電気化学インピーダンス分光法のための方法及びシステム
本願は、センサー及びその直近の環境の分光インピーダンスを測定するための方法及びシステムに関する。センサーは、工学的構成構造上に配置され、保護コーティングでコーティングされる。この方法には、第一変調周波数及び振幅を有する第一光信号を提供する工程が含まれる。この方法には更に、第一光信号と第二光信号とを、第一位置からセンサー位置に伝送する工程が含まれる。この方法には更に、第二光信号を第二変調周波数及び振幅で変調することが含まれ、第二変調周波数及び振幅は第一光信号から変換される。この方法には更に、位相差及び時間遅延のうち１つを測定するために、第一変調周波数を第二変調周波数と比較する工程と、センサー及びその直近の環境の電気化学インピーダンス分光を、周波数の関数として計算する工程とが含まれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出の方法及びシステムを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術）
腐食を検出することができるセンサーは既知であり、例えば米国特許第６，３８４，６１０号、同第６，３２８，８７８号、同第６，３１６，６４６号、同第５，８５９，５３７号、同第６，０５４，０３８号、同第６，１４４，０２６号、同第４，３８０，７６３号、同第４，７８０，６６４号、同第４，９６２，３６０号、同第５，３２３，４２９号、同第５，３６７，５８３号、同第６，４４５，５６５号、及び同第６，８９６，７７９号に記述されている。例えば、これらの従来のアプローチのうちいくつかは「埋め込み可能」な腐食センサーを利用しているが、従来のテクノロジーではしばしば、堅いプリント基板及び堅いシリコンウエハチップを採用している。このようなテクノロジーの限界としては、厚さと脆さが挙げられる。堅い回路板を薄いエポキシ又はペイントコーティングの下に配置すると、コーティングの破損を引き起こすことがあり、シリコンウエハ系のセンサーは割れやすく、平坦でない表面にぴったり適合することもない。
【０００３】
他の腐食検出システムは、米国特許公開第２００８−０１５０５５５−Ａ１号及び同第２００７−０１４４２７２−Ａ１号にも記述されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第一の態様により、センサー及びセンサー直近の環境の分光インピーダンスを測定する方法が提示される。センサーは、工学的構成構造上に配置され、保護コーティングでコーティングされる。この方法には、第一変調周波数及び振幅を有する第一光信号を提供する工程が含まれる。その方法には更に、第一光信号と第二光信号とを、第一位置からセンサー位置に伝送する工程が含まれる。この方法には更に、第二光信号を第二変調周波数及び振幅で変調することが含まれ、第二変調周波数及び振幅は第一光信号から変換される。この方法には更に、位相差及び時間遅延のうち１つを測定するために、第一変調周波数を第二変調周波数と比較する工程と、センサー及びセンサー直近の環境の電気化学インピーダンス分光を、周波数の関数として計算する工程とが含まれる。
【０００５】
１つの態様において、この伝送工程には、第一光信号を第二光信号と多重化して複合信号にすることが含まれ、振幅変調された第一光信号は第一波長を有し、連続出力である第二光信号は、第一波長とは異なる第二波長を有する。更なる態様において、この方法には、光の複合信号を、センサー位置で少なくとも第一光信号と第二光信号に分割することが含まれる。
【０００６】
別の態様において、この変調工程には、電気的にセンサーに接続され、第一光信号の電気変換を含む信号により電源供給される変調装置で、第二光信号を変調することが含まれる。
【０００７】
別の態様において、この方法は更に、変調された第二光信号を第一位置に伝送する工程と、この変調された第二光信号を第一位置で検出する工程とを含む。
【０００８】
別の態様において、この計算工程には、次の式により、センサー及びセンサー直近の環境の電気化学インピーダンス分光を計算することが含まれる。
【０００９】
【数１】
【００１０】
式中、ＲＯ（ω）は変調装置の初期インピーダンスであり、Ｐ０（ω）はセンサー位置での変調装置の初期の光学的反応であり、かつＰ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）である。式中のＡは、第一位置で検出される、変調された第二信号の振幅であり、式中のφは、位相差及び時間遅延のうちの１つである。別の態様において、電気化学インピーダンス分光は、約０．１Ｈｚ〜約１ＭＨｚの周波数範囲にわたって計算される。
【００１１】
本発明の別の態様により、工学的構成構造の物理的状態を監視するための検出システムには、その工学的構成構造上に配置可能で、工学的構成構造の表面と、その表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能な、変調要素を含む第一センサーが含まれる。センサーからのデータを取得するためにコンパレーター回路、及び周波数ωでＡＣ信号を提供するための信号発生器を備えたコントローラーが含まれる。この検出システムは、コントローラーによって生成された光信号を第一センサーに連結する１つ以上の光ファイバーを含み、第一センサーは、工学的構成構造及び保護コーティングに対応する電気化学インピーダンスデータを提供する。
【００１２】
別の態様において、このシステムは前記光信号を発生するための光源を含み、光信号は、ＡＣ信号に対応する第一変調周波数及び振幅を有する第一波長での第一光信号と、第二波長での連続出力である第二光信号とを含む。別の態様において、この光源は第一及び第二の狭帯域光源を含み、ここで少なくとも第一の狭帯域光源は、信号発生器に接続されている。
【００１３】
別の態様において、１つ以上の光ファイバーは、第一及び第二の光信号を第一センサーに運ぶための第一光ファイバーを含む。また、１つ以上の光ファイバーは、第一センサーからコントローラーへと戻る光信号を運ぶための第二光ファイバーを更に含み、この戻り光信号は、変調された第二光信号を含み、第二光信号は第二変調周波数及び振幅を有し、第二変調周波数及び振幅は第一光信号から変換される。
【００１４】
別の態様において、コントローラーは、第一光信号及び第二光信号を組み合わせて複合信号にするための光マルチプレクサーを更に含み、このとき第一波長は、第二波長とは異なる。更に別の態様において、コントローラーは、センサーからの戻り光信号を受け取って検出するための検出器を更に含む。
【００１５】
