KR20070021325A

KR20070021325A - 구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템

Info

Publication number: KR20070021325A
Application number: KR1020077001953A
Authority: KR
Inventors: 김형윤
Original assignee: 김형윤
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: KR100772286B1

Abstract

본 발명은 구조물(교량, 항공, 우주, 무인기, 정유/화학시설, 선박, 차량, 고층건물 등의 구조물)의 건전상태 감시용 센서(200)을 제공하며, 상기 센서(200)은 유전체기판(202); 램파를 작동 및/또는 감지하기 위한 압전장치(208); 상기 압전장치(208)에 침착된 몰딩층(228); 상기 몰딩층(228)에 침착된 피복층(206); 및 상기 압전장치(208)를 둘러싸며, 상기 기판(202)에 부착된 후프층(204)를 포함한다. 상기 센서(200)는 상기 유전체 기판(202)에 부착된 광섬유 코일센서(210)를 더 포함하고, 상기 광섬유 코일센서(210)는 권선체이 광섬유 케이블(224)와 상기 권선체의 광섬유 케이블(224)에 적용된 코팅층(220)을 갖는다. 또한, 본 발명은 주구조물(610)에 부착된 다수개의 패치센서(602) 및 상기 패치센서(602)에 연결된 브릿지박스(604)를 포함하는 진단용 네트워크 패치를 제공한다.

구조물, 건전상태, 감시, 센서, 광섬유, 무선통신

Description

구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템{Sensors and systems for structural health monitoring}

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 패치센서의 개략적인 측단면도이다.

도 1c는 도 1a의 패치센서에 사용될 수 있는 전형적인 압전장치의 개략적인 평면도이다.

도 1d는 도 1c의 전형적인 압전장치의 개략적인 측단면도이다.

도 1e는 본 발명의 타실시예에 따른 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 1f는 도 1e에 도시된 패치센서의 개략적인 측단면도이다.

도 1g는 도 1e의 패치센서를 포함하는 복합적층체의 개략적인 단면도이다.

도 1h는 도 1e의 패치센서의 타실시예의 개략적인 측단면도이다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 하이브리드 패치센서의 개략적인 측단면도이다.

도 2c는 본 발명의 타실시예에 따른 하이브리드 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 2d는 도 2c에 도시된 하이브리드 패치센서의 개략적인 측단면도이다.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 3b는 도 3a에 도시된 광섬유 패치센서의 개략적인 측단면도이다.

도 3c는 도3a의 광섬유 패치센서 내에 수용된 광섬유 코일의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 3d는 도3c에 도시된 광섬유 코일의 타실시예의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 3e 및 3f는 도 3c의 광섬유 코일의 타실시예의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 3g는 도 3e의 광섬유 코일의 개략적인 측단면도이다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 진단용 패치와셔의 개략적인 일부절제 평면도이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 진단용 패치와셔의 개략적인 측단면도이다.

도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 도 4a의 진단용 패치와셔를 이용한 예시적인 볼트결합 구조물의 개략도이다.

도 4d는 본 발명의 타실시예에 따른 도 4a의 진단용 패치와셔를 이용한 예시적인 볼트결합 구조물의 개략도이다.

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 센서/액츄에이터장치를 구비하는 심문시스템의 개략도이다.

도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 센서를 구비하는 심문시스템의 개략도이다.

도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 주 구조물에 적용된 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.

도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.

도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 오각형 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.

도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 리벳/볼트결합된 복합적층체 내에 장착된 진단용 네트워크 패치시스템의 개략적 사시도이다.

도 6e는 본 발명의 타실시예에 따른 접착패치로 보수한 복합적층체 내에 장착된 진단용 네트워크 패치시스템의 개략적 사시도이다.

도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 원격진단용 네트워크 패치시스템을 제어하는 무선통신시스템의 일실시예를 도시한 개략도이다.

도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조 내의 센서집합체를 구비한 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.

도 7b는 본 발명의 타실시예에 따른 오각형 네트워크 구조 내의 센서집합체를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.

도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬접속의 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체의 개략도이다.

도 8b는 본 발명의 타실시예에 따른 병렬접속의 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체의 개략도이다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터 및 센서신호의 곡선도이다.

본 출원은 2003년 9월 22일에 출원된 구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템이라는 명칭의 미국 가출원 제60/505,120(이 출원은 본원 명세서에 참고로서 전체를 인용한다)의 이익을 청구한다. 본 발명은 구조물의 진단, 특히 구조물의 건전성 감시용 진단 네트워크 패치시스템 (DNP system)에 관한 것이다.

사용중인 모든 구조물(교량, 항공, 우주, 무인기, 정유/화학시설, 선박, 차량, 고층건물 등의 구조물)은 적절한 검사와 유지보수가 필요하므로, 그 수명을 연장하거나 돌발적인 파손을 방지하기 위해 구조물의 완전 상태 및 건전성을 감시해 주어야 한다. 최근 들어 구조물의 건전성 감시가 중요한 화제가 되고 있는 것은 분명하다. 현재까지 구조물의 결점이나 손상을 확인하기 위해, 전통적인 외관검사 및 초음파 및 와전류 스캐닝, 어쿠스틱 에미션(acoustic emission) 및 X선 검사와 같은 비파괴법을 포함하는 수많은 검사방법이 이용되어 왔다. 이들 종래의 검사방 법에 있어서는 검사를 위해 구조물을 적어도 일시적으로 사용상태로부터 분리해야할 필요가 있다. 상기 종래의 방법들은 고립된 장소의 감시용으로 여전히 사용되고 있긴 하지만, 많은 시간과 비용을 요한다.

센서기술의 진보에 따라, 구조물의 완전상태 현장감시를 위한 새로운 진단기법이 상당히 향상되어왔다. 통상, 이들 새로운 진단기법은 적절한 센서로 이루어지는 센서시스템 및 주요 구조물에 장착된 액츄에이터를 이용하고 있다. 그러나, 이들 문제 해결법은 여러 가지 결점이 있고, 최소의 인력으로 구조물의 상태를 진단, 분류 및 예측할 수 있는 신뢰성 있는 센서네트워크 시스템 및/또는 정밀감시방법을 제공하는 효과적인 온라인 진단방법을 제공하지 못한다. 예로써, 우(Wu) 등에 허여된 미국특허 5,814,729에는 구조물 내의 적층복합구조물 내의 판상균열 영역을 찾아내기 위해 그 구조물 내에서의 진동파의 감쇄특성 변화를 검출하는 방법이 개시되어 있다. 상기 진동파를 생성하는 액츄에이터로서 압전세라믹(Piezoceramic) 장치가 사용되고, 상기 파신호를 수신하기 위한 센서로서 다른 격자위치(different grating locations)를 가지는 광섬유 케이블이 사용된다. 이 시스템의 결점은 다수의 액츄에이터 배열(array)을 수용할 수 없으므로 각 액츄에이터 및 센서를 개별적으로 장착해야 한다는 것이다. 상기 결함부 검출은 액츄에이터와 센서 사이의 직결통로를 따라 이동하는 진동파의 변화에 기초하여 이루어지므로, 이 검출방법은 상기 직결통로의 외측에 존재하는 결함 및/또는 구조물의 경계부의 주위에 존재하는 결함은 검출할 수 없다.

다른 결함검출방법은 블라직(Blazic) 등에 허여된 미국특허 5,184,516에서 발견할 수 있다. 이 특허는 구조물의 건전성 감시 및 평가를 위한 내장형 정각회로(conformal circuit)를 개시한다. 이 정각회로는 일련의 스트레인 센서의 적층체로 구성되고, 각 센서는 정각구조의 결함을 확인하기 위해 대응하는 위치의 스트레인 변화를 측정한다. 상기 정각회로는 수동적인 시스템으로서, 예를 들어, 신호발행을 위한 액츄에이터를 가지고 있지 않다. 이와 유사한 수동적인 센서네트워크 시스템은 매너제이(Mannur, J.) 등에게 허여된 미국특허 6,399,939에서 발견할 수 있다. 이 특허에서는 압전세라믹-파이버 센서시스템이 복합구조체에 내장된 플래너파이버(planner fibers)를 구비하는 것에 대하여 개시하고 있다. 이들 수동적인 방법의 결점은 센서와 센서 사이의 층간박리 및 손상을 감시할 수 없다는 것이다. 또, 이들 방법은 상기 내장된 회로 및 압전파이버가 부착된 국부영역에서만 그 주 구조물의 상태를 검출할 수 있다.

