KR940011933B1 - 측정자를 감지하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

측정자를 감지하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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더 폭스보로 캄파니
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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
측정자를 감지하기 위한 장치 및 방법
[도면의 간단한 설명]
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에서 대해서 상세하게 기술하겠다.
제1도는 본 발명은 설명하기 위해 간략하게 도시한 계통도이다.
제2도는 여기 신호를 인가하여 감지 신호를 보내고 반사시키기 위한 특정한 위치를 도시한 양단 튜닝 포크의 사시도이다.
제3도는 측정자 감지 목적을 달성하지만, 공진기를 가동시키기 위해 광선 에너지를 전기 에너지로 변환시킨 다음 전자력으로 변환시킬 필요가 있는 종래 기술의 방법을 도시한 도면이다.
제4도는 여기 광선 신호를 전달하며, 감지 신호를 감지기에 전달하게 검출하기 위해 변조된 감시 신호를 복귀시키기 위해 별도의 광학 섬유 통로가 사용되는 본 발명의 한 실시예를 도시한 도면이다.
제5도는 단일 광학 섬유 통로가 여기 광선 신호 및 감지 광선 신호를 감지기에 전달할 뿐만 아니라 변조된 감지 신호를 제어국으로 다시 전달하기 위해 사용되는 본 발명의 한 실시예을 도시한 도면이다.
제6도는 단일 광학 섬유가 통로가 단일 광선 신호를 여기 신호와 감지 신호로서 감지기에 전달하기 위해 사용되고, 변조된 감지 복귀 신호가 단일 광학 섬유 통로내에서 이송되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
제7도는 공진기의 탄성 계수의 온도 유도 변화가 온도 측정을 엔에이블시키는 단일 광학 섬유 장치에 의해 구동 및 감지되는 공진기를 도시한 도면이고, 제8도는 변환기의 공진 주파수를 구동 및 감지하고 감지된 측정자를 동일한 단일 광학 섬유 통로를 따라 다시 전달하기 위해 공진기 및 광학 섬유의 단부상에 정렬된 정합 패턴이 사용될 수 있는 본 발명의 한 실시예를 도시한 도면이며, 제9도는 양호한 여기 지점 및 양단 튜닝 포크상의 양호한 감지 및 여기 지점을 도시한 도면이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
1. 기술분야
본 발명은 공정 제어 산업에서 사용하기 위한 감지기에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 공정 제어 측정자(measurand) 또는 물리적 파라메터를 감지하여 제어실에 전달하는 현장 배치 장치에 관한 것이다. 본 발명의 특정 감지기는 광학 섬유에 의해서와 같이 광역학적으로(photokinetically) 여기에서 광학적으로 검출된다. 전형적인 측정자들은 온도, 압력, 차압, 유량, 레벨(level), 및 이 물리적 파라메터들의 다수의 유도체를 포함한다.
2. 배경 기술
광학 섬유를 기초로 하는 산업 공정의 통신 및 제어의 장점들이 공지됨에 따라, 광학 섬유를 통한 간단하고 저렴하며 신뢰할 수 있는 다수의 저레벨 방사 에너지 전달 방법을 사용하고, 바람직한 측정을 행하며, 광학 섬유 통로상의 측정 정보를 제어 및 측정 지점으로 복귀시키는 것이 강조되고 있다. 이러한 공정 제어 시스템의 설계자에게 직면한 다수의 문제점들중에는 저-광선레벨 광학 통로의 수를 최소화시키고 유도된 측정 정보가 광학 섬유의 신호에 의해 전달될 수 있게 하는 방식으로 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 행해야 한다는 것이 포함된다.
본 발명에 따른 변환기의 한가지 중요한 장점은 공진기가 광학섬유를 통해 공급된 방사 에너지에 의해 직접 여기될 수 있다는 것이다. 본 발명에 따른 변환기의 다른 장점은 공진기의 공진주파수가 외부 물리적 파라메터에 의해 변경된다는 것인데, 이 공진 주파수는 원격 감지될 수 있다. 본 발명의 또 다른 장점은 공진 주파수가 광학적으로 감지되어 광학 섬유를 따라 전송될 수 있다는 것이다. 이 변환기들의 한가지 장점은 이 변환기들의 약 1μW의 광학 전력만큰 적은 (제한적이 아니라 일례에 불함) 광학 전력으로 효율적으로 여기될 수 있다는 것이다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 다른 중요한 장점은 측정지점에서의 모든 전자 회로들이 제거되어, 다른 측정 장치에 관련된 번개 또는 전자(electromagnetic) 간섭(EMI) 및 전자 펄스(EMP)에 민감한 문제점을 감소시키게 된다는 것이다. 이 지점에서의 모든 전원은 제거되어, 유지 보수 문제점을 감소시키게 된다.
본 발명의 또 다른 장점은 광학 섬유 구동 및 감지 방법이 감지기 지점에 있는 전자 회로를 제거함으로써 동작 주위 온도 범위의 고유 제한을 제거한다는 것이다.
감지기내의 공전 소자들은 결점 및 고가의 음장 검정(field calibration)을 제거하기 위해 대량 생산되고 저렴하게 검정된다.
정상 광선 비임이 제1광학 섬유 통로 아래에서 발사되고, 변조되며, 부수적인 광학 섬유 통로를 통해 검출 지점으로 복귀된다는 것은 공지되어 있다(미합중국 특허 제4,345,482호, 제4,275,295호, 및 제4,521,684호 참조). 또한, 제1파장의 방사 에너지가 공진 와이어(wire) 감지기를 가동시키도록 광학 섬유 통로 아래에서 발사될 수 있고, 제2파장의 방사 에너지가 와이어 진동을 감지하고 와이어 진동에 따라 변하는 신호를 복귀시키도록 동일한 광학 섬유 통로 아래에서 발사될 수 있다는 것도 공지되어 있다(미합중국 특허 제4,521,684호 참조).
광학 섬유 장치에 의한 원격 여기 및 감지 기술은 1983.9.20-22자 영국 맨체스터에서 개치된 '감지기 및 그 응용'UMIST에서 비.이.존스(B.E.Jones) 및 지.에스.필프 (G.S.Philp)가 발표한 논문 제05.1호, "광학 섬유 링크 및 힘 측정 기능을 갖고 있는 자동 와이어 감지기(A Vibrating Wire Sensor with Optical Fiber Links and Force Measurement)"내에 기술되어 있다. 이 논문내에서, 측정자는 물리적 파라메터를 공진 와이어에 인가된 장력에 영향을 미치는 힘 변화로 변환시킴으로써 감지된다. 공지된 광학 섬유 장치에 의한 원격 검출 및 통신 방법들은 모두 다수의 광선 통로, 독립적인 공진 부재용 진동 에너지원, 방사 에너지를 전기 에너지로의 즉각적인 변환, 및 광학 섬유 통로에 의해 이송될 비교적 높은 전력 방사 에너지를 필요로 한다. 감지기 지점에서의 별도의 전원을 필요로 하지 않는 여러 형태의 장치들로 여전히 설계에 제한을 가하는 전기 에너지 전력 변환 장치를 필요로 한다.