更に別の態様において、センサーは、工学的構成構造上に取り付けられた可撓性基材上に配置され、保護コーティングで覆われた、パターン化された導電性要素を有するセンサーヘッドを含み、このセンサーヘッドに電気的に接続された変調装置が第二光信号を受け取る。別の態様において、このセンサーは、光信号デマルチプレクサーを更に含み、このデマルチプレクサーは第二光経路に沿って第一光信号を伝送し、第一光経路に沿って第二光信号を伝送する。センサーは、第一光信号を電気信号に変換するための、第二光経路上に配置されたフォトダイオードアレイを更に含み、変調装置は第一光経路に沿って配置され、変調装置はフォトダイオードアレイからの電気信号によって給電される。１つの態様において、変調装置はエレクトロクロミックスイッチを含む。
【００１６】
更に別の態様において、工学的構成構造は、パイプ、及びパイプ系の周溶接部分のうち１つを含む。
【００１７】
本発明の上記の要約は、本発明の例示実施形態それぞれ、又はあらゆる実施を記述することを意図したものではない。より具体的に後述される図及び詳細記述が、これらの実施形態を例証するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明は、添付図面を参照して更に詳しく記述される。
【図１Ａ】本発明の１つの態様による代表的な検出システム。
【図１Ｂ】本発明の別の態様による代表的な検出システム。
【図２】本発明の代表的な１つの態様による、コーティングと工学的構成構造との間に埋め込まれたセンサーの断面図。
【図３Ａ】本発明の１つの態様による代表的なセンサー。
【図３Ｂ】本発明の別の態様による代表的なセンサーの一部の概略図。
【図３Ｃ】図３Ｂのエレクトロクロミックスイッチの概略図。
【図４Ａ】非平坦表面上に配置された代表的なセンサーの別の実装例。
【図４Ｂ】非平坦表面上に配置された代表的なセンサーの別の実装例。
【図５】本発明の１つの態様による、パイプライン上に実装された代表的な検出システム。
【図６Ａ】実験の第１セットから得た強度、位相、及びインピーダンス結果。
【図６Ｂ】実験の第１セットから得た強度、位相、及びインピーダンス結果。
【図６Ｃ】実験の第１セットから得た強度、位相、及びインピーダンス結果。
【図７Ａ】実験の第２セットから得たインピーダンス結果。
【図７Ｂ】実験の第２セットから得たインピーダンス結果。
【００１９】
本発明はさまざまな修正及び代替形態に従い、その明細は図に示す実施例によって示され、詳しく説明される。しかしながら、本発明は、記述されている特定の実施形態に限定されることを意図するものではないことが理解されるべきである。むしろ、付随する請求項によって定義される本発明の範囲内に入る修正、等価物、及び代替物すべてを網羅することを意図するものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、検出の方法及びシステムを目的とする。特に、代表的な実施形態の検出方法及びシステムは、工学的構成構造上のコーティング表面の状態を遠隔検出するために利用することができる。代表的な１つの態様において、この検出システムは、光ファイバー回線又は光ファイバーネットワークを利用して、１つ以上の検出器アレイを中央制御システムとつなぎ、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）測定を発生させ、この測定法を中央制御システムが利用して、検査対象である特定の工学的構成構造に関する、リアルタイムのコーティング情報を提供することができる。
【００２１】
ＥＩＳは、電圧及び電流の複合周波数依存性を測定することによって、材料及び電子的特性を特徴づけるのに使用されている試験方法である。工学的構成構造と試験装置との間に電気系接続ケーブルを使用するとき、ＥＩＳ反応を測定するために使用できる幅広い周波数（１ＭＨｚ〜０．００１Ｈｚ）は、試験中に電磁干渉（ＥＭＩ）による挑戦（challenges）を招くことになる。温度変化などの他の要因も、電子ケーブルによって運ばれる電気信号に影響し得る。好ましい１つの態様において、試験方法及びシステムは、光ネットワークを利用してＥＩＳデータが測定及び収集される。光ファイバー系ネットワークは、本明細書の代表的な態様において記述されるように、ＥＭＩに反応せず、光信号が長距離にわたって伝搬でき、工学的構成構造から中央ステーションまで、明らかなひずみ無しにＥＩＳ信号を返信することができる。
【００２２】
これらの代表的な実装において、検出用法及びシステムは、データ取得システムを介して、工学的構成構造の１つ以上の物理的状態をリアルタイムで定期的（例えば毎時、毎日、毎週の）データをもたらすよう構成することができる。この種のデータ取得システムは、工学的構成構造の、「予防的」メンテナンスではなく、「状態に基づく」メンテナンスのために、リアルタイムデータを提供することができ、これにより、工学的に構成された物体又は構造の修理又は交換のスケジュール設定をより良く管理するためのデータがもたらされることによって、工学的に構成された構造又は物体の耐用期間を最大限にするのに役立つ。加えて、光ファイバー回線の使用により、工学的構成構造を、離れた場所（例えば、光ファイバー伝送線の長さで測定して１ｋｍ〜１０ｋｍ又はそれ以上）に所在する制御システムで監視することが可能になる。
【００２３】
本発明の１つの代表的な実施形態によって、図１Ａは、検出システム１００を概略図で示している。この検出システム１００は、伝送光ファイバー１０５ａを介してセンサーアレイ１２０ａに連結された中央制御システム（コントローラー１５０として示されている）を含む。この代表的な実施形態において、センサーアレイ１２０ａには、データ伝送ファイバー１０５ａ／１０６ａに結合した複数のセンサー（図の例では、簡略化のために６個（１３０ａ〜１３０ｆ）のセンサー群を示す）が含まれる。戻り信号光ファイバー１０７ａも、代表的な態様に採用され得る。センサーアレイ１２０ａは、工学的構成構造１１０の表面１１２上に配置される。特に、下記に詳しく述べるように、センサーアレイのセンサーは、中央コントローラーにＥＩＳ情報を提供するよう構成され得る。下記に詳しく説明されるように、本発明の実施形態は、さまざまなタイプのセンサーも利用することができる。
【００２４】
１つの代表的な実施形態において、コーティング１４０は、工学的構成構造１１０の表面１１２に適用されている。センサー１３０ａ〜１３０ｆは、非常に薄い設計を有する（例えば、約１３μｍ〜約７５μｍの検出部分厚さを有する）よう構成され、これによりセンサーは表面１１２とコーティング１４０との間に容易に配置される。このようにして、センサーはコーティング１４０及び工学的構成構造１１０の状態に関するデータを同時に提供することができる。