창(Chang) 등에 허여된 미국특허 6,370,964는 구조물 내의 손상을 검출하기 위한 하나의 방법을 개시하고 있다. 이 특허는 스탠포드 멀티-액츄에이터-리시버 트랜스덕션 층(Stanford Multi-Actuator-Receiver Transduction (SMART) Layer)이라 불리는 센서네트워크층을 개시하고 있다. 상기 SMART층^®은 압전세라믹 센서/액츄에이터(또는, 간단히, 압전세라믹)를 등간격으로 배치하고, 가요성 유전체 필름을 상기 압전세라믹 센서/액츄에이터에 개재시켜 접착시킨 압전세라믹 센서/액츄에이터를 구비한다. 상기 액츄에이터는 음파(acoustic waves)를 발생하고, 센서는 그 음파를 수신하여 전기신호로 변환시킨다. 상기 압전세라믹을 전자장치에 접속 하기 위해, 도금된 와이어를 종래의 가요성 회로기술을 이용하여 에칭시키고 복수의 회로기판 사이에 적층시킨다. 결과적으로 도금와이어 영역을 피복하기 위한 상당량의 가요성 회로기판면적이 필요해진다. 또, 상기 SMART층^®은 적층복합체층으로 제작된 주 구조물에 고착되어야 한다. 고착공정시의 고온사이클에 기인된 내부응력에 의해 상기 SMART층^® 내의 압전세라믹은 미세파괴를 일으킬 수 있다. 또, 상기 SMART층^®의 기층은 주 구조물로부터 쉽게 분리될 수 있다. 또, 상기 SMART층^®을 고착부를 가지는 주 구조물에 삽입하거나 부착하기가 매우 어려우므로 그 고착부에 가해지는 압축부하에 의해 도금와이어가 절곡되기 쉽다. 파괴된 압전세라믹 및 절곡된 와이어는 전자기 간섭 노이즈에 민감하여 전기신호의 유도불량의 원인이 될 수 있다. 열응력, 전장쇼크 및 진동과 같은 가혹조건에서 상기 SMART층^®은 강고하지 않으므로 구조물의 건전성을 감시하는 도구로서 신뢰성이 없을 수도 있다. 또, 손상 및/또는 결함이 있는 액츄에이터/센서를 교환할 때 주 구조물을 해체해야 하므로 비용이 많이 든다.

다른 구조물의 결함검출법은 라이트(Light) 등에게 허여된 미국특허 6,396,262에 개시되어 있다. 이 특허는 구조물의 손상을 조사하기 위한 자외센서(magnetostrictive sensor)를 개시하고 있는데, 상기 센서는 강자성체 스트립 및 이 스트립에 근접 배치된 코일을 구비한다. 이 시스템의 주요 결점은 센서배열을 수용하도록 설계할 수 없으므로 센서와 센서 사이의 내부손상은 검출할 수 없다는 것이다.

따라서, 기존의 구조물 및/또는 신축 구조물 내에 쉽게 설치할 수 있고, 인력의 개입을 최소화한 상태로 구조물의 상태진단, 상태분류 및 상태예측을 위한 효과적인 온라인 기법을 제공하는 효과적이고, 정밀하고, 신뢰성이 있는 시스템이 필요하다.

본 발명의 목적은 복합체 및/또는 금속제의 주 구조물에 부착되는 진단용 네트워크 패치(DNP) 시스템에 의해 달성된다. 상기 DNP시스템은 액츄에이터/센서를 수용하고, 주 구조물의 결함/손상을 검출 및 감시할 수 있다. 인체의 신경계통과 마찬가지로, 상기 DNP시스템은 액츄에이터/센서 사이에서 음파 자극(또는, 램파)을 전송함으로써 주 구조물 내의 내부 파선(wave-ray) 통신네트워크를 제공한다.

본 발명의 일 관점에 따르는 구조물의 건전상태 감시장치는 유전체 기판, 상기 기판에 부착된 적어도 하나의 버퍼층, 상기 적어도 하나의 버퍼층에 부착된 압전장치, 상기 압전장치 상에 침착된 몰딩층, 상기 몰딩층 상에 침착된 피복층, 및 상기 압전장치에 연결된 한 쌍의 전선을 포함하고, 상기 압전장치는 신호를 발생 및/또는 수신하도록 구성된다.

본 발명의 다른 관점에 따르는 구조물의 건전상태 감시용 광섬유 코일센서는 광섬유 케이블 롤체 및 이 광섬유 케이블 롤체에 적용된 코팅층을 구비하고, 상기 광섬유 케이블의 권선공정 중에 소정의 인장력이 가해지고, 상기 코팅층은 광섬유 케이블 롤체의 인장응력을 유지한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 구조물의 건전상태 감시장치는 유전체 기판, 상기 기판에 부착된 적어도 하나의 센서, 상기 적어도 하나의 센서를 둘러싸고, 상기 기판에 부착된 후프층; 상기 적어도 하나의 센서 상에 침착된 몰딩층; 및 상기 몰딩층 상에 침착된 피복층을 구비한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 구조물의 건정상태 감시장치는 하측기판, 상측기판, 이들 상하측 기판 사이에 개재된 적어도 하나의 센서, 및 상기 적어도 하나의 센서를 둘러싸고, 상기 상하측 기판에 부착된 후프층을 포함한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 진단용 패치와셔(patch wahser)는 둘레방향의 홈 및 반경방향의 노치(notch)를 구비하는 환상 지지요소(ring shaped support element), 상기 지지요소에 부착되고, 상기 홈에 수용된 압전장치, 상기 압전장치에 연결된 한 쌍의 전선, 상기 지지요소에 부착되고 상기 홈 내에 수용된 광섬유 코일센서를 구비한다. 상기 광섬유 코일센서는 광섬유 케이블 롤체 및 이 광섬유 케이블 롤체에 적용된 코팅층을 구비한다. 상기 광섬유 케이블의 권선공정 중에 소정의 인장력이 가해지고, 상기 코팅층은 상기 광섬유 케이블 롤체의 인장응력을 유지한다. 상기 진단용 패치와셔는 상기 홈을 덮기 위한 환상의 뚜껑을 더 구비하고, 상기 한 쌍의 전선 및 광섬유 케이블의 양단부는 상기 노치를 통과한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 주 구조물의 건전상태 감시를 위한 진단용 네트워크 패치시스템은 소정의 패턴으로 상기 주 구조물에 부착된 복수의 패치를 구비하고, 상기 복수의 패치 중에서 적어도 하나는 상기 복수의 패치 중 적어도 다 른 하나에 의해 발생된 진동파를 수신할 수 있다. 본 시스템은 또 복수의 패치에 연결된 브릿지 박스를 구비한다. 상기 브릿지 박스는 무선수단을 통해 복수의 패치로부터 수신된 신호를 지상통제시스템으로 송신하는 RF 원격측정시스템을 포함한다.

하기의 설명은 많은 예시적 설명을 포함하고 있으나 당 기술분야의 기술자는 본 발명의 범위 내에서 많은 다양한 변경 및 개조가 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 본 발명의 실시예는 청구범위의 일반성을 손실하지 않고, 또 청구범위에 제한을 가함이 없이 제시된 것이다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 패치센서(100)의 개략적인 일부절제 평면도이다. 도 1b는 도 1a의 A-A 방향을 따라 취한 패치센서(100)의 개략적 단면도이다. 도 1a-1b에 도시된 바와 같이, 상기 패치센서(100)는, 주 구조물에 부착되도록 구성된 기판(102); 후프층(104); 신호(특히, 램파(Lamb wave))의 생성용 및/또는 수신용 압전장치(108); 기계적 임피던스 매칭을 제공함과 동시에 기판(102)과 압전장치(108) 사이의 열응력 부정합의 감소를 위한 버퍼층(110); 압전장치(108)에 접속된 2개의 전선(118a-b); 상기 압전장치(108)를 기판(102)에 고착하기 위한 몰딩층(120); 상기 몰딩층(120)의 보호 및 시일(sealing)용 피복층(106)을 구비한다. 상기 압전장치(108)는, 압전층(116), 상기 전선(118b)에 접속된 하측 도전체(112) 및 상기 전선(118a)에 접속된 상측 도전체(114)를 구비한다. 상기 압전장치(108) 는 소정의 전기신호가 상기 전선(118a-b)을 통해 가해지는 경우 액츄에이터(또는, 등가적으로, 신호발생기)로서 동작할 수 있다. 전기신호의 인가시, 상기 압전층(116)은 변형됨으로써 램파를 생성한다. 또, 상기 압전장치(108)는, 진동신호의 감지, 상기 압전층(116)에 가해진 상기 진동신호를 전기신호로의 변환, 및 상기 전선(118a-b)을 통한 전기신호의 전송을 위한 수신기로서 동작할 수 있다.