기술한 본 발명용 공진기로서 필요한 높은 "Q"를 억제하는 양단 튜닝 포크(double ended tuning fork)는 미합중국 특허 제4,372,173호에 기술되어 있다. 인가된 힘에 따라 주파수를 변화시키는 공진 와이어 또는 리본 및 그외의 다른 압전 결정체들과 같은 다른 공진 기계적 구조물이 공지되어 있다.
공정 제어용으로 적합한 저 전력 광학 측정자 또는 물리적 파라메터 감지기는 사용이 많이 요구되고 있고, 저 전력으로 동작될 뿐만 아니라 전자 간섭(EMI)과 전자 펄스 손상 감도로부터 해방된다.
이것을 제한적으로 설명하기 위해 "공정 제어"는 개별적 가변 공정 및 유체 흐름, 유속, 온도, 압력, 차압, 레벨등과 같은 물리적 파라메터 또는 "측정자"로서 특성화될 수 있는 다수의 제어된 공정 조건을 포함하는 복잡한 다변 공정을 포함한다. 본 명세서내에 사용된 바와 같은 "공진 기계적 구조물"은 일반적으로 비임, 중공비임, 캔틸레버식 비임과 캔틸레버식 중공 비임, 및 이중 또는 다중 비임 소자, 리본, 와이어 또는 그외의 다른 제조품, 및 이들의 등가물을 말하는데, 이들은 모두 특정한 진동 주파수에서 공진될 수 있다. 특히, 일단 및 양단 튜닝 포크 구조물 뿐만 아니라 다중 살(tine) 튜닝 포크 구조물이 포함된다.
본 명세서내에서 "자극", "진동", "여기"등에 관련하여 사용된 바와같이, "광역학적" 및 "광열적(photothermal)"이란 용어는 인가지점에서 국부 응력을 발생시키도록 시간에 걸쳐 변하는 레벨에서의 방사에너지의 국부 인가에 의해 기계적 구조물의 운동을 개시하는 방법을 말한다.
본 명세서내에 사용된 바와 같이 "방사 에너지"란 용어는 0.1 내지 100㎛파장의 에너지를 포함하고, 특히 적외선, 자외선, 및 가시광선 에너지를 포함한다. 간단히 설명하기 위해, 이러한 방사 에너지는 일반적으로 제한없이 "광선" 또는 "광선 에너지"라고 불리워질 수 있다. 이러한 방사 에너지는 정보를 이송하기 위해 변형되는 방사 에너지 신호들과 구별하기 위해서 "정상" 또는 "연속" 또는 "연속파"로서 기술될 수 있다. "방사 에너지"란 용어는 간섭성 광선 에너지와 비간섭성 광선 에너지를 포함한다. 본 명세서내에서 "변조"라는 용어가 광범위하게 사용되는데, 이것은 다른 신호의 순시값에 따라 변하도록 광선 비임의 몇가지 특성을 변형시키는 공정을 의미하고, 특히 본 명세서내에 사용된 바와같은 "정상"방상 에너지란 용어는 거의 일정한 세기 레벨을 갖고 있고(즉, 단기간 세기 변화가 없다), 거의 변하지 않는 스펙트럼 분포를 갖고 있는 방사 에너지를 말한다. 정보를 이송하는 광선 신호를 참조하면, "셔터" 및 "차단"이란 용어는 변조된 광선 뿐만 아니라 변조가 행해지는 메카니즘을 말하는 것으로 사용된다. 공진 구조물을 여기시키기 위해 사용된 방사 에너지를 일반적으로 "구동" 또는 여기 에너지를 말하고, 측정자 정보를 수신하기 위해 감지기에 보내진 방사 에너지는 "감지" 광선 또는 에너지를 말한다. 정보를 이송하는 방사 에너지는 "감지 신호 광선" 또는 "변조된 감지 광선"을 말한다.
"유체"는 기체 및 액체를 포함한다. "힘"이란 용어는 물체를 이동시키거나 이 물체의 운동을 변형시킬 수 있는 소정의 물리적 파라메터 또는 현상을 나타내기 위해 사용되고, 특히 단위 면적당 사용된 힘(압력) 및 압력으로 변환될 수 있는 소정의 파라메터 또는 현상을 포함한다. 그러나, 이것은 일반적으로 공진기의 주파수를 변화시키는 공진기 상에 작용하는 힘이다. 그러나, 본 발명의 한 실시예내에서, 온도 변화는 측정자로서 온도를 감지하기 위해서 공지기의 탄성 계수를 변화시킨다.
"변환기"란 용어는 에너지를 한 형태로부터 다른 형태로 변환시키기 위한 장치를 나타내기 위해 사용되고, 본 명세서내에 사용된 바와같이, "광전 변환기" 및 "전광 변환기"란 용어는 더욱 상세하게 말하자면 방사에너지를 전기 에너지로, 전기 에너지를 방사 에너지로 변환시기키기에 유용한 장치의 부류를 나타낸다.
[본 발명의 설명]
1개 이상의 측정자를 원격 검출한 필요가 있는 (공정 제어 시스템과 같은) 시스템내에서, 본 발명은 공진 기계적 구조 감지기의 직접 광역학적 자극 및 광학 검출에 의한 측정자의 측정시에 사용하기 위한 장치를 고찰한다. 본 발명는 튜닝 포크등과 같은 고 "Q"공진 기계적 구조물, 물리적 파라메터를 공진 기계적 구조물에 전달하기 위한 수단(통상적으로, 힘), 최소한 1개의 방사 에너지원, 방사 에너지를 공진 기계적 구조물의 국부 영역에 전달하기 위한 광학 섬유와 같은 1개 이상의 방사 에너지 통로, 방사 에너지를 공진 기계적 구조물의 최소한 일부분내에서 전도되는 열 에너지로 직접 변환시키기 위한 수단, 및 통로들 중 한 통로의 최소한 일부분을 따라 방사 에너지의 일부분을 복귀시키기 위한 수단을 포함한다.