【００２５】
工学的構成構造１１０は、水、海水、雨、風などの自然の影響にさらされる任意のタイプの構造又は物品であり得る。この構造１１０の物理的組成物は、金属（例えば鋼）、炭素繊維複合材料、セラミック、又はガラス繊維系材料（例えばガラス繊維積層品）であり得る。
【００２６】
１つの代表的な実施形態において、検出システム１００は、石油／ガス／水パイプラインプラットフォームに利用することができる（例えば、図５参照）。例えば、物理的な障壁のために視覚的に点検することが困難な、地上又は水中／地下石油／ガス／水パイプラインの長さ方向に沿って、センサーを配置することができる。本発明の実施形態の遠隔検出特性は、何キロメートルも離れたところからユーザーがセンサーに問い合わせする能力をもたらし得る。このようにして、中央に配置されたコントローラーが、パイプラインに沿ったさまざまな遠隔位置で、特に周溶接と呼ばれる数多くのパイプライン接続点において、コーティング及び／又は構造の状態を遠隔で検出することができる。これらの数多くの周溶接はそれぞれ、厳しい環境条件にさらされているため、代表的な検出システム１００によって検出される、コーティング及び／又は構造の状態のリアルタイムで定期的な評価が、メンテナンス計画に関連する重要な情報をもたらすことができる。
【００２７】
例えば図５は、代表的なパイプライン部分１１０’を示す。このパイプライン部分は光ファイバー１０５ａ（及び所望により別の戻りファイバー１０７ａ）によって中央コントローラー１５０に光学的に結合しており、これが中央コントローラーとの光信号の送受信を行う。このパイプライン部分１１０’には、例えばセンサー１３０ａ、１３０ｂなどの複数のセンサーユニットが含まれる（簡略化のため２つだけが示されている）。好ましい１つの態様において、このセンサーはパイプラインシステムのさまざまな位置に配置される。この実施例では、センサー１３０ａ及び１３０ｂはそれぞれ、周溶接１１２ａ及び１１２ｂの位置に配置されている。パイプラインのパイプユニットが溶接で接合された後に、その周溶接部分がコーティングされているため、これらの場所はより腐食の影響を受けやすい可能性がある。別の態様においては、各周溶接に、１つ又は複数のセンサーを含めることができる（例えば、一組のセンサーで周溶接の周囲を包む）。一連のタップオフ（tap-off）装置１６１ａ〜１６１ｂは、中央コントローラーで発した光信号の一部を届けるのに使用され得る。これらの構成要素の操作に関する詳細は、下記で述べる。
【００２８】
別の実施形態による検出システム１００は、例えば海上プラットフォーム（例えば船やその他の船舶）、トンネル、橋、及び航空機などの、腐食あるいは他の形態の物理的劣化を被りやすいような、他のタイプの工学的構成構造に使用できる。
【００２９】
構造１１０を保護するために、コーティング１４０には、例えばエポキシ系コーティング又は塗料などのコーティングが含まれ得る。例えば、コーティングは、パイプライン用途に使用される従来の溶融接着エポキシ（ＦＢＥ）コーティング（例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されているもの）であり得る。他のコーティングには、ポリアミドエポキシ類及びその他のコーティングエポキシ類（例えば、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されている製品番号２２１６Ａ／Ｂなど）が含まれ得る。下記に更に詳しく説明されるように、検出システム１００は、コーティング１４０の状態特性を検出するのに使用され得る。
【００３０】
１つの代表的な実施形態に従って、中央コントローラー１５０は、監視下に個々の工学的構成構造１１０から離れて位置することができる。好ましい１つの態様において、コントローラー１５０には、データ取得システム１５１、光源１５２、変調器１５３、信号発生器１５７（これは変調器１５３とは別のものであっても、一体部品であってもよい）、及びコンパレーター回路１５５が含まれる。他の構成要素には、マルチプレクサー１５４、検出器１５９及び光サーキュレーター１５６も含まれ得る。いくつかの態様において、このコントローラーには光スペクトル分析器１６５も含まれ得る。好ましい１つの態様において、コントローラー１５０は、工学的構成構造１１０のＥＩＳ反応を決定することができる。
【００３１】
操作中においては、１つ以上の異なる光信号を、光源１５２から発生させることができる。光源１５２から発せられた光信号は、伝送光ファイバー１０５ａを介してセンサーアレイ１２０ａに伝えられる。好ましい１つの態様において、このコントローラーは光信号を送信及び受信する。戻り光信号は、別の戻りファイバー１０７ａ又は伝送ファイバー１０５ａによって、中央コントローラーへと導かれ得る。いくつかの態様において、戻り信号は直接、検出器１５９に供給され得る。他の態様において、戻り信号は光サーキュレーター１５６によって、検出器１５９又は（所望により）スペクトル分析器１６５へと導かれ得る。所望により、コントローラー１５０によって制御されている光スイッチ１５８を、他の工学的構成構造及び／又は他のセンサーアレイ（例えばセンサーアレイ１２０ｃ）へと光信号を分配するのに利用することができる。システム全体の１つ以上のセンサーアレイと通信するために、１つ以上の光信号を使用することにより、長距離の接続が得られ、電線系ネットワークで存在し得るような電磁干渉（ＥＭＩ）が実質的に減少又は排除される。
【００３２】
１つの態様において、データ取得システム１５１は、光源１５２、（所望により）変調器１５３、（所望により）信号発生器１５７、コンパレーター回路１５５、及び（所望により）光スイッチ１５８と通信を行うサーバー又は他のコンピューター系装置として構成することができる。データ取得システム１５１は、インタフェース装置及びデータ保存及び表示のためのコンピューターを含み得る。例えば、このデータ取得システムは、信号発生器／変調器及びコンパレーター回路と通信を行うためのインタフェースカード（例えばＧＰＩＢカード）を備えたコンピューターを含み得る。また、このデータ取得システムは、例えばコーティング状態のリアルタイムなデータ等の画像データをユーザーに提供するため、別個のディスプレイに接続することができる。データ取得システム１５１はコンピューター、サーバー、又はコンピューターをベースとした装置であるため、データの収集、操作、分析、及び送達は、ここに搭載されたアプリケーション専用ソフトウェアプログラムを介して供給され得る。同様のデータ検索、復調及び保存プロセスを、システム内で使用されるすべてのセンサー又はセンサー群について利用することができる。コーティング又は構造の劣化が起きていることを１つのセンサーが示すと、（例えば可聴形式及び／又は視覚的形式で）警告がユーザーに供給され得る。あるいは、ユーザーの請求によりデータを表示することができる。自動化プロセスを採用して、データ検索及び分析をリアルタイムの定期的な方法でアクティブにすることができる。