상기 기판(102)은 부티랄테놀릭(butyralthenolic), 아크릴 폴리이미드, 나이트랄 페놀릭(nitriale phenolic) 또는 아라미드와 같은 통상적인 캐스팅제 열경화성 에폭시와 같은 구조물 접착제를 이용하여 주 구조물에 부착될 수 있다. 상기 기판(102)은 이것에 부착된 압전장치(108)를 보호하는, 열 및 전자기 간섭에 대한 절연층으로 구성할 수 있다. 경우에 따라, 상기 유전체 기판(102)은 250℃ 이상의 온도에 대처할 필요가 있다. 또, 신호전달지연 및 압전장치(108)와 주 구조물 사이의 크로스토크를 최소화하기 위한 유전상수, 및 고주파에서의 파워로스의 감소를 위한 고임피던스를 가지는 것으로 할 수 있다.

상기 기판(102)은 다양한 물질로 제조될 수 있다. 듀퐁사(델라웨어주, 윌밍턴시 소재)에 의해 제조된 Kapton^® 폴리이미드는 일반 용도에 사용하는 것이 바람직하고, 다른 3종의 물질인 테플론 퍼플루오로알콕시 (Teflon perfluoroalkoxy (PFA)), 폴리 p-자일릴렌(poly p-xylylene (PPX)), 및 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole (PBI))은 특수용도에 사용할 수 있다.

예를 들면, PFA필름은 양호한 유전특성과, 저전압 및 고온에 적합한 저유전 손실을 가질 수 있다. PPX와 PBI는 고온에서 안정적인 유전력(dielectric strength)를 제공할 수 있다.

상기 압전층(116)은 압전세라믹, 압전결정, 또는 압전폴리머로 제조할 수 있다. 펜실베니아 주립대의 TRS 세라믹사(TRS Ceramics, Inc.)에 의해 제조된 PZN-PT 결정과 같은 압전결정은 높은 스트레인 에너지 밀도 및 낮은 스트레인 히스테리시스로 인해 압전장치(108)의 설계에 채용하는 것이 바람직하다. 소형의 패치센서를 위해서는, 일본국 도쿄에 소재하는 후지세라믹사(Fuji Ceramic Corporation) 또는 펜실베니아 맥키빌(Mackeyville)에 소재하는 APC 인터내쇼날사(APC International, Ltd.)에 의해 제조된 PZT 세라믹과 같은 압전세라믹을 압전층(116)용으로 사용할 수 있다. 상하측 도전체(112)(114)는 크롬이나 금과 같은 금속으로 제조할 수 있고, 종래의 스퍼터링법(sputtering process)에 의해 상기 압전층(116)에 부착할 수 있다. 도 1b에서 압전장치(108)는 한 쌍의 도전체만을 구비하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 당업자에게 있어서는 압전장치(108)가 신호파의 생성/검출에 있어서 압전층(116)의 성능을 최적화하기 위한 다양한 두께를 가지는 복수층의 도전체를 구비할 수 있다는 것이 자명한 사실이다. 각 도전체의 두께는 패치센서(100)가 부착되는 특정의 주 구조물에 가해지는 열적 한계 및 기계적 부하에 의해 결정될 수 있다.

온도사이클을 지속하기 위해, 압전장치(108)의 각 층은 다른 층의 열팽창계수와 유사한 열팽창계수를 가질 필요가 있다. 또, 기판(102)을 포함하는 통상의 폴리이미드의 열팽창계수는 대략 4-6×10^-5K^-1이고, 압전층(116)을 포함하는 통상의 압전세라믹/결정의 열팽창계수는 대략 3×10^-6K^-1이다. 이와 같은 열팽창의 불일치는 압전장치(108)의 고장의 최대원인이 될 수 있다. 압전장치(108)가 고장나면 주 구조물의 패치센서(100)를 교체해 주어야 한다. 전술한 바와 같이, 버퍼층(110)은 압전층(116)과 기판(102) 사이의 열팽창계수의 불일치의 악영향을 감소하기 위해 사용할 수 있다.

상기 버퍼층(110)은 도전성 폴리머 또는 금속, 특히 열팽창계수가 2×10^-5K^-1인 알루미늄으로 제조하는 것이 바람직하다. 상기 버퍼층(110)은 알루미나, 실리콘 또는 그래파이트로 제조한 하나 이상의 버퍼층으로 대체되거나 추가될 수 있다. 일실시예에 있어서, 알루미늄제 버퍼층(110)의 두께는 각각 약 0.05mm 두께인 2개의 도전체(112)(114)를 포함하여 약 0.25mm의 두께인 압전층(116)의 두께와 거의 동일하게 할 수 있다. 대체로, 버퍼층(110)의 두께는 인접층의 재료특성과 두께에 의해 결정될 수 있다. 상기 버퍼층(11)은 압전장치(108)의 열적부하에 대한 내구성의 향상 및 이중기능을 제공할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 압전장치(108)는 그 상측 도전체(114)의 상측에 다른 버퍼층을 적층할 수 있다.

상기 버퍼층(110)의 다른 기능은 기판(102)에 의해 수신된 신호의 증폭작용이다. 패치센서(100)에 의해 발생된 램파 신호가 주 구조물을 따라 전파됨에 따라, 주 구조물에 부착된 다른 패치센서(100)에 의해 수신된 신호의 강도는 두 패치센서 사이의 거리가 증가함에 다라 감소한다. 하나의 램신호(Lamb signal)가 패치 센서(100)가 설치된 위치의 도달하면, 기판(102)이 그 신호를 수신하게 된다. 다음에, 버퍼층(110)의 재료 및 두께에 따라 수신된 신호의 강도는 특정주파수로 증폭될 수 있다. 다음에, 상기 압전장치(108)는 증폭된 신호를 전기신호로 변환시킨다.

습기, 가동 이온(mobile ions) 및 불량한 환경조건은 패치센서(100)의 성능을 악화시키고, 수명을 감소시키므로 2개 층의 보호코팅층, 즉 몰딩층(120)과 피복층(106)을 사용할 수 있다. 상기 몰딩층(120)은 에폭시, 폴리이미드 또는 실리콘-폴리이미드를 이용하여 통상의 제조법으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 몰딩층(120)은 저열팽창성 폴리이미드로 제조되며, 압전장치(108) 및 기판(102) 상에 침착시킬 수 있다. 상기 몰딩층(120)의 부동태화는 정각밀봉시일(conformal hermetic seal)을 형성하지 않으므로, 피복층(106)을 밀봉시일하도록 몰딩층(120) 상에 적층시킬 수 있다. 상기 피복층(120)은 니켈, 크롬 또는 은과 같은 금속으로 제조되며, 전기분해법 또는 e-비임 증착법 및 스퍼터링법과 같은 종래기법으로 적층시킬 수 있다. 일실시예에 있어서, 스크래칭 및 균열에 대한 보호층을 제공하기 위해 상기 피복층(106) 상에 에폭시 필름 또는 폴리이미드 필름을 추가로 피복시킬 수 있다.

상기 후프층(104)은 실리콘 나이트라이드 또는 글라스와 같은 유전성 절연물질로 제조될 수 있고, 압전장치(108)의 도전성 부품이 전기적으로 단락되지 않도록 기판(102) 상의 압전장치(108)를 둘러싼다.

도 1c는 본 기술분야에 공지된 종래 형식의 것으로서, 상기 압전장치(108)의 대용으로 할 수 있는 압전장치(130)의 개략적 평면도이다. 도 1d는 도 1c의 B-B방향을 따라 취한 압전장치(130)의 개략적인 단면도이다. 도 1c-d에 도시된 바와 같이, 상기 압전장치(130)는, 하측 도전체(134); 압전층(136); 전선(138b)에 접속된 상측 도전체(132); 전선(138a)에 접속된 접속체(142); 및 상기 접속체(142)를 하측 도전체(134)에 접속하기 위한 도전편(144)을 구비한다.