튜닝 포크 또는 그외의 다른 공진 기계적 구조물 (공진기)는 계수 변화, 또는 공진기의 공진 주파수를 변환시키도록 동작하는 힘으로서 물리적 파라메터를 수신한다. 광선은 광학 섬유 아래에서 광선이 공진기의 작은 영역, 예를 들어, 여기 지점에 걸쳐 국부 가열하도록 인가되는 공진기로 발사된다. 이 가열 효과는 초당 칼로리(cal/sec)로 측정될 수 있는 열 전류를 발생시킨다. 열전류 밀도는 광선 세기에 비례한다. 여기 지점상에 입사되는 광선의 시변 성분만이 광선 세기에 비례한다. 여기 지점상에 입사되는 광선의 시변 성분만이 공진기를 구동시킬 때 유용한데, 그 이유는 이 시변 성분이 공진기 매질내에서의 국부 온도 기울기에 의해 달성되기 때문이다. 가열은 공진기내의 팽창 및 응력을 야기시킨다. 국부 가열은 여기지점이 광선 에너지로부터 열 에너지로의 변환 효율을 향상시키기 위한 장치를 포함할때 향상된다. 금속과 같은 여러 박막들이 적합하다. 효율적인 열 흡수 및 변환이 유리하다. 방사 에너지의 세기를 가열 지점에서 시간에 걸쳐 규칙적으로 변화시킴으로써, 공진기는 진동 상태로 여기될 수 있다. 또한, 광선은 공진기의 적합한 진동 표면 및 광선이 다른 지점으로 복귀되어 검출될 수 있는 부분으로 보내질 수 있다. 여기 광선은 제1광학 섬유상에 이송될 수 있고, 감지 광선은 제2광학 섬유상에 이송되고 제3광학 섬유로 복귀된다. 또한, 감지 광선은 제2광학 섬유를 따라 검출위치로 복귀될 수 있다.
선택적으로, 여기 광선은 선택적으로 여기 영역에 보내지는 제1파장 광선으로 될 수 있고, 감지 광선은 제1파장과 구별될 수 있으며 선택적으로 감지기 진동 표면에 보내져 동일한 광학 섬유를 따라 다시 반사된 제2파장 광선으로 될 수 있다. 이 경우에, 단일 광학 섬유는 여기 광선과 감지 광선을 감지기 지점으로 이송시킬 수 있고, 또한 변조된 감지 광선을 제어국으로 다시 이송시킬 수 있다. 광학수단을 통해 공진기의 진동을 계속 구동시키는데 필요한 궤환 루우프를 완성하기 위해 첨부 도면에는 도시되어 있지 않는 종래의 검출기, 궤환 루우프 및 신호 출력 회로가 중앙국에 배치된다.
다른 실시예내에서, 여기 광선과 감지 광선은 둘다 광학 섬유 아래에서 발사될 수 있고, 광선을 부분적으로 차단 및 셔터하여 일부분을 변조될 감지 광선으로서 복귀시키는 공진기에 인접한 한지점으로 이송될 수 있다. 광선의 일부분은 셔터링 작용에 의해 초기에 차단되지 않는다. 셔터된 광선의 최소한 일부분을 (짧은 광학 섬유를 통해) 공진기상의 다른 위치에 전달함으로써, 이 광선은 여기를 개시하여 유지하기에 필요한 국부 가열을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 이 나중 경우에, 광선의 차단과 진동시키기 위한 공진기로의 광선의 인가 사이의 위상 관계는 최적 동작을 위해 신중하게 선택되어야 한다. 본 명세서에 기술한 본 발명의 소정의 실시예는 여기 광선을 별도의 여기 지점에서 이송시키기 위해 보조 광학 섬유를 필요로 하지 않을 수 있다. 즉, 양단 튜닝 포크로, 공진기상의 소정의 지점에서의 동일한 위치내에서 연기 및 감지 작용이 발생될 수 있다.
국부 가열 효과는 공진기의 표면상의 여러 위치에 인가될 수 있다. 일단 및 양단으로 갈라진 튜닝 포크로, 본 출원의 발명자들은 포크의 크로치(crothch)에 방사 에너지를 인가시키는 것이 특히 바람직하다는 것을 발견하였다. 일반적으로, 감지 광선 신호는 검출되기 위해 복귀 전에 감지 신호 변조를 얻기 위해서 충분한 이동위치로 보내진다.
본 발명의 방법은 방사 에너지를 발생시키는 단계, (광학 섬유와 같은) 통로를 공진 기계적 구조물에 전달하는 단계, 공진 기계적 구조물의 진동을 개시하기 위한 국부 응력으로 공진 기계적 구조물의 일부분내에서 분산되는 시변 열 에너지로 방사 에너지의 최소한 일부분을 변화시키는 단계를 실행함으로써 최소한 1개의 물리적 파라메터 또는 측정자를 감지하는 공진 기계적 구조물의 직접 광역학적 자극 및 광학 검출로서 기술되어 있다. 열 에너지로 인한 국부 가열한 가열 지점에서의 팽창을 야기시킨다. 측정된 물리적 파라메터를 공지 기계적 구조물의 주파수를 변경시킬 수 있는 힘으로 변환시킴으로써, 공진 주파수는 측정자의 아날로그값으로 변화될 수 있다. 그 다음, 방사 에너지의 최소한 일부분은 측정자의 원격 검출을 위해 방사 에너지 전달 통로를 따라 복귀될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위해, 이러한 방사 에너지는 부수적인 방사 에너지원으로부터 발생될 수 있고, 동일한 광학 섬유 통로를 따라 전달될 수도 있고 전달되지 않을 수도 있다.
[본 발명을 실행하기 위한 최상 모드]
본 발명을 실행할 때의 광범위한 변화로 인해, 본 발명의 범위를 제한하지 않고 본 발명을 설명하기 위해 본 발명자에게 공지된 몇가지 양호한 응용으로만 설명이 제한된다.
제1도에는 변환기(13)이 원격 지점(12) 또는 제어국으로부터 분리된 공정 지점(11)에 배치되는 측정자 감지기(10) 장치의 기본 소자들이 도시되어 있다. 물리적 파라메터(화살표 'P'로 표시함)는 광학 섬유인 1개 이상의 광학섬유 통로(14)에 의해 제어국에 접속되는 변환기(13)으로 이송된다. 제어국(12)는 감지 광선 소오스(15), 구동 광선 소오스(16), 감지 검출기(17), 및 궤환 회로(18)을 포함하는데, 이들은 광학 섬유 통로의 제어국 단부에 접속된다.
동작시에, 구동 광선 소오스(16)은 광학 섬유들중 최소한 1개의 광학 섬유를 따라 광선이 변환기(13)내의 공진기를 진동 상태로 여기시키는 변환기(13)으로 광선 신호를 발진한다. 감지 광선 소오스(15)는 광학 섬유들중 최소한 1개의 광학 섬유를 따라 감지 광선이 물리적 파라메터(P)의 측정에 관련되는(변조된) 시변 변화로 표시되는 변환기(13)으로 감지 광선을 발사한다. 변환기(13)은 예를 들어 포토다이오드로 될 수 있고 제어국(12)에 배치될 수 있는 감지 검출기(17)로 변조된 감지 광선을 복귀시킨다. 포토다이오드는 변조된 감지 광선 에너지를 전기 신호로 변환시키는 광전 변환기를 포함하는데, 이 전기 신호는 필요시에 증폭될 수 있고 광선 소오스(16)을 구동시키기 위해 구동 전력 펄스의 연속 흐름을 제공하도록 궤환 회로(13)을 통해 구동 광선 소오스에 전달될 수 있음으로써 궤환 루우프를 폐쇄시키게 된다. 제6도를 참조하여 이후에 기술한 본 발명의 한 실시예내에서, 궤환 회로는 사용되지 않고, 단지 연속(정상) 구동 전력만이 필요하게 된다.