【００３３】
１つの態様において、ＥＩＳ測定について、光源１５２は１つ以上の区別できる（相対的に）狭帯域の光源を含み、それぞれが異なる波長の出力を有し、これにより複数の波長チャネルλ１〜λｎを有する光の出力信号が得られる。例えば、狭帯域光源のセットには、例えばレーザーダイオード又はＬＥＤなどの、レーザー光源セット又はダイオード光源セットが含まれ、このそれぞれが異なる出力波長λ１〜λｎを有し得る。例えば、異なる波長出力λ１〜λｎ（例えば１５５０ｎｍ、１５５０．５ｎｍ、１５５１ｎｍ、．．．１５７０ｎｍ）を有するダイオードを別個に使用することができる。図１Ａに示すように、代表的な光源１５２には、別個の光源１５２ａ及び１５２ｂが含まれ得る。光源１５２ａ及び１５２ｂによって発生した別個の波長信号が、マルチプレクサー１５４によって多重送信され、ファイバー１０５ａ、１０６ａに沿って伝送され得る。このタイプのシステムにおいては、システム内のすべてのセンサーの問い合わせに、この２つの信号を使用することができる。更なる別の方法において、光源１５２は、より幅広い波長範囲のレーザー出力（例えば１０〜２０μｍ範囲にわたるレーザー出力）を生成する、１つ以上の調節可能なレーザーを含み得る。また更なる別の方法において、光源１５２は、（比較的）低いスペクトル電力密度を有する１つ以上の連続する広帯域光源（例えばランプ）を含み得る。例えば、自然放射増幅光源などの光源も使用することができる。
【００３４】
好ましい１つの態様において、変調器１５３及び／又は信号発生器１５７は、光源１５２によって発生する１つ以上の光信号を変調するためのＡＣ信号を供給することができる。この変調された信号（ＡＭ）が、遠隔センサーへ伝送される。１つの態様において、信号発生器１５７は、ＡＣ信号発生器であり得、そして、ＡＣ出力信号は、外部の電力増幅器で増幅してＤＣバイアスを加えることができ、結果として得られるバイアスされたＡＣ信号が光変調器１５３に印加され、これが光源の出力を、制御された状態で変調する。１つの態様において、レーザー光源１５２ａは、波長λ１の第一光信号を出力し、レーザー光源１５２ｂは、波長λ２の第二光信号を出力する。第一レーザー光源は、変調機１５３に接続して、光信号λ１を周波数ωで変調することができ、ここにおいて第二レーザー信号λ２は変調されていない（又は逆もまた同様）。インピーダンス測定中、周波数ωを変えて（例えば０．００１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、又はより好ましくは０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚ）、完全な分光測定を実施することができる。他の周波数掃引も利用することができる。
【００３５】
多重送信信号が次に、ファイバー１０５ａに沿って伝送され得る。１つの態様において、ファイバー１０５ａは伝送信号及び戻り信号を運ぶことができる。別の態様において、戻り信号は、例えばファイバー１０７ａなどの別のファイバー回線で運ばれ得る。本明細書において、当業者には理解されるように、複数の波長光源１５２について、異なる波長のいくつかの光信号を変調し、同時にいくつかの他の光信号は変調されない状態にすることができる。更に下記に詳しく説明するように、伝送信号及び戻り信号に関連する情報の比較は、ＥＩＳ測定を行うための基盤を提供し得る。
【００３６】
複数波長の光信号は、光ファイバー１０５ａに沿った第一センサーアレイ１２０ａへ伝送される。光ファイバー１０５ａは、例えばコーニング社（ニューヨーク州、コーニング市）から市販されているＳＭＦ２８（登録商標）光ファイバーのような従来の通信用ファイバー、又は、典型的な光通信波長領域１３００ｎｍ若しくは１５５０ｎｍ以外の波長領域で使用可能な別の光ファイバーであり得る。所望により、この光信号は更に、スイッチ１６９を介して追加のセンサーアレイ１２０ｂへ更に分配することができる。戻りファイバー（例えばファイバー１０７ａ）が使用される場合、戻りファイバーの構成は、伝送ファイバーと同じであり得る。
【００３７】
図１Ａの実施形態に示すように、センサーアレイ１２０ａで受け取った（波長λ１〜λｎを有する）光信号は、一連のタップオフ（tap-off）装置１６１ａ〜１６１ｆを介して個々のセンサー１３０ａ〜１３０ｆへ分配することができる。好ましい１つの態様において、タップオフ装置１６１ａは、入力信号（例えば第一及び第二光信号λ１、λ２）の一部をセンサー１３０ａへ分配するデマルチプレクサーを含むことができ、このとき残る信号λ３〜λｎは、アレイの他のセンサー、すなわちセンサー１３０ｂ〜１３０ｆへ分配される。
【００３８】
別の実施形態において、図１Ｂに示すように、センサーアレイ１２０ｄは、複数の個別センサー（この実施例ではセンサー１３０ａから１３０ｌ）を含み得る。ここで、各個別センサーは（光ファイバー１０５ａ〜１０５ｌを介して、及び所望により、戻りファイバー１０７ａ〜１０７ｌを介して）コントローラー１５０に直接接続されている。ここで、戻り信号ファイバー（図示なし）も採用され得る。この別の態様において、タップオフ装置（例えばタップオフ装置１６１ａ〜１６１ｆ）は不要である。
【００３９】
図２の断面図に示すように、センサー１３０ａは、構造１１０の表面１１２上に配置できる。センサー１３０ａは、例えば耐水分性の二成分エポキシ（例えばＴｒａ−Ｃｏｎ Ｃｏｒｐ．（マサチューセッツ州ベッドフォード）から市販されているＴｒａ−Ｃｏｎ ２１５１接着剤）、又は両面テープ若しくは移動粘着剤（例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されている３Ｍ ＶＨＢ）のような、接着剤を介して表面１１２に固定することができる。センサー１３０ａは、光ファイバー１０５ａ／１０６ａ及び（所望により）戻りファイバー１０７ａを介して、中央コントローラー１５０と通信できる。コーティング１４０が表面１１２に適用され、外部の物質又は材料１６０の腐食性影響から構造１１０を保護する。より詳しく下記に説明されるように、センサー１３０ａは、（例えばインピーダンスのモニタリングにより）コーティング１４０の状態を検出することができ、これによりコーティング１４０が劣化し、及び構造１１０が腐食し始めるときの一般的なコーティング状態を示すことになる。