도 1e는 본 발명의 타실시예에 따른 패치센서(150)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 1f는 도 1e에 도시된 패치센서(150)의 개략적 측단면도이다. 도 1e-f에 도시된 바와 같이, 상기 패치센서(150)는, 하측기판(151); 상측기판(152); 후프층(154); 압전장치(156); 상하측 버퍼층(160a-b); 및 상기 압전장치(108)에 접속된 2개의 전선(158a-b)을 구비한다. 상기 압전장치(156)는, 압전층(164); 전선(158b)에 접속된 하측 도전체(166); 및 전선(158a)에 접속된 상측 도전체(162)를 구비한다. 상기 패치센서(150)의 기능과 재료는 패치센서(100)의 대응부의 것과 유사하다. 상기 각 버퍼층(160a-b)은 하나 이상의 하부층을 포함할 수 있고, 각 하부층은 폴리머 또는 금속으로 구성할 수 있다. 상기 상측기판(152)은 기판(102)의 재료와 동일한 재료로 제조할 수 있다.

상기 패치센서(150)는 구조물의 건전상태를 감시하기 위해 주 구조물에 부착할 수 있다. 또한, 상기 패치센서(150)는 적층체 내에 삽입할 수도 있다. 도 1g는 패치센서(150)를 개재하고 있는 복합적층체(170)의 개략적 단면도이다. 도 1g에 도시된 바와 같이, 상기 주 구조물은, 복수의 적층(172); 및 이 복수의 적층(172)에 고착된 적어도 하나의 패치센서(150)를 구비한다. 일실시예에 있어서, 상기 적층(172)의 내부에는 그 경화처리 이전에 에폭시 수지와 같은 접착물질을 함유시킬 수 있다. 경화처리 중에, 상기 적층(172)으로부터 나온 접착물질은 공동부(174)를 충만시킨다. 이와 같은 접착물질의 축적을 예방하기 위해 후프층(154)이 상기 공동부(174)를 충만하는 구조로 할 수 있다.

도 1h는 도 1e의 패치센서(150)의 타실시예(180)의 개략적 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 패치센서(180)는, 하측기판(182), 상측기판(184), 후프층(198); 압전장치(190); 상하측 버퍼층(186, 188); 및 압전층(196)을 구비한다. 간단히 하기 위해, 압전장치(190)에 접속된 한 쌍의 전선은 도 1h에는 도시되어 있지 않다. 상기 압전장치(190)는, 압전층(196); 하측 도전체(194); 및 상측 도전체(192)를 구비한다. 상기 패치센서(180)의 구성부품의 기능과 재료는 패치센서(150)의 대응부의 것과 유사하다.

상기 후프층(198)은 그 외측의 윤곽이 공동부(174)의 형상에 일치하도록 하나 이상의 다양한 치수의 하부층(197)을 구비할 수 있다. 하부층(197)으로 공동부(174)를 충진시킴에 의해 적층체(170)의 경화처리 중에 접착물질이 축적되지 않게 된다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 패치센서(200)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 2b는 도 2a의 C-C방향을 따라 취한 하이브리드 패치센서(200)의 개략적 단면도이다. 도 2a-b에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 패치센서(200)는, 주 구조물에 부착하도록 구성된 기판(202); 후프층(204); 압전장치(208); 양단부(214a-b)를 구비하는 광섬유 코일(210); 버퍼층(216); 상기 압전장 치(208)에 접속된 2개의 전선(212a-b); 몰딩층(228); 및 피복층(206)을 구비한다. 상기 압전장치(208)는, 압전층(222); 상기 전선(212b)에 접속된 하측 도전체(220); 및 상기 전선(212a)에 접속된 상측 도전체(218)를 구비한다. 타실시예에 있어서, 상기 압전장치(208)는 도 1c의 압전장치(130)와 동일한 것으로 할 수 있다. 상기 광섬유 코일(210)은, 권선체의 광섬유 케이블(224); 및 코팅층(226)을 구비한다. 상기 하이브리드 패치센서(200)의 구성부품은 패치센서(100)의 대응부의 것과 유사하게 할 수 있다.

상기 광섬유 코일(210)은 새낙 간섭계(Sagnac interferometer)로 구성하여 램파 신호를 수신하도록 할 수 있다. 램파에 의해 유발된 주 구조물의 표면 상의 탄성 스트레인은 굽힘 및 신장에 의해 유발된 광섬유 케이블(224)의 기존의 스트레인 상에 부가될 수 있다. 그 결과, 광섬유 케이블(224)을 통한 빛의 운동시의 주파수/위상 변화량은 광섬유 케이블(224)의 총 길이에 의존한다. 일실시예에 있어서, 전자기 간섭 및 진동 노이즈에 대한 영향을 받지 않는 점을 고려하여 광섬유 코일(210)을 주 센서로서 사용하고 압전장치(208)를 보조 센서로서 사용할 수 있다.

상기 광섬유 코일(210)은 도플러효과를 권선체의 광섬유 케이블(224)을 통한 빛의 운동의 주파수에 이용한다. 상기 각 광섬유 코일(210)에 있어서, 광섬유 권선의 내측은 압축력 하에 있고, 외측은 인장력 하에 있게 된다. 이들 압축력과 인장력은 광섬유 케이블(224) 상에 스트레인을 유발한다. 램파에 의해 유발되는 주 구조물의 진동변위 또는 스트레인은 광섬유 케이블(224)의 스트레인에 부가된다. 복굴절식(birefringence equation)에 따르면, 광섬유 케이블(224)의 피복표면 상에서의 반사각은 상기 압축력 및/또는 인장력에 의해 유발되는 스트레인의 함수이다. 따라서, 각 광섬유 권선의 내외측은 직선상의 광섬유의 내외측과 상이한 반사각을 만들어내고, 따라서, 빛의 주파수는 빛이 광섬유 코일(210)을 통해 전송될 때 램파의 상대굴절변위(relative flexural displacement)에 따라 중심의 입력주파수로부터 변위하게 된다.

일실시예에 있어서, 상기 광섬유 코일(210)은 10 내지 30회선의 광섬유 케이블(224)을 포함하고, 적어도 10 mm의 최소 루프직경 (236)(di)을 가진다. 상기 광섬유 코일(210)의 최내측 권선과 압전장치(208)의 외부둘레 사이에는 갭(234)(dg)이 존재할 수 있다. 이 갭(234)은 최소 루프직경(236)과 압전장치(208)의 직경(232)(dp)에 의존하고, 압전장치의 직경(232)보다 광섬유 케이블(224)의 직경(230)(df)의 약 2배 또는 3배만큼 큰 것이 바람직하다.

코팅층(226)은 주 구조물에 의해 안내되는 램파의 굴절변위 또는 스트레인에 대한 광섬유 코일(210)의 민감도를 증가시키기 위해 금속 또는 폴리머 물질, 특히 에폭시로 구성되는 것이 바람직하다. 또, 상기 광섬유 케이블(224)의 권선공정 중에 인장응력을 추가하기 위해 광섬유 케이블(224)에 제어된 인장력을 부가할 수 있다. 상기 코팅층(226)은 권선체의 광섬유 케이블(224)의 내부응력을 유지시킴과 동시에, 각 광섬유 권선에 대해 램파의 굴절변위에 대한 균일한 면내변위(in-plane displacement)를 허용할 수 있다.

상기 코팅층(226)은 폴리이미드, 알루미늄, 구리, 금 또는 은과 같은 다른 물질로 구성할 수도 있고, 그 두께는 직경(230)의 약 30% 내지 2배의 범위로 할 수 있다. 상기 폴리머 물질로 구성된 코팅층(226)은 2가지 방법으로 형성할 수 있다. 일실시예는 권선체의 광섬유 케이블(224)을 기판(202) 상에 설치한 다음, 바이오도트 스프레이 코팅기(Biodot spray-coater)와 같은 장치로 분사하여 형성하는 것이고, 타실시예는 권선체의 광섬유 케이블(224)을 코팅물질의 용융욕 내에 침지시켜 형성하는 것이다.