제2도는 특정한 공진 감지기가 본 발명을 따라 여기되는 방법을 간략하게 도시한 도면이다. 이 경우에, 공진 감지기는 통상적으로 이중(또는 양단) 튜닝 포크(20)(때때로, DTF)라고 부르는 이중 비임물이다. 이것은 상술한 변환기(13)내에서 공정 지점(11)에 배치된다. 구동 광선 소오스('6)과 감지 및 출력 회로(19)를 포함하는 제어국(12)가 있다. 공정 지점(11)에서, 이중 튜닝 포크(20)은 2개의 중요한 영역, 즉 공진기 감지 지점(24) 및 여기 지점, 이 경우에 이중 튜닝 포오크 크로치(23)을 포함한다. 설명하기 위해 확대하여 사시도로 도시된 이중 튜닝 포크는 광학 섬유(14)와 같은 최소한 1개의 광학 섬유 통로를 통해 제어국과 접속된다. 감지 및 출력 회로(19)와 구동 광선 소오스(16)은 궤환 통로(25)를 따라 상호 접속된다.
동작시에 광선은 광학 섬유 아래에서 LED 구동 광선 소오스(16)으로부터 공진기(20)으로 발사되어, 크로치(23)과 같은 여기 지점에서 이중 튜닝 포크(20)와 충돌한다. 광자는 여기 지점(23)에서 열(및 응력)을 발생시킴으로써 이중 튜닝 포크(20)을 광역학적으로 여기시킨다. 구동 광선 소오스(16)으로부터의 광선 출력은 시간에 걸쳐 세기가 규칙적으로 변화되어, 여기 지점(23)에서 열 유도 응력을 규칙적으로 발생시키게 되므로, 공진기(20)을 진동시키게 된다. 이중 튜닝 포크(20)의 진동중에, 살 또는 비임 소자들은 구부러지고, 살은 지점(24)에 인접한 광학 섬유의 축에 수직하여 전후 이동된다. 정상 또는 CW광선은 공진기 감지지점(24)에서 포크 살을 조명하기 위해 상부 광학 섬유(14) 아래에서 발사된다. 포크 살의 표면은 포크로부터의 시변 세기 광선의 반사에 의해 감지 및 출력 회로(19)로 다시 복귀하기에 적합한데, 이 감지 및 출력 회로(19)에서 시변 세기가 검출되고 전기 신호로 변환된다. 이 전기 신호는 발진기 궤환 루우프를 폐쇄시키기 위해 통로(25)를 따라 구동 광선 소오스(16)으로 복귀된다. 측정될 물리적 파라메터(P)는 측정자값에 관련된 주파수 변화를 야기시키도록 튜닝 포크에 결합된다. 전기 신호의 일부분은 공진 주파수의 전기 아날로그값으로서 출력될 수 있다.
제3도를 참조하면, 존스 및 필프의 논문에 따른 종래 기술의 방법이 도시되어 있다. 고정 포스트(anchor post)와 압력 격막(pressure diaphrahm) 사이에 가는 와이어가 팽팽한 상태로 연결되어 있다. 이 와이어는 영구 자석의 극들 사이에 배치되고, 와이어의 양단부는 정합 변압기를 통해 포토다이오드 1에 전기적으로 접속된다. 교호 세기의 광선이 LED 1로부터 광학 섬유를 통해 포토다이오드 1로 통과되면, 교류가 와이어를 통해 구동되어, 세기 변동의 주파수와 동일한 주파수에서 전류 및 자계로 정해진 면에 수직한 면내에서 이동된다. 와이어의 이동은 와이어의 이동면내에 배치된 2개의 평형 광학 섬유에 의해 감지된다.
이 광학 섬유들 중 제1광학 섬유는 제어 장치내의 LED 2로부터 정상적으로 세기가 일정한 광선을 공급받는다. 감지 헤드에서 광학 섬유로부터 배출되는 이 광선은 와이어를 조명한다. 어느 정도의 광선은 이 광학 섬유들 중 제2광학 섬유내로 다시 반사되어 제어 장치로 복귀된다. 이 복귀된 광선의 세기는 광학 섬유 단부에 관련된 와이어 위치의 함수이다. 그러므로, 와이어가 진동할 때, 교호 광선 세기는 진동과 동상으로 제어 장치로 복귀된다. 이 광선은 포토다이오드 2에 의해 전류로 변환되고, 제어 유니트내에서 증폭되며, 와이어와 공진 상태로 LED 1을 구동시키기 위해 일부분이 사용된다.
제4도를 참조하면, 단지 2개의 광학 섬유 통로(14)를 필요로 하는 본 발명에 따른 측정자 감지기(10)의 변형 형태가 도시되어 있다. 변환기(13)은 미지의 물리적 파라메터(P)의 크기를 측정하기 위해 배열된다. 변환기(13)은 공정 지점(11)에 배치되고, 광학 섬유 통로(14)를 통해 신호 발생 및 처리 장치가 내부에 배치되어 있는 제어국(12)에 결합된다. 2개의 별도의 광학 섬유 통로가 개략적으로 도시되어 있지만, 현장 기계와 제어국 사이의 거리가 약 1마일(1.6km)인 전형적인 공정 설치의 경우, 이 2개의 광학 섬유(14)는 방사 에너지 또는 광선을 전달하기 위해 적합한 피복물로 단일 케이블내에 재킷(jacket)될 수 있다.
제4도의 좌측부는 제한하지 않고 도시하기 위해 이중 튜닝 포크 공진기(20)으로서 이 예내에 도시된 변환기(13)의 주요 기계적 소자를 도시한 것이다. 한 기부 단부(21)에 고착된 공진기로 구성되는 이 어셈블리는 물리적 파라메터(P)가 말단부(22)에 인가된 힘으로서 공진기로 이송되도록 구성된다.