【００４０】
図１Ａに示すように、センサーアレイ１２０ａは、複数の個々のセンサー１３０ａ〜１３０ｆを含む。もちろん、工学的構成構造の大きさ又は具体的な用途に応じて、より多数のセンサー又はより少数のセンサーをセンサーアレイ１２０ａに利用することができる。好ましい１つの態様において、個々のセンサーはそれぞれ、同じ基本構造を有し得る。例えば、図３Ａ及び３Ｂに示すように、センサー１３０ａは、柔軟なポリイミド基材上に形成することができ（下記で詳しく説明される）、その上に配置された光電子インタフェース１３４を含むことができる。あるいは、個々のセンサーが異なる構造を有し得る。
【００４１】
１つの態様において、光電子インタフェース１３４は、ポリマー系材料（例えばポリアミド、ポリエステル）、液晶ポリマー、又はアクリル材料などのベース材料上に配置することができる。ベース材料は、光電子インタフェース１３４及び／又はキャップ部分の密封封止（図示なし）の一部のための支持を提供することができる。ベース材料及び／又はその他のセンサー部分は、接着剤（例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されているＶＨＢ）によって、工学的構成構造１１０の表面に接着することができる。構成要素及び相互接続部分を環境曝露から保護するために、保護コーティング又は封止剤１３３も供給され得る。所望により、更なる保護のために、パッケージキャップ材質（例えば硬質プラスチック）が、外側保護シェルを供給することができる。全体的なパッケージ厚さは、約１００μｍ〜約１０００μｍに維持され得る。
【００４２】
光電子インタフェース１３４は、光信号デマルチプレクサー１３７を含み得る（図３Ｂを参照）。１つの態様において、このデマルチプレクサー１３７は、あらかじめ定められた１つ又は複数のチャネル（例えばλ１、λ２）を選択するための、薄膜系のチャネルセレクターを含み得る。更に、この各センサーの光信号デマルチプレクサーは、その波長λｎによって個々のセンサーそれぞれを識別するのに使用することができる。光信号デマルチプレクサー１３７は、図３Ｂに示すように、光信号を２つの経路（例えば経路１３９ａ及び１３９ｂ）に分割するのに使用され得る。１つの態様において、デマルチプレクサー１３７は、信号λ２を選択肢、経路１３９ａに沿ってこれを伝送し、一方で信号λ１は経路１３９ｂに沿って伝送される。
【００４３】
センサー１３０ａは、更にＰＩＮダイオードアレイ１３５（好ましくは光起電力ＰＩＮダイオードアレイ）を含み、光信号の一部を受け取って電力に変換することができる。図３Ｂに概略図を示すように、信号λ１が経路１３９ｂに沿ってＰＩＮダイオードアレイ１３５へ伝送され、このダイオードアレイが光信号を受け取って電力を発生する。好ましい１つの態様において、信号λ１は周波数ωで中央コントローラーにおいて変調され、ＰＩＮダイオードアレイ１３５で発生した電気信号も、この周波数ωで変調される。この電力は、変調装置（この代表的な態様においてはエレクトロクロミックスイッチ１３６）用電源として使用することができる。信号λ１が変調されると、ダイオードアレイからの変調された電気信号が更に、エレクトロクロミックスイッチ１３６のための変調された電源を提供する。この代表的な態様において、信号λ２は経路１３９ａに沿ってエレクトロクロミックスイッチ１３６へと伝送される。エレクトロクロミックスイッチ１３６は第二の光信号λ２を受け取り、経路１３９ｃで運ばれてきたλ２の戻り信号が変調されるように前のＤＣ信号を変調する。
【００４４】
下記に述べるように、変調装置（エレクトロクロミックスイッチ１３６）が利用できる電力量は、検出部分１３２がこのエレクトロクロミックスイッチ１３６用の電源に接続されているため、保護コーティング１４０の状態に依存し得る。
【００４５】
図３Ｃに示すように、代表的なエレクトロクロミックスイッチ１３６は、２つの光透過性材料１３６ｃ、１３６ｄと、その間に配置された電圧感受性材料１３６ａを含み得る。電圧感受性材料１３６ａは、例えば三酸化タングステンを含み得る。電解質１３６ｅがこの電圧感受性材料と層１３６ｆとの間に配置され、これは好ましくは五酸化バナジウム層である。電解質層１３６ｅは、印加電圧Ｖのための電荷移動メカニズムを提供し、ここで五酸化バナジウム層１３６ｆは、エレクトロクロミックスイッチの変調中のコントラスト比を強化することができる。１つの態様において、光透過性基材１３６ｂは、戻り信号ファイバー１３９ｃ（及び戻り信号ファイバー１０７ａ）に結合するよう供給され得る。１つの別の態様において、透過性材料１３６ｄは、基材１３６ｂの代わりに、高反射性のコーティングでコーティングすることができ、これにより変調機を経て反射して戻った戻り信号が供給される。
【００４６】
別の態様において、変調装置はマイクロエレクトロクロミックスイッチを含み得る。ファイバー系のマイクロエレクトロクロミックスイッチ及びその構成要素の製造の詳細は、出願中の米国特許公開第２００８−０１５０５５５−Ａ１号に記述されており、これは参考として全体が本明細書に組み込まれる。この出願中の米国特許公開第２００８−０１５０５５５−Ａ１号に具体的に記述されているマイクロスイッチは、中央コントローラーに返る戻り信号を反射するのに最も適している。別の１つの態様において、このようなマイクロエレクトロクロミックスイッチは、戻りファイバーを含む光学システムに使用するため、改変することができる（例えば、バックリフレクターを取り除き、戻りファイバーを取り付けるなどの改変）。このようなシステムは、光ファイバーの端末に形成される、又は伝送ファイバーと戻りファイバーとの端子の間に形成される、きわめてコンパクトな構造を有することができる。
【００４７】
センサー１３０ａは更に、センサー部分１３２を含む。好ましい１つの態様において、アレイ検出部分１３２は、交互に嵌め合った金属系（例えば金、銀、銅）の回路を有する電極を含み、これが電気化学／腐食測定のアノード及びカソードとして使用することができ、可撓性のポリイミド基材上に形成することができる。加えて、センサー１３０ａの一部をそれ自体の保護オーバーコート１３３でコーティングすることができる（例えば、センサーの電気／光変換部分をカバーするが、構造１１０及びコーティング１４０に対して露出した検出部分１３２は残しておく）。
【００４８】