금속으로 구성되는 코팅층(226)은 전기분해법 뿐 아니라 마그네트론 반응 스퍼터링법 또는 플라즈마 스퍼터링법과 같은 종래의 금속코팅법으로 형성할 수 있다. 특히, 산화아연은 코팅층(226)에 압전특성을 제공할 수 있도록 코팅층(226)의 코팅물질로서 사용할 수 있다. 산화아연을 권선체의 광섬유 케이블(224)의 상하측면에 코팅하면 광섬유 코일(210)은 전기신호에 대응하는 반경방향으로 동심적으로(radically) 수축하거나 팽창한다. 또, 산화규소 또는 산화탄탈륨 코팅물질도 권선체의 광섬유 케이블(224)의 굴절율을 제어하기 위해 사용할 수 있다.

산화규소 또는 산화탄탈륨은 직접/간접 이온빔 침착법 또는 전자빔 증기침착법을 이용하여 침착시킬 수 있다. 본 발명으로부터 벗어나지 않는 다른 방법을 이용하여 광섬유 케이블(224)에 코팅층(226)을 형성할 수 있는 것도 알려져 있다.

상기 압전장치(208) 및 광섬유 코일(210)은 보통의 폴리머 대신 물리적 응고형 접착제를 이용하여 기판(202)에 부착할 수 있다. 상기 물리적 응고형 접착제에는 부틸아크릴레이트-에틸아크릴레이트 공중합체, 스티렌-부타디엔-이소프렌 삼원중합체 및 폴리우레탄 알키드 수지 등이 포함되지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 물질의 접착특성은 중합체 구조의 가교결합의 결여에 기인되어 코팅공정 중 및 코팅공정 후에 일정하게 유지될 수 있다. 또, 이들 접착제는 종래의 폴리머에 비해, 다양한 피분석물질에 대한 민감도를 희생하지 않고도 기판(202)의 광범위한 웨팅(wetting)에 가장 적합할 수 있다.

도 2c는 본 발명의 타실시예에 따른 하이브리드 패치센서(240)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 2d는 도 2c에 도시된 하이브리드 패치센서(240)의 개략적 측단면도이다. 도 2c-d에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 패치센서(240)는, 하측기판(254); 상측기판(242); 후프층(244); 압전장치(248); 양단부(250a-b)를 구비하는 광섬유 코일(246); 상하측 버퍼층(260a-b); 및 상기 압전장치(248)에 접속된 2개의 전선(252a-b)을 구비한다. 상기 압전장치(248)는, 압전층(264); 상기 전선(252b)에 접속된 하측 도전체(262); 및 상기 전선(252a)에 접속된 상측 도전체(266)를 구비한다. 상기 광섬유 코일(246)은, 권선체의 광섬유 케이블(258); 및 코팅층(256)을 구비한다. 상기 하이브리드 패치센서(240)의 부품은 상기 하이브리드 패치센서(200)의 대응부의 것과 유사하다.

상기 패치센서(150)의 경우와 같이, 하이브리드 패치센서(240)는 주 구조물에의 부착 및/또는 복합적층체 내에의 내장이 가능하다. 일실시예에 있어서, 상기 후프층(244)은 패치센서(240) 및 복합적층체에 의해 형성된 공동부를 충만하기 위해 후프층(198)과 유사하게 구성할 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 패치센서(300)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도3b는 도 3a의 D-D방향을 따라 취한 광섬유 패치센서(300)의 개 략적 측단면도이다. 도 3a-b에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 패치센서(300)는, 기판(302); 후프층(304); 양단부(310a-b)를 구비하는 광섬유 코일(308); 몰딩층(316); 및 피복층(306)을 구비한다. 상기 광섬유 코일(308)은, 권선체의 광섬유 케이블(312); 및 코팅층(314)을 구비한다. 상기 광섬유 패치센서(300)의 각 요소의 물질과 기능은 도 2a의 하이브리드 패치센서(200)의 대응부의 것과 유사하다. 광섬유 케이블(312)의 최내측 권선의 직경(313)은 광섬유 케이블(312)의 물질특성에 의해 결정될 수 있다.

도 3c는 광섬유 케이블(312)의 권선방법을 설명하는, 도 3a의 광섬유 패치센서 내에 수용된 광섬유 코일(308)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 광섬유 코일(308)의 최외측 권선은 일단부(310a)에서 출발하고, 그 최내측 권선은 타단부(310b)에서 종료한다. 도 3d는 도 3c에 도시된 광섬유 코일(308)의 타실시예(318)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 광섬유 케이블(322)은 그 최외측 권선이 양단부(320a-b)에서 출발하는 형태가 되도록 절첩 및 권선된다. 상기 권선체의 광섬유 케이블(322)은 코팅층(319)으로 피복할 수 있다.

도 3c-d에 도시된 광섬유 코일(308 및 318)은 주 구조물에 직접 부착하여 광섬유 코일센서로서 이용할 수 있다. 이러한 이유로, 이하에서는 "광섬유 코일" 및 "광섬유 코일 센서"라는 용어를 동의적으로 사용할 것이다. 도 3e-f는 광섬유 코일(308)의 타실시예이다. 도 3e에 도시된 바와 같이, 광섬유 코일(330)은, 양단부(338a-b)를 구비함과 동시에 케이블(312)과 동일한 형태로 권선된 광섬유 케이 블(334); 및 코팅층(332)을 구비한다. 광섬유 코일(330)은 후술하는 패스너를 수용하기 위한 홀(336)을 구비할 수 있다. 마찬가지로, 도 3f의 광섬유 코일(340)은, 양단부(348a-b)를 구비함과 동시에 케이블(322)과 동일한 형태로 권선된 광섬유 케이블(344); 및 코팅층(342)을 구비한다. 상기 코일(340)은 패스너(fastener)를 수용하기 위한 홀(346)을 구비할 수 있다. 도 3g는 도 3e의 D-D방향을 따라 취한 광섬유 코일(330)의 개략적 측단면도이다.

도 3a-g에 도시된 센서는 도 1g에 도시된 것과 유사한 형태로 적층체에 내장시킬 수 있음에 주목해야 한다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 진단용 패치와셔(400)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 4b는 도 4a의 E-E방향을 따라 취한 진단용 패치센서(400)의 개략적 측단면도이다. 도 4a-b에 도시된 바와 같이, 상기 진단용 패치센서(400)는, 양단부(410a-b)를 구비하는 광섬유 코일(404); 압전장치(406); 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)를 접착물질로 접착시켜 수용하는 지지요소(402); 상기 압전장치(406)에 접속된 한 쌍의 전선(408a-b); 및 상기 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)를 피복하도록 구성된 피복디스크(414)를 구비한다.

상기 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)의 물질 및 기능은 하이브리드 패치센서(200)의 광섬유 코일(210) 및 압전장치(208)의 그것과 유사하다. 일실시예에 있어서, 상기 압전장치(406)는 홀(403)이 없는 점 외에는 압전장치(130)와 유사하다. 상기 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)는 종래의 에폭시를 이용하여 지지요소(402)에 부착할 수 있다. 상기 지지요소(402)는 광섬유 코일(404)의 양단 부(410a-b)와 한 쌍의 전선(408a-b)이 통과할 수 있는 노치(412)를 구비할 수 있다.

도 4a-b에 있어서, 진단용 패치센서(400)는 액츄에이터/센서로서 작용할 수 있고, 광섬유 코일(404) 및 압전장치(406)를 구비할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 진단용 패치와셔(400)는 센서로서 작용할 수 있고, 광섬유 코일(404)만 구비할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 진단용 패치와셔(400)는 액츄에이터/센서로서 작용할 수 있고, 압전장치(406)만 구비할 수 있다.

도 4a-b에 도시된 바와 같이, 진단용 패치와셔(400)는 볼트 또는 리벳과 같은 다른 체결장치를 수용하기 위한 공동부(403)를 구비할 수 있다. 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 진단용 패치와셔(400)를 이용하는 예시적인 볼트결합된 구조물(420)의 개략도이다. 상기 볼트결합된 구조물(420)에 있어서, 종래의 볼트(424), 너트(426) 및 와셔(428)를 이용하여 플레이트와 같은 한 쌍의 구조물(422a-b)을 고정할 수 있다. 구조물의 응력은 볼트결합부(429)에 집중되어 구조물을 손상시키는 경향이 있다는 것은 주지의 사실이다. 상기 진단용 패치센서(400)는 볼트결합된 구조물(420)에 내장되어 상기와 같은 손상을 검출해내는 데 이용될 수 있다.