공진기의 동작은 기계적 공진기 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있으므로, 간단히 설명하겠다. 양단부에 고정된 비임의 주파수는 요동 진동시에 축방향 응력이 인가되거나 탄성 계수가 변화될 때 변하게 된다. 본 신규 발명내에서, 감지기는 통상적으로(시간에 걸쳐 세기가 규칙적으로 변화되는) 방사 에너지 광선 비임을 여기 지점(23)에 인가시키므로 공진기(20)을 진동시킴으로써 동작한다. 이중 튜닝 포크가 용융 석영으로 제조될 때와 같이, 공진기 물질이 비간섭성 방사 에너지 흡수 물질이 아니면, 광역학적 구동 효율은 비교적 낮다. 여기 효율은 방사 에너지 흡수 물질이 팽창 응력을 공진기 물질로 전송할 수 있는 경우에 여기 지점에서 방사 에너지 물질을 포함함으로써 상당히 향상된다. 이 목적을 달성하기 위해 몰리브덴이 성공적으로 사용되어 왔다. 응력이 측정될 물리적 파라메터(P)에 관련되는 경우에 통상적으로 이중 튜닝 포크(20)의 종축을 따라 다른 응력을 인가시킴으로써, 진동 포크 살의 공진 주파수는 정확히 물리적 파라메터에 관련될 수 있다. 일단 튜닝 포크는 규칙적으로 변하는 광선 비임 에너지를 튜닝 포크의 크로치에 직접 인가시키고 1개의 살의 노출 단부에서의 진동을 감지함으로써 구동될 수 있다(제7도 참조). 공진기의 온도(예를들어, 물리적 파라메터(P))가 변화될 때, 살 물질의 탄성 계수는 변화된다. 이 효과는 공진기의 공진 주파수가 온도에 따라 변하게 된다.
제4도에 도시한 바와 같이, 제어국(12)로부터의 광학 섬유(14)는 감지 지점(11)로 연장되고, 이중 튜닝 포크(20)의 크로치내의 한 지점 또는 이 크로치에 인접한 지점, 즉 여기 지점(23)으로 이송된다. 제6도 및 제9도를 참조하여 다음에 기술한 바와 같이, 이것은 바람직하지만 제한적인 위치가 아니다. 즉, 이 공진기 및 다른 공진기 구성상의 다른 위치들도 성공적으로 사용될 수 있다.
동작시에, 제4도에 도시한 제어국(12)내의 전광 회로는 전압 입력을 발광 다이오드(LED) 감지 광선 소오스(15) 및 제2구동 광선 소오스 LED(16)을 가동시키는 전력 증폭기(29)로 전달하는 정류 dc 전원 공급기(30)을 통해 시스템 구동 에너지를 제공한다. LED(15)는 한쌍의 마이크로렌즈(34) 및 비임 분할기(36)과 공동으로 정상 광선을 공진기(20)으로 전송하기 위해 감지 광학 섬유내로 제공한다. 광학 에너지 전송률을 향상시키기 위해 시스템 전반에 걸쳐 광학 섬유 인터페이스에 마이크로렌즈(34)를 사용하는 것은 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있다. 이러한 렌즈들은 닛뽄 쉬트 글래스 캄파니(Nippon Sheet Glass Company) 제품으로 판매되고 있다. 도시한 비임 분할기 대시에 광학 섬유 결합자가 사용될 수 있고, 이 광학 섬유 결합기는 단일 모우드 또는 다중 모우드 광학 섬유용으로 적합하다.
전기, 기계, 열, 광학 소자들의 혼합물을 포함하는 이 전체 배열은 폐쇄 루우프 발진기를 형성한다. 더우기, 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있는 바와 같이, 이 시스템은 전기 잡음 존재 또는 공진기(20)내에서 유도된 약간의 진동으로부터 자체 시동하기에 적합한 이득 및 위상 전이 선택을 사용하여 설계될 수 있으므로, 루프는 몇몇 동작 싸이클내에서 공진 상태에 있게 된다.
제4도에 도시한 시스템의 동작을 더욱 상세하게 고찰하고 공진기(20)이 진동하기 시작했다고 가정하면, 주파수가 공진기의 주파수와 동일한 감지 검출기, 즉 포토다이오드(17)에서 ac 전기 신호가 발생하게 된다. 그 다음, 이 ac 신호는 궤환 회로(18)에 인가된다. 이 회로망(18)은 감지 검출기, 즉 포토다이오드(17)로 부터의 신호를 증폭하기 위한 증폭기, 양호하게는 저레벨 ac 증폭기(26), 진동을 유지시키기 위해 폐쇄 루우프의 위상차를 보상하기 위한 보정 또는 위상 전이 회로(27), 펄스 성형기(28), 및 증폭기, 즉 전력 증폭기(29)로 구성된다. 증폭기(29)의 출력은 일련의 광선 펄스를 발생시키게 되는 구동 광선 소오스, 즉 LED(16)용 구동 전압으로 된다. 다른 마이크로렌즈(34) 및 상부 광학 섬유(14)를 통해 공진기 여기 지점(이 경우에 이중 튜닝 포크 크로치(23)에서의 공진기(20)으로 전송된 이 광선 펄스들은 각각의 연속 펄스와의 공진기의 편향을 발생시키도록 이중 튜닝 포크(20)의 운동과 정확히 동기되는 공진기의 운동을 발생시키는 크로치에서의 국부 가열을 발생시킨다. 그러므로, 펄스 성형기(28)의 출력은 진동의 공진 주파수, 즉 측정자, 즉 물리적 파라메터(p)의 아날로그 값을 나타낸다. 이 주파수 신호는 주파수 출력 단자인 터미날(31)에서 직접 독출될 수 있거나, 측정자에 관련된 dc 제어 신호를 발생시키도록 주파수-직류 변환기(32)와 같은 변환기에 선택적으로 공급될 수 있다.
유사한 방식으로, 측정자의 변화에 의해 야기된 진동의 공진주파수 변화는 광학적으로 검출되어, 공정 파라메터(P)의 변화를 나타내는 새로운 출력 신호를 발생시키기 위해 폐쇄 루우프 궤환 회로(18)내에서 자동적으로 보상된다. 상술된 적합한 궤환 회로의 설계명세는 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있다.
소정의 응용시에, 공정 지점과 제어국 사이를 통신시키기 위한 단일 광학 섬유를 제공하는 것이 바람직하게 될 수 있다. 이 목적을 위해, 제5도의 측정자 감지기(10) 배열이 특히 유리하게 될 수 있다. 간략화하기 위해, 전자 구동 및 궤환 회로의 상세한 설명은 생략되어 있다. 즉, 이들의 동작은 제4도와 관련하여 상술한 설명에서의 이들 동작과 유사하게 된다. 여기서, 한쌍의 LED 소오스, 즉 구별가능하게 상이한 파장(λ1 및 λ2)의 구동 광선 소오스 1 LED(40) 및 감지 광선 소오스 λ2 LED(41)의 출력의 파장은 색선별 비임분할기(42)에서 멀티플렉스된다. 소오스 λ1 LED는 공진기(20)의 동작 범위내의 소정의 주파수에서 광선의 펄스열을 발생시키고, 감지 광선 소오스 λ2 LED(41)은 광선의 정상 비임을 제공한다. 이 2가지 파장의 광선은 제어국(12)로부터 단일 광학 섬유 통로를 통해 공정 지점 배치 제2색선별 비임 분할기(44)로 이송되는데, 이 비임 분할기(44)는 공진기를 구동시키기 위해 거의 모든 λ1 광선을 다른 광학 섬유(14)를 통해 이중 튜닝 포크 크로치(23)으로 통과시키지만 λ2 광선은 차단시킨다. 효율적으로, 모든 정상 λ2 광선은 감지 신호로서 제2비임 분할기(44)에 의해 반사되는데, λ1 광선은 λ2 광선 통로를 따라 전혀 보내지지 않는다. λ2 광선은 다른 광학 섬유를 통해 최대 공진기 편향 위치 또는 포크 살 또는 공진기 감지 지점(24)와 같은 공진기 감지 지점으로 보내진다.