代表的な実施形態において、検出部分１３２は、例えば３Ｍの可撓性回路材料（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から商品名３ＭＦｌｅｘ（登録商標）として市販）などの薄い可撓性の基材材料上に形成することができる。このような可撓性回路を製造するための代表的な物品及びプロセスは、米国特許第６，３２０，１３７号に記載されており、これは参考として全体が組み込まれる。「可撓性」という語は、センサー及び（該当する場合は）基材が曲がっても検出部分が層間剥離しないことを意味する（例えば、検出部分がその導電性質を失うことなしに、非常に小さな曲率半径で９０度（又はそれ以上）に曲げ、又は鋭く直角に曲げ、又は折り目をつけることができる）。
【００４９】
例えば、検出部分１３２には、例えばポリイミド材料などの基材を含み得る。検出電極構造は、基材の上に例えばクローム結合層を有し、銅（又は他の導電性）層をその上に配置し、その銅層の上に銀（又は金若しくは他の金属）層を配置した、パターン化した多層材料として形成することができる。本記述で明らかであるように、他の多層構造も利用することができる。よって、代表的なカソード−アノード構造を備えた検出部分１３２は、これまでは監視が困難だった場所で、カソードとアノードとの間のインピーダンスを測定する能力を提供することができる。
【００５０】
別の１つの実施形態において、検出部分１３２は、水に感受性がある化学種、例えばＡｌ、Ｆｅ、又はＺｎで形成された電極として構成することができる。この化学種が水と相互作用すると、測定されるインピーダンス又は抵抗に変化が生じる。本明細書において、当業者には明らかであるように、他の腐食感受性種も利用することができる。
【００５１】
操作中においては、１つの態様において、変調装置であるエレクトロクロミックスイッチ１３６は、ＰＩＮダイオード１３５の出力によって給電される。図３Ｂの概略図に示すように、検出部分１３２は好ましくは、可撓性ポリイミド基材上に形成された、交互に嵌め合った金属系回路を有する電極構造の物理的構成体を有する。好ましい１つの態様において、エレクトロクロミックスイッチ１３６は、交互に嵌め合った検出部分１３２に対して並列に配置される。あるいは、エレクトロクロミックスイッチ１３６は、交互に嵌め合った検出部分１３２に対して直列に配置することができる。
【００５２】
例えば、最初の段階では、コーティング１４０の質は良好である。従って、検出部分１３２による抵抗／インピーダンスは高い。その結果、この初期条件でエレクトロクロミックスイッチ１３６にＡＣ電圧（Ｖ）を印加すると、大きな振幅でＡＣ電圧信号が生成される。エレクトロクロミックスイッチ１３６に対するＡＣ電圧（Ｖ）が大きな振幅を有するとき、電圧感受性材料１３６ａは（比較的）大きな振幅変調で入力信号（λ２）を変調し、これにより、コントローラー１５０へ返る戻りλ２信号の振幅（Ａ）は高くなる。
【００５３】
より後の段階になると、腐食性要素にさらされた後、コーティング１４０の品質が劣化する。従って、検出部分１３２による抵抗／インピーダンスは低下する。その結果、エレクトロクロミックスイッチ１３６に対するＡＣ電圧（Ｖ）はより小さな振幅を有する。エレクトロクロミックスイッチ１３６に対するＡＣ電圧（Ｖ）がより小さな振幅を有するとき、電圧感受性材料１３６ａはより小さな振幅変調で入力信号（λ２）を変調し、これにより、戻りλ２信号は（比較的）小さな振幅（Ａ）を有する。よって、オペレーターは、遠隔位置からコーティング１４０の相対的状態を測定することができる。本明細書において、当業者には明らかであるように、この操作の他の変形方法も利用することができる。
【００５４】
上記の説明はλ１、λ２信号に限定されているが、本発明の態様はこれに限定されず、λ３、λ４信号をセンサー１３０ｂに伝送することができ、λ５、λ６信号をセンサー１３０ｃに伝送することができ、というように続く。よって、好ましい１つの態様において、他のセンサー位置（１３０ｂ〜１３０ｎ）での他の信号（λ３〜λｎ）が、この工学的構成構造の他の場所でのコーティング状態に対応して生成される。よって、例えば光学的スペクトル分析器１６５などの分光計装置を、戻り光信号を分析するためのコントローラーで使用することができる。あるいは、中央コントローラーは１つ以上のデマルチプレクサー（図示なし）を利用して、戻り信号を波長の関数として分離することができる。
【００５５】
好ましい１つの態様において、変調されたλ２信号が、戻りファイバー１０７ａを経由して中央コントローラー１５０へ戻ると、λ２信号の振幅が測定され、この戻り信号の位相特性を、λ１信号の変調に使用されたＡＣ信号に照らして比較することができ、これにより、正確なＥＩＳ測定を決定するために必要なデータを得ることができる。例えば、変調されたλ２信号が、中央コントローラー１５０へ戻る。１つの態様において、この戻り信号は戻りファイバー１０７ａ上に供給され、検出器１５９に導かれる。別の１つの態様において、戻り信号は、ファイバー１０５ａを介して中央コントローラーに達することができ、光サーキュレーター１５６を介して検出器１５９に導くことができる。
【００５６】
変調された戻りλ２信号が検出器１５９によって電気信号に変換され、これは好ましくは、例えば光起電力ダイオードなどの１セット以上のＰＩＮフォトダイオードを含む。この変調された電気信号がコンパレーター回路（例えば、市販されているものなどのデジタルロックイン増幅器を含むもの）に供給される。コンパレーター回路１５５には、１組の入力が含まれ、このうち少なくとも２つが、検出器１５９からの変換された信号の入力と、信号発生器１５７及び／又は変調器１５３からの入力とを含む。これらの信号は、ロックイン増幅器又は類似のものを使用して比較され、位相の差又は時間遅延が測定される。測定された信号は次に主コントローラー回路１５１に供給され、特定の１つ又は複数のセンサーについてのＥＩＳ測定値を計算することができる。完全なＥＩＳ試験のためには、変調器／信号発生器の周波数を変えて（例えば周波数をω１、ω２、ω３、というように掃引して）、異なる周波数での測定値を得ることができる。
【００５７】
更に詳しくは、好ましい１つの態様において、上述のシステムを利用した工学的構成構造のＥＩＳ測定は、次のように実施することができる。
【００５８】