도 4d는 본 발명의 타실시예에 따른 진단용 패치와셔(400)를 이용하는 예시적인 볼트결합된 구조물(430)의 개략적 단면도이다. 상기 볼트결합된 구조물(430)에 있어서, 종래의 볼트(432), 너트(434) 및 한 쌍의 와셔(436 및 438)를 이용하여 하니콤/적층 구조물(440)을 고정할 수 있다. 상기 하니콤 및 적층체 구조물(440) 은, 복합체 적층(422) 및 하니콤부(448)를 구비한다. 상기 볼트결합영역 부근의 구조물의 손상을 검출하기 위해, 한 쌍의 진단용 패치와셔(400a-b)를, 도 4d에 도시한 바와 같이, 하니콤부(448)에 삽입할 수 있다. 상기 상하측 패치와셔(400a-b)를 복합체 적층(442)에 대해 지지하기 위해 슬리이브(446)가 필요하다. 또한, 상기 와셔(400b)를 파괴적인 열전달로부터 보호하기 위해 상기 복합체 적층(422)과 진단용 패치와셔(400b) 사이에 열차단용 환상 디스크(444)를 개재시킬 수 있다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 피복디스크(414)의 외주부(415)는 볼트(424) 및 너트(426)에 가해지는 토오크에 의한 과도한 접촉하중으로부터 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)를 보호할 수 있는 잠금기구(locking mechanism)를 형성하기 위해 경사각을 가질 수 있다.

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 센서/액츄에이터를 구비하는 심문시스템(500)(interrogation system)의 개략도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 심문시스템(500)은, 램파신호의 발생 및/또는 수신을 위한 센서/액츄에이터 장치(502); 2개의 도전체 전선(516); 상기 장치(502)에 의해 수신된 신호를 처리하기 위한 조절장치(508); 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(504); 시스템(500) 전체요소를 관리하기 위한 컴퓨터(514); 증폭기(506); 디지털 신호를 아날로그 램파신호로 변환하는 파형생성기(510); 및 상기 센서/액츄에이터 장치(502)와 컴퓨터(514) 사이의 접속상태를 절환하도록 구성된 릴레이 스위치 모듈(512)을 구비한다. 일반적으로 하나 이상의 장치(502)가 릴레이 스위치(512)에 접속될 수 있다.

상기 센서/액츄에이터 장치(502)는 램파(517)를 발생함과 동시에 타 장치에서 발생된 램파를 수신하는 압전장치를 포함하는, 도 1a-2d 및 도 4a-d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있다. 램파(517)를 발생하기 위해, 파형생성기(510)는 상기 릴레이 스위치 모듈(512)을 통해 컴퓨터(514)(특히, 컴퓨터(514)에 포함된 아날로그 출력카드)로부터 여기된 파형의 디지털 신호를 수신할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 파형생성기(510)는 아날로그 출력카드로 구성할 수 있다.

상기 릴레이 스위치 모듈(512)은 종래의 플러그인 릴레이 보드로 구성할 수 있다. 상기 액츄에이터 및 센서들 사이의 크로스토크 링커("cross-talks" linker)에 의해, 상기 릴레이 스위치 모듈(512)에 포함된 릴레이 스위치는 컴퓨터(514)와 협동하여 특정순서로 각 릴레이 스위치를 선택할 수 있다. 일실시예에 있어서, 파형생성기(510)에 의해 발생된 아날로그 신호는 분기하는 전선(515)을 통해 다른 액츄에이터(들)로 전송될 수 있다.

상기 장치(502)는 램파를 수신하기 위한 센서로서 기능할 수 있다. 수신된 신호는 신호전압을 조절할 수 있고 적절한 주파수대역 내에서 의미있는 신호를 선택하기 위해 전기노이즈를 필터링할 수 있는 조절기(508)로 송신된다. 다음에, 필터링된 신호는 디지털 입력카드로 구성할 수 있는 아날로그-디지털 변환기(504)로 송신된다.

도 5b는 본 발명의 타실시예에 따른 센서를 구비하는 심문시스템(520)(interrogation system)의 개략도이다. 상기 심문시스템(520)은, 광섬유 코일을 구비하는 센서(522); 접속용 광섬유 케이블(525); 반송파 입력신호를 제공 하기 위한 레이저 광원(528); 한 쌍의 모듈레이터(526 및 534); 음향 광학 모듈레이터(AOM)(530); 한 쌍의 커플러(524 및 532); 광섬유 케이블(525)을 통해 전송된 광신호를 검출하기 위한 광검출기(536); A/D컨버터(538); 릴레이 스위치(540); 및 컴퓨터(542)를 구비한다. 상기 센서(522)는 광섬유 코일을 구비하는 도 2a-4d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있다. 일실시예에 있어서, 커플러(524)는 광섬유 케이블(525)을 다른 센서(523)에 접속될 수 있는 다른 광섬유(527)에 연결할 수 있다.

상기 센서(522), 특히 센서(522)에 포함된 광섬유 코일은 레이저 도플러 속도계(laser Doppler velocitimeter (LDV))로서 작동할 수 있다. 상기 레이저광원(528), 바람직하게는 다이오드 레이저는 모듈레이터(526)에 입력 반송파 광신호를 방사할 수 있다. 상기 모듈레이터(526)는 헤테로다인 모듈레이터(heterodyne modulator)로 구성할 수 있고, 반송파 입력신호를 2개의 신호, 즉 센서(522)를 위한 하나의 신호와 AOM(530)을 위한 다른 하나의 신호로 분할한다. 상기 센서(522)는 램파에 대응하는 도플러 주파수에 의해 입력 반송파 신호를 변위시키고, 이것을 헤테로다인 싱크로나이저(heterodyne synchronizer)로 구성할 수 있는 모듈레이터(534)에 전송한다. 상기 모듈레이터(534)는 광의 반송주파수를 제거하기 위해 전송된 광을 복조시킬 수 있다. 상기 광검출기(536), 바람직하게는 광다이오드는 복조된 광신호를 전기신호로 변환시킨다. 다음에 상기 A/D컨버터(538)는 상기 전기신호를 디지털화하여 릴레이 스위치 모듈(540)을 경유하여 컴퓨터(542)로 송신한다. 일실시예에 있어서, 상기 커플러(532)는 다른 센서(544)에 접속된 광섬유 케 이블(546)을 연결할 수 있다.

도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 주 구조물(610)에 설치된 진단용 네트워크 패치시스템(DNP)(600)의 개략도이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(600)은, 패치(602); 전송링크(612); 상기 전송링크(612)에 접속된 적어도 하나의 브릿지 박스(604); 데이타 수집 시스템(606); 및 상기 DNP시스템(600)을 관리하기 위한 컴퓨터(608)를 구비한다. 상기 패치(602)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있고, 여기서 전송링크(612)의 형식은 패치(602)의 형식에 의해 결정될 수 있고, 전선, 광섬유 케이블, 또는 이들 양자를 포함한다. 통상, 주 구조물(610)은 복합체 또는 금속으로 제조될 수 있다.

전송링크(612)는 브릿지 박스(604)에서 종결한다. 상기 브릿지 박스(604)는 복수의 패치(602)를 연결하여 외부의 파형생성기(510)(도 5a 참조)로부터의 신호를 수신하고, 수신된 신호를 외부의 A/D컨버터(504)(도 5a 참조)로 전송한다. 상기 브릿지 박스(604)는 전기/광케이블을 통해 접속됨과 동시에, 작동신호의 조절, 수신된 신호의 필터링, 및 광섬유 신호의 전기신호로의 변환을 위한 조절장치(508)(도 5a참조)를 수용할 수 있다. 상기 브릿지 박스(604)에 연결된 데이터 수집시스템(606)은 릴레이 스위치 모듈(512)(도 5a 참조)을 이용하여, 복수의 패치(602)를 릴레이함과 동시에 상기 패치(602)로부터 수신된 신호를 소정의 순서에 따라 채널 내로 다중전송(multiplex)한다.

램파의 발생 및 검출은 주 구조물 상의 액츄에이터 및 센서의 설치위치에 의해 영향을 받는다는 것은 주지의 사실이다. 따라서, 상기 패치(602)는 손상부의 확인을 위한 램파의 사용도를 최대화하기 위해 네트워크 구조 내에서 적절히 쌍을 이루게 해야 한다.

도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(620)의 개략도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 패치시스템(620)은 주 구조물(621)에 부착될 수 있고, 패치(622); 컴퓨터(626)에 접속된 브릿지 박스(624); 및 전송링크(632)를 구비할 수 있다. 상기 복수의 패치(622)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있고, 전송링크(632)의 형식은 패치(622)의 형식에 의해 결정될 수 있다. 상기 전송링크(632)는 전선, 광섬유 케이블, 또는 이들 양자로 구성할 수 있다.