상술한 바와 같이, 튜닝 포크(20) 공진 주파수를 변화시키기 위해, 변환기(13)내에 장착된 이중 튜닝 포크(20)은 한 단부, 즉 기부 단부(21)에 고착되고, 물리적 파라메터(P)에 관련된 종방향 응력은 다른 단부, 즉 말단부(22)에 인가된다.
복귀 감지 신호는 공진기 감지 지점, 즉 비임 연부(24)로부터 이중 튜닝 포크(20)에 의해 반사되고, 정상 λ2 광선과 마찬가지로 공진기(20)의 광역학적 유도 운동에 대응하여 교호 신호를 발생시키기 위해 비임 연부(24)에 의해 변조된다. 변조된 감지 신호는 광학 섬유 통로(14 및 43)을 통해 제3비임 분할기(45)로 복귀되는데, 이 제3비임 분할기(45)에서 변조된 광선의 일부분은 광학 섬유를 따라 감지 검출기(17)로 통과된다. λ1 광선을 차단시키는 2대역 통과 휠터(52)는 감지 검출기(17)에 도달하는 광선의 파장을 제한시키기 위해 사용될 수 있다. 이 신호는 감지 검출기, 즉 포토다이오드(17)에서 광학적으로 검출되어, 구동 광선 소오스(40)으로 루우프를 폐쇄시키기 위해 적합한 회로망(궤환 회로(18))을 통해 궤환됨으로써, 펄스열 주파수를 이중 튜닝 포크(20)의 공진 주파수로 셋트시키게 된다.
제6도는 단일 광학 섬유(14)가 단일 광선 비임을 감지기로 이송하는 본 발명의 측정자 감지기(10)의 광학적 가동식 자체 진동 변형 형태를 도시한 것이다. 더욱 상세하게 말하자면, 정상 또는 CW 광선 비임은 도면의 맨 우측에서의 광학 섬유(14) 아래에서 발사되는데, 이 광선은 실선 화살표로 도시되어 있다. 광선 비임은 제어국(12)로부터 공정 지점(11)에 배치된 변환기(13)으로 통과한다. 이중 튜닝 포크(20)은 기부 단부(21)에 고착되고, 물리적 파라메터(P)에 관련된 종방향 응력은 상술한 바와 같이 이중 튜닝 포크(20) 공진 주파수를 변화시키도록 말단부(22)에 인가된다. 이 광선 비임은 튜닝 포크가 운동중일 때 광선이 "쵸프(chopped)"되도록 이중 튜닝 포크(20)의 살들 사이로 보내진다. 어느 정도의 쵸프된 광선은 살의 외향 회유중에 포크를 통과하게 되고 다른 광학 섬유(14)에 의해 픽업된다. 이 광선은 상술한 바와 같이 이중 튜닝 포크(20)을 국부 가열에 의해 진동 상태로 구동시키기 위해 이중 튜닝 포크(20)의 크로치(23)에서 여기 지점으로 이송된다. 튜닝 포크 살의 내향 회유중에, 정상 또는 CW 광선은 여기 지점으로 통과하지 못하도록 최소한 부분적으로 차단되고 교호 세기 광선 비임으로서 광학 섬유(14)를 따라 제어국(12)로 다시 반사된다. 제어국에서 교호 광선 부분들은 광학 섬유 결합기 또는 비임 분할기(38)에 의해 검출기(도시하지 않음)로 보내진다. 광선 펄스가 운동을 향상시키기에 적당한 시간에 여기 지점에 도달하게 할 필요가 있다. 즉, 진동을 원조하기 위해 신중히 선택되어야 한다. 위상 관계는 광선 흡수 피막과 공진기 구조를 사이에 열파 지연층을 유입시킴으로써 변형될 수 있다.
제6도에 도시한 측정자 감지기(10)의 자체 진동 변형 형태를 공진기 감지 지점에서의 감지 신호의 변조 및 여기 지점(23)으로 보내진 광학 섬유(14)를 통한 여기를 정관한다. 여기 지점(23) 및 공진기 감지 지점(24)의 위치는 단지 설명하기 위해서 도시되어 있다. 이중 튜닝 포크는 광선 비임 유도 광역학적 효과의 광선 변조 및 셔터링이 동일 지점에서 실행될 수 있도록 높은 교호 응력 지점에서 최대 운동을 갖는다. 몇가지 이러한 지점들은 공진기, 특히 이중 튜닝 포크(20)상에 존재하는 것으로 도시되어 있다. 1개의 이러한 지점은 종축을 따르는 살의 중심 주위에서 살의 연부로 된다. 이 형태 및 다른 형태의 공진기로의 기계적인 실험 결과, 다수의 이러한 위치들이 발견되었는데, 특정한 위치의 선택은 사용된 공진기 형태에 따라 변하므로, 소정의 경우에 이 선택은 기술자에게 달려있게 된다(제9도에 관련된 설명참조).
제7도에는 온도 감지기로서 유용한 본 발명의 특정한 변형 형태가 도시되어 있다. 광선 소오스(도시하지 않음)로부터의 제1파장 λ1에서의 광선의 펄스들은(공정 지점(11)에서의) 변환기(13)으로 보내진다. 이 λ1 광선은 광학 섬유 통로(43)을 통해 변환기(13)에서의 광학 섬유 결합기(38)로 주행한다. 이 펄스들은 공진 진동과 동상이므로, 상술한 바와 같이 공진기(46)의 크로치내의 연기 지점(23)에 충돌하여 광역학적 효과에 의해 공진기를 공진 상태로 여기시키게 된다. 살들은 도면의 면내로 운동하는데, 이 운동은 광학적으로 검출되어 제어국(도시하지 않음)으로 복귀된다. 이 감지 신호는 정상 λ2 파장으로서 광학 섬유 통로(43) 아래에서 발사되고, 공진기 살에 의해 반사되며, 광학 섬유 통로(43)을 통해 복귀될 수 있다.