中央コントローラー１５０で、周波数ωを有する変調されたＡＣ信号（ｔｌ）が、信号発生器１５７／変調器１５３によって生成され得る。この変調された信号が光源１５２に供給され、これにより光源１５２の少なくとも１つの出力信号（例えばλ１）が、周波数ωを有するＡＭ光信号となる。完全な分光範囲を得るため、周波数は幅広い周波数範囲（１つの態様において０．００１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、又は別の態様において０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚ以下）にわたって掃引することができる。ＡＭ λ１信号は、マルチプレクサーによって少なくとも１つの非変調（好ましくはＤＣ）光信号（例えばλ２）と組み合わせられ、この複合信号が、光伝送ライン（例えばファイバー１０５ａ）を介して、工学的構成構造上に配置されている少なくとも１つの遠隔センサー又はセンサーアレイ（例えばセンサーアレイ１２０ａ）に伝送される。
【００５９】
このセンサーには、例えば図３Ａに示す検出部分１３２のような、保護コーティングと工学的構成構造１１０の表面との間に配置されている検出部分を含む。センサーは好ましくは、可撓性ポリイミド基材上に形成された、交互に嵌め合った金属系回路を有する電極構造の物理的構成体を有する。
【００６０】
個々のセンサー位置（例えばセンサー１３０ａ）において、この複合信号がデマルチプレクサー（例えばデマルチプレクサー１３７）によって、少なくとも第一及び第二の光信号構成成分に逆多重化される。第一光信号成分（例えば変調されたλ１信号）は、フォトダイオードアレイ１３５によって電気信号に変換することができ、これによって、結果として得られた変調された電気信号が変調装置（例えばエレクトロクロミックスイッチ１３６）に、選択された周波数ωで電力を供給することができる。第二光信号構成成分（例えばλ２信号）は、エレクトロクロミックスイッチ１３６を通過し（又は所望により反射され）、ここでλ２信号が周波数ωで変調される。この変調装置は、センサーヘッドの検出部分に電気的に結合しているため、コーティングの状態が、この変調された戻りλ２信号の位相（又は時間遅延）及び振幅に影響を与え得る。
【００６１】
ここで、変調された光信号λ２が遠隔センサーから、別の戻り信号ファイバー（例えばファイバー１０７ａ）又は光伝送ライン１０５のいずれかを介して返され、中央コントローラーがこれを受け取る。戻り光信号λ２は、検出器（例えば検出器１５９）によって電気信号（ｔ２）に変換される。この変換された戻り信号が、コンパレーター（例えばコンパレーター回路１５５）に供給される。振幅変調光信号λ１に対応して信号発生器１５７／変調器１５３から生成されたもう１つの電気信号（ｔ１）も、このコンパレーターに供給される。コンパレーターはｔ２及びｔ１信号の間の相対的な位相差φ又は時間遅延を測定し、光信号λ２が変換された電気信号ｔ２の振幅Ａを測定する。位相差及び振幅の測定値に基づき、ＰＩＮダイオードによって電源供給されているときに測定された遠隔位置での変調装置の光学的反応は、Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）として計算することができる。
【００６２】
よって、センサーヘッド及びその直近の環境（その位置のコーティング１４０及び工学的構成構造１１０を含む）の電気的インピーダンスＲＣ（ω）は、次のように決定することができる。
【００６３】
【数２】
【００６４】
式中、ＲＯ（ω）は遠隔変調装置の初期インピーダンス（メーカーから提供され得るもの、又は設置前に標準ＥＩＳ装置を使用して測定され得るもの）であり、Ｐ０（ω）はＰＩＮダイオードによって電源供給されているときに測定された遠隔変調装置の初期光応答（コーティングの適用、並びに工学的構成構造の表面にセンサーヘッド接続を行う前の応答）であり、かつ、既に説明したように、Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）である。
【００６５】
完全な分光測定を提供するために、上述のプロセスが、異なる周波数値ω１〜ωｎで繰り返し行われ、これにより振幅及び位相情報が、変化する周波数の関数として繰り返し収集される。実際において、約０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲が、適切な分光情報を提供し得る。
【００６６】
上記の設計を使用して、本明細書に記載されている検出システムの代表的な実施形態が、非破壊的なアンダーコーティングのセンサーを提供することができる。加えて、このセンサーは可撓性の曲げ可能な基材上に構築することができ、これによりユーザーはセンサーを、例えば工学的構成構造の非平坦な表面（例えば、曲げや角の周辺部、及び他の鋭角な箇所）の重要な部分に配置することができる。これらの箇所は、保護コーティングが角又は他の鋭角箇所では均一に適用されていないことがあるため、腐食又は他の劣化事象が起こりやすい場所であり得る。例えば、図４Ａ及び４Ｂに示すように、代表的なセンサー１３０ａは、Ｉ形梁の端部周囲に起こり得るような、単一の角表面１１１（図５Ａ）、又は複数の角表面１１３（図５Ｂ）に配置することができる。
【００６７】
よって、上記の代表的な実施形態において、埋め込み可能な腐食センサーは、センサーヘッド及びその直近の環境（コーティング状態及び構造状態を含む）のリアルタイムのインピーダンス特性を検出するために、提供することができる。このようなセンサーは、可撓性の基材上に形成することができるため、位置固有のリアルタイム測定がより多くユーザーに供給され得る。更に、そのような薄い回路（例えば２５．４μｍ（約０．００１インチ）の厚さ）は、コーティング状態に悪影響を与えることなく、保護コーティングと構造との間に配置することができる。更に、データ取得システムは、腐食関連事象のリアルタイム測定を提供することができる。このような腐食センサーは、腐食関連の損傷の直接的及び間接的なコストを削減するのに役立ち得る。
【００６８】
実験
第一の実験では、（上記センサー１３２に類似の構造を有する）センサーヘッドのインピーダンスが測定される。センサーヘッドはエポキシ系コーティングで覆われ、塩水浴に浸漬された。具体的には、センサーヘッドは米軍用規格２４４４１のエポキシコーティング約０．１２ｍｍ（５ｍｉｌ）でディップコーティングされ、２４時間硬化させてから、人工（ＡＳＴＭ）塩水浴に浸漬された。ＡＣ信号を、センサーヘッドに周波数ωで給電した。この実験において、エレクトロクロミックスイッチの代わりに、従来のニオブ酸リチウム変調器がその場所に利用された。１．５μｍの連続波（又はＤＣ）光信号が、センサーヘッドと並列に配置された変調器を通って、短い長さ（３ｍ）の光ファイバー（ＳＭＦ−２８光ファイバー、コーニング社の市販品）に沿って伝送された。フォトダイオードが、この変調戻り信号を電気信号に変換した。測定された戻り信号の（相対的）強度（周波数ωの関数として）、及び、ＡＣ電源信号の位相に対する戻り信号の相対的位相（周波数の関数として）を、図６Ａ及び６Ｂに示す。いくつかの試行が実施され、詳細は図の凡例に記載されている。そのセンサーヘッドに関するインピーダンスが計算され（上記の式Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）を使用）、これを図６Ｃに示す（周波数の関数として）。この実験の図は、コーティングの劣化と共に、位相変化及び信号強度の相対的増加を示している。
