바와 같이 실질상 주파수 분리를 나타낸다. 검출기(34)는 입사 광선을 혼합하는 포토다이오드일 수 있으며, 이것은 이러한 분리 주파수를 포함하는 전기 출력 신호를 발생시킨다. 만일 필요하다면, 전자 스펙트럼 분석기, 혹은 대상 영역 외측의 주파수 성분을 제거하도록 하는 적당하게 여과된 주파수계(35)가 분리 주파수를 직접 측정할 수 있는데, 이것은 상술된 바와 같은 압력에 정비례한다.
본 발명의 특별히 중요한 또 다른 특징은 압력 변환기(10)에 의한 압력 측정이 본질적으로 온도 변화와 무관하다는 것이다. 비록 열팽창이 도파관 루우프(18)의 둘레를 상당히 변화시킬 수 있다 하더라도, 이러한 변화는 도파관 루우프(18)내에 유지되는 두 공진 주파수가 본질적으로 동일한 양 만큼 시프트되도록 두개의 편광에 대해 동일하게 작용한다는 것을 이해하여야 한다. 이것은 어떤 차동 주파수 편이가 온도 변화에는 무관한 것이며, 주로 인가된 압력의 변화에 정비례하는 것을 의미한다. 압력 변환기(10)의 물질에 대한 영률이 미약한 온도 함수가 되는 것으로 주지되어 있으나 압력 변환기(10)에 대한 동작의 온도 범위가 터무니없이 크지만 않다면 양호한 정밀도가 유지될 수 있다.
본 발명에 의한 다이어프램(12)의 제조 공정에 대한 여러가지 방법들이 알려져 있다. 지금까지 언급된 것처럼, 기판(substrate)은 소듐 실리케이트와 같은 저손실 알칼리 실리케이트로 형성될 수 있다. 공진기 링(18) 및 입력 도파관(20)과 출력 도파관(26)은 교환 윈도우를 제외한 다이어프램(12)의 교환측의 포토레지스트 마스킹을 사용하는 이온 교환 기법에 의해 형성될 수 있다. 상기 마스크 물질은 교환 양이온에 대해서는 비침투성이어야 하며 교환온도에 대해서는 잘견디어야 하는데, 이러한 전형적인 마스크 물질로는 알루미늄과 니켈이 있다. 마스크된 다이어프램(12)은 요망된 양이온을 포함하는 용융 전해질내에 침지된다. 이온교환은 다이어프램을 포함하는 용융 전해질내에 침지되어 있는 두개의 전극 양단에 적당한 전위를 인가함으로써 실행된다. 이온 교환후 상기 마스크는 산(acid)에서 용해된다.
비록 지금까지는 본 발명의 광학 압력 센서가 양호한 실시예에 대하여 도시되고 기술되었지만, 이러한 분야에 통상의 지식을 가진자에게는 본 발명의 청구 범위에 청구된 사상 및 영역을 벗어남이 없이 본 발명의 형태 및 기술에 여러가지 변경이 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를들면, 대체로 압력 변환기(10)의 상부면상의 도파관 루우프(18)는 다이어프램(12)상의 동일측에 설치되어 있는 것처럼 도시되었다. 실제로는, 충분한 응력 유발 복굴절이 공진 주파수의 시프트를 측정할 수 있도록 도파관 루우프(18)에서 발생되는한, 도파관 루우프(18)는 압력 변환기의 상부면상의 어떤 위치에도 설치될 수 있다.
도파관 루우프(18)의 단면은 일반적으로 제 2 도에 도시된 것처럼 장방형일 필요는 없으며 도파관내의 광학 에너지의 각 독립 편광에 대한 다른 공진 주파수가 있을 동안은 어떠한 단면 형상이어도 좋다. 상기 루우프는 실제로 다이어프램의 표면에 접착될 수 있는 편광 압력 광학 파이버로부터 형성될 수 있다. 게다가, 또한 입,출력 광학 에너지가 반드시 압력 변환기(10)의 상부면(16)상의 현 모양의 입,출력 도파관(20) 및 (26)을 통해 전송될 필요는 없으며, 이러한 광학 에너지는 도파관의 상부에 인접하여 정밀하게 위치된 프리즘과 같은 다른 수단을 통해 도파관 루우프(18) 내외부로 전송될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 다이어프램(12)의 일표면상에 위치된 도파관 루우프(18)를 가지며, 상기 도파관 루우프내에 응력 유발 복굴절을 야기시키도록 압력하에서 편향하는 다이어프램(12)을 포함하는 압력 응답 수단(10)과, 광 에너지를 상기 도파관 루우프(18)에 결합하기 위해 상기 도파관 루우프에 인접하게 위치된 광학 입력 수단(20)과, 광 에너지 일부를 상기 도파관 루우프 외부에 결합하기 위해 상기 도파관 루우프(18)에 인접하게 위치된 출력 수단(26)을 포함하고, 상기 다이어프램(12)에 작용하는 압력에 비례하는 상기 응력 유발 복굴절의 결과로서 상기 도파관 루우프(18)내에 공진하는 광 에너지의 스펙트럼 응답에서 차동 주파수 편이가 발생하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 수단(20) 상기 압력 응답 수단(10)의 일표면을 따라 형성된 입력 도파관을 포함하며, 상기 입력 도파관은 상기 도파관 루우프(18)에 접하게 위치되고 그를 통해 광 에너지가 상기 도파관 루우프(18)에 결합되는 점(24)을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 수단과 상호 작용하는 비간섭성 광대역의 광학 에너지원을 제공하기 위한 초복사 다이오드(32)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 수단(26)은 상기 압력 응답 수단(10)의 일표면을 따라 형성된 출력 도파관과, 상기 도파관 루우프(18)에 대하여 접하게 위치되고 그를 통해 광학 에너지의 일부가 상기 도파관 루우프(18)의 외부에 결합되는 점(28)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 출력 도파관을 통해 상기 도파관 루우프의 외부에 결합되는 광에너지를 수신하기 위해 위치된 주파수 검출기(34)를 추가로 포함하고, 상기 주파수 검출기는 상기 차동 주파수 편이와 관련된 차 주파수를 식별하기 위하여 상기 수신된 광학 에너지의 스펙트럼 분포를 분석하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 응답 수단(10)은 상기 다이어프램(12)의 둘레를 견고하게 호울드하는 견고한 림부분(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 림(14) 및 상기 다이어프램(12)은 저손실 유리로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 압력 응답 수단(10)의 단부면에 형성된 상기 도파관 루우프(18)는 이온 주입 또는 이온 교환에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 모니터.
  9. 다이어프램(12)의 일표면상에 위치된 도파관 루우프(18)를 가지며, 이 다이어프램의 일표면에 작용하는 압력에 응답하여 상기 도파관 루우프내에 응력 유발 복굴절을 야기시키는 다이어프램(12)을 포함하는 압력 응답 수단(10)과, 광학 에너지를 상기 도파관 루우프에 결합하기 위해 위치된 소오스 수단(24,32)과, 상기 도파관 루우프의 외부에 결합된 광 에너지를 수신하기 위해 위치된 주파수 검출기 수단(34)을 구비하고, 상기 다이어프램에 작용하는 압력에 비례하는 상기 응력 유발 복굴절의 결과로서 상기 도파관 루우프내에 공진하는 광 에너지의 스펙트럼 응답에서 차동 주파수 편이가 발생하는 것을 특징으로 하는 온도 보상용 압력 측정 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 압력 응답 수단(10)은 상기 다이어프램의 둘레와 일체로 형성된 림(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 보상용 압력 측정 시스템.
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