단일 튜닝 포크(46)의 조성용으로 여러가지 물질이 적합하지만, 용융 석영이 특히 유용한데, 그 이유는 이 용융 석영이 탄성 계수에 따라 변하는 양호한 온도를 갖는 것이 발견되었기 때문이다. 팽창 계수는 작고 온도에 따른 주파수 변화에 단지 약간만 기여한다. 이 물질은 측정 변환기용으로 안정된 물질이다. 즉, 이 물질은 가격이 저렴하고 적합한 어셈블리를 형성하기 위해 용이하게 용융접착된다. 제8도내에는 이중 튜닝 포크 공진기(20)이 단일 광학 섬유를 필요로 하는 효율적인 방법에 의해 광학적으로 검출되는 특정한 관심의 대상인 감지 방법을 사용하는 측정자 감지기(10)의 기본부가 도시되어 있다. 이 형태내에서, 광학 섬유 통로(43)은 광학 섬유 통로(48)과 같은 광학 섬유 통로의 교호 불투명 스트라이프(alternating opaque stripes)를 인가시키는 것과 같이 단부상의 교호 고-불투명도 및 저-불투명도 스트라이프의 형태로 될 수 있는 패턴(B)를 갖는다. 편리한 감지 지점(24)에서의 표면 및 광학 섬유 통로(48)에 인가된 정합 패턴(47)을 갖고 있는 공진기는 광선이 광학 섬유 통로 아래에서 제어국(도시하지 않음)으로부터 공정 지점(11)로 발사될 때 광학 섬유 통로의 단부에 도달하는 광선은 패턴(47)에 의해 부분적으로 차단되도록 근접하게 배치된다. 어느 정도의 광선은 패턴(A)를 통과하게 된다. 패턴(A)를 통과하는 광선은 감지 지점(24)에서 공진기의 표면상의 정합 반사 패턴(B)에 충돌한다. 물리적 파라메터(P)에 관련된 광학적으로 변조된 광선 신호는 광학 섬유상에 복귀된다. 제한적이 아닌, 예를 들어, 1㎛ 이상 최소한 10㎛까지의 교호 스트라이프 패턴이 포크 살의 진동의 감지 감도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 소정의 패턴으로 종단되는 다중 모드 광학 섬유에 있어서, 광학 섬유 직경은 더 크게 될 수 있고, 여전히 높은 운동 감도를 달성한다. 약 5㎛의 교호 스트라이프 패턴은 저전력 구동 포크 공진기를 감지할 때 특히 유용하다.
제9도는 이중 튜닝 포크를 여기시키기 위한 몇개의 더욱 양호한 위치, 즉 지점(50) 및 공진기 진동을 감지하기 위한 몇개의 양호한 위치, 즉 지점(51)을 도시한 것이다. 또한, 감지 지점(51)은 여기 영역으로서 양호하게 작용할 수 있다.
석영과 같은 소정 물질의 이중 튜닝 포크(DTF)는 용이하게 제조된다. DTF 소자들을 공통 특성으로 대량 생산할 수 있다고 믿어진다. 식 (1) 및 (2)는 무부하 동작 주파수 및 부하가 인가된 경우의 주파수 변화에 대한 1차식을 나타낸다. 이 식내에서, 동작 주파수(fo)는 축방향 부하가 인가되지 않은 경우의 DTF의 고유 공진 주파수(Hz)이고, △f는 인가된 축방향 부하로 인한 공진 주파수의 변화이며, E는 DTF의 종축을 따르는 탄성 계수이고, F는 인가된 축방향 부하를 나타내고 정(+) 또는 부(-)로 될 수 있으며(각각의 살은 인가된 축방향 부하의 1/2을 수신한다), ρ는 DTF 물질의 밀도를 나타내고, m은 슬롯의 길이이며, w는 살폭이고, t는 살의 두께이다. 식 (1) 및 (2)는 소정의 포크 물질 또는 기하학적 형태에 대한 일반식이다.
fo=(4.732/4II
Figure kpo00001
)(
Figure kpo00002
/ρ)(w/㎡) (1)
△f/fo=(0.074/E)(㎡/tw3)F (2)
각각의 DTF 소자들은 현장 검정될 필요없는 변환기내에 결합될 수 있다.
이 바람직한 목적을 달성하기 위해, 포크는 완성된 변환기내에 장치될때 바람직한 동작 주파수 이하의 고유 공진 주파수(즉, 무부하 상태) 및 바람직한 허용도내에서 DTF에 인가된 축방향 부하 대 동작 주파수로 나누어진 인가된 축방향 부하로 인한 공진 주파수의 변화(△f)를 나타내도록 제조된다. 작은 금속(또는, 등가물) 패드들이 제조중에 각각의 살의 중심 근처의 살상에 배치된다.
예를 들어, 금으로 이루어질 수 있는 이 작은 패드들은 석영의 복원력을 변경시키지 않고서 포크의 밀도(ρ)를 효율적으로 감소시키기 위해 제1레이저 트리밍(laser trimming) 동작에 의해 감소될 수 있다. 제2레이저 트리밍 동작은 인가된 축방향 부하에 따라 변하는 △f/동작 주파수를 변경시키도록 어느 정도의 비임 물질 두께(t)를 제거하기 위해 행해질 수 있다. 이 물질 제거 수단은 DTF가 석영으로 제조될 때와 같은 소정의 경우에 DTF 물질을 도우핑 또는 피막시킴으로써 향상될 수 있다. 이 제2트리밍 동작시에, 목적은 무부하 동작 주파수를 변경시키지 않고서 포크살의 강성을 변경시키기 위한 것이다.
DTF의 선형성은 제거된 물질의 위치를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 또한, 살의 폭 또는 홈의 길이의 트리밍은 동작 주파수에 영향을 미치므로, 동작 주파수에 따라 변하는 주파수의 부하 변화의 의존성에 영향을 미친다.
그러므로, 본 발명의 다수의 장점들에 대해서 상세하게 상술하였다. 공진 소자 감지기를 사용하고 측정자 데이타를 광학 감지 장치를 통해 주파수 형태로 전송하면서 광선 에너지를 열로 변환시킨 다음 물리적 운동으로 변환시킴으로써 동작하는 공정 제어 시스템용 계기 시스템이 설명되어 왔다. 도전체를 통해 공정 지점과 제어국 사이의 전기 전송을 제거하고 공정 지점에서의 모든 변환기 전기 회로를 제거함으로써, 과거의 공정 제어 시스템내에서와 같은 전자 간섭에 관련된 문제점들이 경감되어 왔다. 공정 플랜트에서 동작하는 광학 회로망을 장치하는 것은 단일 광학 섬유를 통한 개량된 2-웨이 통신을 효율적으로 제공함으로써 가동 및 감지하기 위한 별도의 광학 섬유 도체의 필요성을 제거함으로써 간략화될 수 있다. 부수적으로, 본 발명의 궤환 기술은 진동을 유지시킬 뿐만 아니라 최소가능한 전력 입력에 대한 최대 공진기 진동 진폭을 촉진시킬 수 있다. 그러므로, 이 배열은 유효 신호 대 잡음비를 유지하면서 포함된 거리에 걸쳐 통신하기 위해 저전력 방사 에너지원을 사용하게 하기에 특히 적합하다.