상기 컴퓨터(626)는 액츄에이터 및/또는 센서의 기능을 할 수 있는 패치(622)의 동작을 조정할 수 있다. 화살표(630)는 패치(622)에 의해 발생된 램파의 전파(propagation)를 표시한다. 일반적으로, 주 구조물(621) 내의 결함(628)은 파동산란, 회절 및 램파의 전송손실과 같은 형태로 전송패턴에 영향을 줄 수 있다. 상기 결함(628)은 손상, 균열, 및 복합구조물의 박리 등을 포함한다. 상기 결함(628)은 상기 패치(622)에 의해 포획된 램파의 전송패턴의 변화를 검출함에 의해 감시할 수 있다.

상기 DNP시스템의 네트워크 구조는 램파에 기초한 구조물의 건전성 감시시스템에 있어서 중요하다. 상기 DNP시스템(620)의 네트워크 구조에 있어서, 파선(wave-ray) 통신경로는 균일하게 랜덤화되어야 한다. 통신경로의 균일화 및 패치들(622) 사이의 거리에 의해 주 구조물(621) 내의 결함(628)의 최소검출가능한 치수를 결정할 수 있다. 적절한 경로구조를 구비하는 최적화된 네트워크 구조에 의해 패치(622)의 수를 증가시키지 않고도 손상부의 확인정밀도를 향상시킬 수 있다.

패치들 사이에 크로스토크 경로를 형성하기 위한 다른 구조는 도 6c에 도시된 오각형 네트워크로 구성할 수 있다. 도 6c는 본 발명의 타실시예에 따른 오각형 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(640)의 개략도이다. 상기 시스템(640)은 주 구조물(652)에 설치될 수 있고, 패치(642); 컴퓨터(646)에 접속된 브릿지 박스(644); 및 전송링크(654)를 구비한다. 상기 복수의 패치(642)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있다. 상기 시스템(640)에 있어서, 패치(642)는 화살표(648)로 표시된 램파를 송수신함에 의해 결함(650)을 검출할 수 있다.

도 6d는 본 발명의 타실시예에 따른 리벳/볼트결합된 복합적층체(666 및 668)에 설치된 진단용 네트워크 패치시스템(660)의 개략적인 사시도이다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(660)은, 패치(662); 및 진단용 패치와셔(664)를 구비하고, 각 와셔는 한 쌍의 볼트 및 너트로 연결되어 있다. 도 6d에는 간단히 하기 위해 브릿지 박스와 전송링크가 도시되어 있지 않다. 상기 복수의 패치(662)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있다. 상기 진단용 네트워크 패치 시스템(660)에 있어서, 상기 패치(662) 및 진단용 패치와셔(664)는 화살표(670)로 표시된 바와 같은 램파의 송수신에 의해 결함(672)을 검출할 수 있다. 통상, 결함(672)은 패스너용 홀의 근방에서 발생한다. 상기 진 단용 패치와셔(664)는 도 6d에 도시된 바와 같이, 스트립 네트워크 구조에 배치된 다른 인접하는 진단용 패치(662)와 통신할 수 있다. 일실시예에 있어서, 도 3e, 도 3f의 광섬유 코일센서(330 및 340)는 진단용 패치와셔(664)의 대용으로 사용할 수 있다.

도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 접착패치(686)에 의해 보수될 수 있는 복합적층체(682)에 설치된 진단용 네트워크 패치시스템(680)의 개략적 사시도이다. 도 6e에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(680)은 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있는 복수의 패치(684)를 구비한다. 도 6e에는 간단히 하기 위해 브릿지 박스 및 전송링크가 도시되어 있지 않다. 상기 시스템(680)에 있어서, 패치(684)는 화살표(687)로 표시된 램파의 송수신에 의해 보수 패치(repair patch)(686)와 복합적층체(682) 사이에 위치하는 결함(688)을 검출할 수 있다.

도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 원격 진단용 네트워크 패치시스템을 제어하는 무선 데이터통신 시스템(690)의 일실시예를 도시하는 개략도이다. 도 6f에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(690)은, 브릿지 박스(698); 및 지상통제기(692)에 의해 작동될 수 있는 지상 통신시스템(694)을 구비한다. 상기 브릿지 박스(698)는 광범위한 구조적 건전성 감시가 요구되는 항공기(696)와 같은 주 구조물에 구현된 진단용 네트워크 패치시스템에 접속될 수 있다.

상기 브릿지 박스(698)는 2가지 방법으로 작동할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 신호발신기로서 작동할 수 있다. 이 실시예에 있어 서, 상기 브릿지 박스(698)는 마이크로 미니어처 트랜스듀서(micro miniature transducers)와, 구조물의 건전성 감시정보를 무선신호(693)를 통해 지상 통신시스템(694)에 전송할 수 있는 RF 원격측정 시스템의 마이크로프로세서를 구비할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 전자기파의 수신기로서 작동할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 무선신호(693)를 통해 지상 통신시스템(694)으로부터 전력을 수신하기 위한 조립체를 구비할 수 있다. 수신된 전력은 구조물(696)에 설치된 DNP시스템을 작동하는데 이용될 수 있다. 상기 조립체는 자극전극(stimulating electrode), 상보성 산화금속 반도체(complementary metal oxide semiconductor (CMOS)), 쌍극 전력조절회로, 하이브리드 칩 커패시터, 및 수신안테나 코일을 구비하는 미세 기계 가공된 실리콘 기판을 포함할 수 있다.

상기 브릿지 박스(698)의 구조는 주 구조물(696)의 외층과 유사하게 구성할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 복수층의 하니콤 적층구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수층의 하니콤 적층구조의 외면에는 복수의 마이크로 스트립 안테나가 매설되고, 이 안테나는 정각부하 안테나로서 작동한다. 상기 복수층의 하니콤 적층구조는 하니콤 코어와, e-글라스(e-glass)/에폭시, 케블라/에폭시, 그래파이트/에폭시, 알루미늄 또는 강(steel)과 같은 유기물질 및/또는 무기물질로 제조된 복수층의 유전성 적층체를 구비할 수 있다. 통합된 미세 기계가공기술이 급속히 발전함에 따라, 마이크로 스트립 안테나의 치수와 생산비용이 더욱 감소될 수 있으므로, 이는 기능상의 훼손 없이도 브릿지 박스(698)의 작동/생산비의 절감으로 이어질 수 있다.

본 발명의 범위는 표준 와이어리스 어플리케이션 프로토콜 (standard Wireless Application Protocol (WAP)) 및 구조물 건전성 무선감시 시스템용 무선 마크업 언어(wireless markup languages)를 사용하는 것에 한정되는 것은 아니다. 모바일 인터넷 툴킷(mobile Internet toolkit)을 이용함으로써, 상기 시스템은 WAP이 가능한 셀폰, HTML 브라우저를 갖춘 포켓PC, 또는 다른 HTML이 가능한 장치가 구조물 상태감시 또는 하부구조 관리에 정확하게 접근할 수 있는 안정된 사이트를 구출할 수 있다.

마이크로폰 배열이 이동원(moving source)의 방향을 색출하는데 이용될 수 있듯이, 센서 집합체 배열은 신호 도착시간의 차이를 측정함으로써 손상부를 색출하는데 이용될 수 있다. 도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조 내의 센서집합체를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(700)의 개략도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(700)은 주 구조물(702)에 설치될 수 있고, 센서집합체(704) 및 전송링크(706)를 구비한다. 각 센서집합체(704)는 2개의 수신기(708 및 712)와 하나의 액츄에이터/수신기 장치(710)를 구비한다. 상기 각 수신기(708 및 712)는 도 1a-4d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있고, 상기 액츄에이터/수신기 장치(710)는 도 1a-2d 및 도 4a-d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있음과 동시에, 램파 발생용 압전장치를 구비한다. 상기 센서집합체(704)의 액츄에이터/수신기(710)가 램파를 송신할 때, 인접하는 센서집합체(704)는 3개의 요소 모두, 즉 액츄에이터/수신기 장치(710) 및 수신기(708 및 712)를 이 용하여 램파를 수신할 수 있다. 3개의 요소 모두를 수신유닛으로 이용함으로써, 각 센서집합체(704)는 보다 정제된 램파를 수신할 수 있다. 또, 3개의 요소 사이의 도착시간차를 측정함으로써 결함(714)의 방향을 높은 정확도로 색출해낼 수 있다.

