간섭 감지 장치 document_id A220623064519

많은 산업에서 응력(stress) 및 변형(strain)을 측정하는 것과 같은 환경에 대한 실시간 정보를 제공하는 수동 센서의 감도를 개선하기 위한 요구가 있으며, 이는 구조에서의 운동, 압력 변화 및 온도 변화에 의해 야기될 수 있다. 변형을 감지하기 위한 일반적인 방법은 인가된 변형을 나타내는 전압을 발생시키는 압전(piezoelectric) 변형 게이지에 의한 것이다. 그러나, 큰 규모의 압전-기반 시스템은 압전 센서의 비용, 센서의 크기, 긴 케이블에 걸친 신호 감소, 전자기 간섭에 의해 야기된 스퓨리어스 신호(spurious signal), 및 더 큰 어레이에서 센서를 연결하기 위한 고속 전기 케이블링(cabling)의 비용을 포함하는 많은 문제를 가지고 있다. 압전-기반 방법의 많은 문제는 광학 장비에 기초한 기술을 사용함으로써 극복될 수 있다. 예를 들어, 센서는 광섬유로 연결될 수 있고, 이는 전기 케이블링보다 훨씬 더 큰 대역폭을 가지고 전자기 간섭의 영향을 받지 않는다. 광학 시스템은 비싸지 않은, 일용품화된(commoditized) 전기통신 장비로 구성될 수 있다. 변형 측정은 비교적 비싸지 않은 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating)를 사용하는 광학 시스템에서 이루어질 수 있다. 광섬유 브래그 격자는 고-강도 자외선을 사용하는 광섬유의 세그먼트(segment)를 따라 주기적인 패턴을 새겨 넣음으로써(burning)(즉, 기록함으로써) 생성된다; 패턴은 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 교번(alternative) 라인들로 구성되고, 이는 브래그 격자이다. 브래그 격자는 높은 색-선택적 미러(mirror)이다: 주기적 구조를 통과하는 광은 파장에 따라 투과되거나 반사된다. 반사되는 파장은 격자의 설계에 있어 선택될 수 있다: 예를 들어, 하나의 파장의 광(또는 색)이 반사되는 크기는 격자를 구성하는 라인들의 간격에 좌우된다. 광섬유 브래그 격자는 라인 간격 때문에 센서로서 사용될 수 있고, 따라서 하나의 선택된 파장에서 반사된 광의 양은 광섬유의 광학 길이에 따라 변하고, 이는 기계적 변형 또는 온도에 따라 변한다. 광학 브래그 격자는 지구물리학적 측량에 대한 의학 감지, 해저 탐색(surveillance) 및 지진 센서 용 초음파 하이드로폰(ultrasonic hydrophone), 민간 항공 산업에서의 스마트 구조의 내장된 모니터링, 수중 음향 어레이 센서와 같은, 다양한 응용을 위한 스마트 구조의 초-감도가 강한 정적 및 동적 변형 검출기로 제안되어왔다. 압전 변형 센서에 걸친 이점은 전자기 간섭-감지 및 위험한 환경 응용을 위한 이들의 적합성(suitability), 큰 어레이로의 확장성(scalability) 및 이들의 보다 작은 횡단면 영역을 포함한다. 또한, 광학 센서 어레이는 원격으로 호출되고 그리고 표준의, 일용품화된 통신 장비를 사용하여 광학적으로 멀티플렉스된다. 초기 시범은, 격자가 변형 및 온도에 의해 섭동(perturb)되었던 경우, 커다란 브래그 파장에서의 변화에 기초하였다. 호출 기술이 더욱 정교해짐에 따라, 다양한 신호 처리 및 액티브 프린지 측 라킹 방식(active fringe side locking scheme)이 이용되었고, 이는 이들 감지 방식의 분해능을 획기적으로 개선하였다. 미국 특허 출원 제 2001/0013934호는 광섬유 브래그 격자로 형성될 수 있는 광대역 스위칭된 광원 및 감지 간섭계들을 사용하는 간섭 감지 장치를 개시하고 있다. 매칭된 간섭계는 위상 변조기를 포함하고 감지 간섭계는 매칭된 간섭계에서의 광학 경로 차와 대략 동일한 광학 경로차를 가진다. 다른 파장에서의 광학 간섭 신호는 감지 간섭계의 각각에 의해 검출기로 반환된다. 각각의 간섭 신호는 감지 간섭계의 광학 경로 길이와 매칭된 간섭계의 광학 경로 길이 사이의 차를 나타내고 이는 측정 신호로 사용될 수 있다. 이 접근은 (i) 감지 간섭계와 기준 간섭계 사이의 경로 길이 차의 정확한 제어를 달성하는 것; (ii) 기준 간섭계로부터 발생한 음향 신호를 감소시키는 것; (iii) 백색 광의 사용에서 발생한 동적 범위 및 제한된 변형 분해능을 개선하는 것인 다수의 어려움에 의해 제한된다. 라디오-주파수 변조 기술이 광섬유 브래그 격자 구조를 호출하는데 사용되어 있는 Optics Express, Volume 13, No.7에 G.Gagliardi 등에 의해 또다른 접근이 설명되어 있다. 격자에 의해 반사된 레이저 방사로부터의 브래그 파장에서의 변화의 측정을 얻음으로써 변형 측정이 이루어진다. 이 접근은 다음을 포함하는 많은 어려움에 의해 제한된다: 즉, (i) 라디오-주파수 변조는 광섬유 브래그 격자의 고감도 대역폭과 비교하여 매우 높을 필요가 있다; (ii) 달성가능한 감도는 주파수 판별로 열등하고 오류 신호의 변형 판별은 광섬유 브래그 격자의 고감도 대역폭에 의해 제한된다.