본 발명의 양호한 실시예가 기술되었지만, 이 설명은 단지 설명하기 위한 것이고 제한되지 않는다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명을 여러가지 형태로 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 전반에 걸쳐 광선 에너지를 공진기의 국부 가열로 변환시킴으로써 작동되는 공진 소자 감지기와 동작하는 것으로 기술되었다. 첨부한 특허 청구의 범위내에서 정해진 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 공진 물리적 운동을 실행하기 위해 광에너지를 감지기에 인가시키기 위한 다른 기술들이 고안될 수 있었다.

Claims (27)

  1. 공진 기계적 구조물의 광역학적 자극 및 광학 검출에 의한 물리적 파라메터 측정시에 사용하기 위한 장치에 있어서, 진동하기 위한 공진 기계적 구조 수단, 물리적 파라메터를 상기 공진 기계적 구조 수단에 전달하기 위한 수단, 최소한 1개의 방사 에너지 비임을 제공하기 위한 방사 에너지원 수단, 상기 방사 에너지를 상기 공진 기계적 구조물의 제1영역에 전달하기 위한 방사 에너지 통로 수단, 물리적 파라메터 값에 관련된 주파수에서 운동을 자극시키도록 상기 방사 에너지를 상기 공진 기계적 구조물의 최소한 일부분내에서 전도되는 열 에너지로 직접 변환시키기 위한 수단, 및 상기 방사 에너지의 최소한 일부분을 상기 통로 수단의 최소한 일부분을 따라 상기 공진 구조물 진동에 관련된 변조 신호로서 복귀시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복귀된 변조 신호를 검출하기 위한 수단, 상기 복귀된 변조 신호에 관련된 출력 신호를 제공하기 위한 수단, 및 상기 방사 에너지원 수단, 상기 방사 에너지 통로 수단, 상기 공진 기계적 구조 수단, 상기 방사-열 변환 수단, 상기 변조 신호를 복귀시키기 위한 수단, 및 상기 복귀된 변조 신호를 검출하기 위한 수단과 상기 출력 신호를 제공하기 위한 수단에 의해 형성된 발진 루우프를 폐쇄시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조 수단이 비임 구조물인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비임 구조물이 단일 비임을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 비임 구조물이 다중 비임인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물이 튜닝 포크인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 열 흡수률을 향상시키는 공진기 표면 피막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물이 중공 구조물인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기계적 구조물이 정면 표면, 배면 표면, 및 공진 기계적 구조물내에서 방사 에너지를 수신하여 응력으로 변환시키기에 적합한 정면 표면상의 최소한 한 영역을 포함하는 기다란 구조물인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역이 여기 영역이고, 방사 에너지 통로 수단이 여기 에너지를 상기 여기 영역에 전달하기 위한 제1광학 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물이 광학 변조 감지 영역을 포함하고, 상기 방사 에너지 통로 수단이 광학 감지 신호를 광학 변조 감지 영역에 전달하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역이 여기 영역이고, 상기 감지 영역 및 상기 제1영역이 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물이 상기 방사 에너지를 통로 수단을 따르는 최소한 1개의 방사 에너지 비임을 단속적으로 차단시키기에 적합하고 차단된 방사 에너지를 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역으로 이송하기 위한 부수적인 방사 에너지 통로 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제1항에 있어서, 광학적으로 여기되고 자체 진동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역이 여기 영역이고 방사 에너지의 일부분을 차단하기 위한 셔터 수단을 더 포함하며, 단일 정상 방사 에너지 비임이 단일 광학 섬유 통로 수단을 따라 광학에너지를 셔터링하기 위한 상기 수단으로 전달될 수 있고 셔터링된 방사 에너지의 일부분을 상기 여기 영역에 전달하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역이 여기 영역이고, 상기 감지 영역과 상기 제1영역이 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물이 방사 에너지 차단중에만 상기 방사 에너지를 상기 광학섬유 통로 수단을 따라 다시 반사시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물이 제1비임이 방사 에너지를 반사시키기 위한 수단을 포함하는 최소한 2개의 비임을 갖고 있는 다중 비임 구조물이고, 상기 방사 에너지 통로 수단이 방사 에너지를 공진 기계적 구조물의 제1영역으로 보내기에 적합하며, 상기 방사 에너지의 최소한 일부분을 복귀시키기 위한 수단이 상기 방사 에너지를 반사시키기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제1항에 있어서, 방사 에너지를 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역에 전달하기 위한 수단이 교호 반사 및 전송 영역 패턴에 의해 종단되고, 상기 공진 기계적 구조물의 상기 제1영역이 한 영역이 흡수성인 교호 영역의 정합 패턴을 포함하며, 2개의 패턴들이 상기 공진 구조물의 진동 상태 및 진동 주파수의 광학 반사로의 광역학적 자극을 촉진시키기 위해 정렬되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 최소한 1개의 물리적 파라메터를 감지하는 공진 기계적 구조물의 광역학적 자극 및 광학 검출 방법에 있어서, 최소한 1개의 제1방사 에너지원으로부터 방사 에너지를 발생시키는 단계, 상기 방사 에너지를 최소한 1개의 방사 에너지 전달 통로를 따라 공진 기계적 구조물로 전달하는 단계, 상기 방사 에너지의 최소한 일부분을 열 에너지로 변환시키는 단계, 상기 공진 기계적 구조물의 진동을 여기시키기 위해 응력으로서 열 에너지를 공진 기계적 구조물의 일부분내에 분산시키는 단계, 상기 측정된 물리적 파라메터의 함수로서 상기 공진 기계적 구조물의 주파수를 변경시키는 단계, 상기 진동 주파수에 따라 상기 방사 에너지의 일부분을 변조시키는 단계, 변조된 감지 신호로서 상기 방사 에너지의 최소한 일부분을 상기 방사 에너지 전달 통로를 따라 복귀시키는 단계, 및 상기 물리적 파라메터에 관련된 신호를 제공하기 위해 상기 변조된 감지 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 검출된 변조 감지 신호로부터 유도된 신호를 상기 제1방사 에너지원으로 궤환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물을 광역학적으로 여기시키기 위해 제1방사 에너지를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 진동 주파수를 감지하기 위한 방사 에너지가 상기 공진 기계적 구조물에 의해 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 공진 기계적 구조물의 진동 주파수를 광학적으로 감지하기 위해 방사 에너지를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 제1방사 에너지가 제1파장 방사 에너지이고, 상기 제2방사 에너지가 구별 가능하게 상이한 제2파장 방사 에너지인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 제1방사 에너지 및 상기 진동 주파수를 감지하기 위한 방사 에너지가 단일 광학 섬유상에 이송되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제20항에 있어서, 방사 에너지의 최소한 일부분을 열 에너지로 변환시키는 단계가 자체 진동을 발생시키기 위해 상기 공진 기계적 구조물의 일부분에 의한 차단에 의해 상기 방사 에너지를 셔터링하여 셔터링된 방사 에너지를 시변 열 에너지로 변환시킴으로써 여기시키기 위해 상기 셔터링된 방사 에너지를 상기 공진 기계적 구조물의 일부분으로 이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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