도 7b는 본 발명의 타실시예에 따른 오각형 네트워크 구조 내에 센서집합체를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(720)의 개략도이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(720)은 결함(734)을 검출하기 위해 주 구조물(722)에 설치할 수 있고, 센서집합체(724) 및 전송링크(726)를 구비한다. 각 센서집합체(724)는 상기 센서집합체(704)와 유사하다.

도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬접속의 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체(800)의 개략도이다. 상기 센서집합체(800)는 도 7a의 센서집합체(704)와 유사하고, 2개의 센서(804 및 808)와 하나의 액츄에이터/센서(806)를 구비한다. 본 구조에 있어서, 입력신호는 일단부(810a)를 통해 센서로 진입할 수 있고, 타단부(810b)로부터 나오는 출력신호는 입력신호 및 3개의 센서(804, 806 및 808)의 기여분(contribution)의 합계가 될 수 있다. 일실시예에 있어서, 각 센서로부터 출력된 신호는 파장에 기초한 역다중화(de-multiplex) 기법을 이용하여 다른 신호로부터 분리해 낼 수 있다.

도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 접속된 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체(820)의 개략도이다. 상기 센서집합체(820)는 도 7a의 센서집합체(704)와 유사하고, 2개의 센서(824 및 828)와 하나의 액츄에이터/센서(826)를 구비한다. 이 구조에 있어서, 입력신호는 3개의 단부(830a, 832a 및 834a)를 통해 각각 3개의 센서 내로 진입할 수 있고, 타단부(830b, 832b 및 834b)로부터 나오는 출력신호는 입력신호 및 3개의 센서(824, 826 및 828)의 기여분의 합계가 될 수 있다.

도 8a-b에 있어서, 센서들(804, 808, 824 및 828)은 광섬유 코일 센서(308)로서 도시되어 있다. 그러나, 당업자에게는 각 센서(804, 808, 824 및 828)가 도 1a-4d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성될 수 있고, 중간센서(806 및 826)는 도 1a-2d 및 4a-d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있고, 램파발생용 압전장치를 구비한다는 것은 자명한 사실이다. 또, 센서집합체(800 및 820)는 도 1g에 도시된 것과 동일한 형태로 복합적층체 내에 개재시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터 및 센서신호의 곡선도(900)이다. 램파를 발생시키기 위해, 액츄에이터 신호(904)를 도 1a의 패치센서(100)와 같은 액츄에이터에 인가할 수 있다. 상기 액츄에이터 신호(904)는 파형의 중간부에 최고진폭부를 가지는 복수의 웨이브피크(wave peaks)를 구비하는 톤버스트 신호(toneburst signal)로 구성할 수 있다. 상기 액츄에이터 신호(904)는 다양한 파형에 해닝함수(Hanning function)를 사용함으로써 설계될 수 있고, 0.01 MHz 내지 1.0 MHz의 그 중간주파수를 구비한다. 상기 액츄에이터는 액츄에이터 신호(904)를 수신하여 특정의 여기주파수(excitation frequency)를 가지는 램파를 발생한다.

신호(912a-n)는 복수의 센서에 의해 수신된 센서신호를 나타낸다. 제시된 바와 같이, 각 신호(912)는 각각 신호추출창(signal extracting windows) (또는, 신호추출 인벨롭(envelop))(920, 922 및 924)에 의해 분리된 파속(wave packets)(926, 928 및 930)을 구비한다. 이들 파속들(926, 928 및 930)은 센서의 위치에서의 분산모드에 기인되어 서로 다른 주파수를 가질 수 있다. 상기 신호분리창(916)은 램파신호를 각 센서신호로부터 식별해 내기 위해 적용한 것이다. 상기 파속들(926, 928 및 930)은 기본적인 대칭모드(S₀), 반사모드(S₀ _{_ref}) 및 기본적인 비대칭모드(A₀)에 각각 대응한다. 상기 반사모드(S_{0_ref})는 주 구조물의 경계로부터 나온 램파 반사를 나타낸다. 기본적인 전단모드(shear mode)(S₀'), 및 그 외의 높은 모드(higher mode)가 관찰될 수 있다. 그러나, 이들은 간단히 하기 위해 도 9에 도시되어 있지 않다.

센서신호 (912)의 부분들(914)은 톤버스트 액츄에이터 신호(904)에 기인되는 전기 노이즈이다. 센서신호(12)로부터 부분(914)을 분리하기 위해, 동작시간 중에 연기되는 시그모이드 함수(sigmoid function)인 마스킹창(masking windows)(918)을 한계함수(threshold function)로서 센서신호(912)에 적용할 수 있다. 다음에, 각 센서신호의 시계열을 따라 동파 인벨롭 윈도우(moving wave-envelope windows)(920, 922 및 924)를 이용하여 912의 센서신호로부터 파속(926, 928 및 930)을 추출해 낼 수 있다. 상기 인벨롭 윈도우(920, 922 및 924)는 센서신호(912)의 정점과 저점(peaks and valleys)을 탐색하는 힐클라이밍 알고리즘(hill-climbing algorithm)을 적용하고, 탐색된 데이터 포인트를 시간축에 보간(interpolating)함으로써 결정될 수 있다. 전후방향으로의 파의 크기비교가 파신호의 모든 데이터 포인트에 대해 계속적으로 이루어질 때까지 최근접 데이터 포 인트의 크기가 현재 데이터 포인트의 크기보다 작은 경우에는 상기 파신호(wave signal) 내의 데이터 포인트의 크기와 위치가 저장될 수 있다. 파신호의 인벨롭이 얻어지면, 각 인벨롭은 램파 모드의 것에 대응하는 시간간격으로 서브 인벨롭 윈도우(920, 922 및 924)로 분할된다. 상기 서버 인벨롭 윈도우(920, 922 및 924)는 각 측정된 센서신호(912)의 전체 시계열(time history)을 따라 이동함으로써 파속(926, 928 및 930)을 추출하는데 적용할 수 있다.

본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명하였으나, 전술한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이고, 본 발명은 첨부하는 청구범위에 설명된 이념과 범위로부터 벗어나지 않는 변경이 가능함을 이해해야 한다.

본 발명의 구조물의 건전성 감시용 센서 또는 시스템은 기존의 구조물 및/또는 신축 구조물 내에 쉽게 설치할 수 있고, 인력의 개입을 최소화한 상태로 구조물의 상태진단, 상태 분류 및 상태 예측을 위한 효과적인 온라인 기법을 제공할 수 있다.

Claims

유전체 기판;

상기 기판에 부착된 적어도 하나의 버퍼층;

상기 적어도 하나의 버퍼층에 부착되고, 신호를 발생 및 수신하도록 구성된 압전장치;

상기 압전장치 상에 침착된 몰딩층;

상기 몰딩층 상에 침착된 피복층; 및

상기 압전장치에 접속된 한 쌍의 전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 버퍼층은 폴리머 또는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제1항에 있어서, 상기 몰딩층은 에폭시, 폴리이미드 또는 실리콘-폴리이미드로 구성되고, 상기 피복층은 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제1항에 있어서, 상기 피복층 상에 침착된 보호층을 더 포함하고, 상기 보호층은 에폭시 또는 폴리이미드로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감 시장치.
제1항에 있어서, 상기 기판에 부착되고, 유전체 절연물질로 구성되는 후프층을 더 포함하고, 상기 후프층은 상기 적어도 하나의 버퍼층을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제1항에 있어서, 상기 기판에 부착되며, 상기 압전장치의 주변(periphery)에 위치되는 광섬유 코일을 더 포함하고, 상기 광섬유 코일은

광섬유 케이블 롤체; 및

상기 광섬유 케이블 롤체에 적용된 코팅층을 포함하고,

상기 광섬유 케이블의 권선공정 중에 소정의 인장력이 가해지고, 상기 코팅층은 상기 광섬유 케이블 롤체의 인장응력을 유지하는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제6항에 있어서, 상기 코팅층은 금속 또는 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제6항에 있어서, 상기 코팅층은 산화아연, 산화규소 또는 산화탄탈륨으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.
제1항에 있어서, 상기 신호는 램파인 것을 특징으로 하는 구조물 건전상태 감시장치.