【００６９】
別の実験において、比較ＥＩＳ試験が実施され、光系のＥＩＳ測定方法が（上に詳しく記述されたものと同様）、標準ＥＩＳ測定に比較された。両方の試験において、特定なコーティング（ここではエポキシ系の米軍用規格２４４４１のコーティング）の劣化が実施された。センサーヘッド（上述のセンサー１３２のものに類似の構造）が上記規格２４４４１のコーティングで覆われ、人工（ＡＳＴＭ）塩水浴に浸漬された。光学的ＥＩＳ試験では、１．５μｍの連続波（ＤＣ）光信号が、センサーヘッドと並列に配置されたニオブ酸リチウム変調器を通って、短い長さ（３ｍ）の光ファイバー（ＳＭＦ−２８光ファイバー、コーニング社の市販品）に沿って伝送された。フォトダイオードが、この変調戻り信号を電気信号に変換した。
【００７０】
図７Ａ及び７Ｂは、それぞれ光学系及び電気系のＥＩＳ測定値の結果を示しており、ここでセンサーのインピーダンスは周波数の関数として測定されている。いくつかの試行が実施され、詳細は図の凡例に記載されている。記録として、コーティングの劣化を促進するため、浸漬から２日後に水浴の温度を上げた。複数の光学系ＥＩＳインピーダンス測定（図７Ａ）は、電気系ＥＩＳ測定（図７Ｂ）と同様の経路をたどっている。振幅の差は、変調器に使用した初期インピーダンスの見積り値によるものであり得る。しかしながら、光学系ＥＩＳ測定と電気系ＥＩＳ測定の両方とも、周波数範囲にわたって約５桁のインピーダンス低下を示している。
【００７１】
本明細書の検討により、本発明の目的とするものには、本発明が適用される構造と共に、さまざまな修正、等価プロセスが、適用され得ることが、当業者には容易に明らかとなろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出の方法及びシステムを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術）
腐食を検出することができるセンサーは既知であり、例えば米国特許第６，３８４，６１０号、同第６，３２８，８７８号、同第６，３１６，６４６号、同第５，８５９，５３７号、同第６，０５４，０３８号、同第６，１４４，０２６号、同第４，３８０，７６３号、同第４，７８０，６６４号、同第４，９６２，３６０号、同第５，３２３，４２９号、同第５，３６７，５８３号、同第６，４４５，５６５号、及び同第６，８９６，７７９号に記述されている。例えば、これらの従来のアプローチのうちいくつかは「埋め込み可能」な腐食センサーを利用しているが、従来のテクノロジーではしばしば、堅いプリント基板及び堅いシリコンウエハチップを採用している。このようなテクノロジーの限界としては、厚さと脆さが挙げられる。堅い回路板を薄いエポキシ又はペイントコーティングの下に配置すると、コーティングの破損を引き起こすことがあり、シリコンウエハ系のセンサーは割れやすく、平坦でない表面にぴったり適合することもない。
【０００３】
他の腐食検出システムは、米国特許公開第２００８−０１５０５５５−Ａ１号及び同第２００７−０１４４２７２−Ａ１号にも記述されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第一の態様により、センサー及びセンサー直近の環境の分光インピーダンスを測定する方法が提示される。センサーは、工学的構成構造上に配置され、保護コーティングでコーティングされる。この方法には、第一変調周波数及び振幅を有する第一光信号を提供する工程が含まれる。その方法には更に、第一光信号と第二光信号とを、第一位置からセンサー位置に伝送する工程が含まれる。この方法には更に、第二光信号を第二変調周波数及び振幅で変調することが含まれ、第二変調周波数及び振幅は第一光信号から変換される。この方法には更に、位相差及び時間遅延のうち１つを測定するために、第一変調周波数を第二変調周波数と比較する工程と、センサー及びセンサー直近の環境の電気化学インピーダンス分光を、周波数の関数として計算する工程とが含まれる。
【０００５】
１つの態様において、この伝送工程には、第一光信号を第二光信号と多重化して複合信号にすることが含まれ、振幅変調された第一光信号は第一波長を有し、連続出力である第二光信号は、第一波長とは異なる第二波長を有する。更なる態様において、この方法には、光の複合信号を、センサー位置で少なくとも第一光信号と第二光信号に分割することが含まれる。
【０００６】
別の態様において、この変調工程には、電気的にセンサーに接続され、第一光信号の電気変換を含む信号により電源供給される変調装置で、第二光信号を変調することが含まれる。
【０００７】
別の態様において、この方法は更に、変調された第二光信号を第一位置に伝送する工程と、この変調された第二光信号を第一位置で検出する工程とを含む。
【０００８】
別の態様において、この計算工程には、次の式により、センサー及びセンサー直近の環境の電気化学インピーダンス分光を計算することが含まれる。
【０００９】
【数１】
【００１０】
式中、ＲＯ（ω）は変調装置の初期インピーダンスであり、Ｐ０（ω）はセンサー位置での変調装置の初期の光学的反応であり、かつＰ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）である。式中のＡは、第一位置で検出される、変調された第二信号の振幅であり、式中のφは、位相差及び時間遅延のうちの１つである。別の態様において、電気化学インピーダンス分光は、約０．１Ｈｚ〜約１ＭＨｚの周波数範囲にわたって計算される。
【００１１】
本発明の別の態様により、工学的構成構造の物理的状態を監視するための検出システムには、その工学的構成構造上に配置可能で、工学的構成構造の表面と、その表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能な、変調要素を含む第一センサーが含まれる。センサーからのデータを取得するためにコンパレーター回路、及び周波数ωでＡＣ信号を提供するための信号発生器を備えたコントローラーが含まれる。この検出システムは、コントローラーによって生成された光信号を第一センサーに連結する１つ以上の光ファイバーを含み、第一センサーは、工学的構成構造及び保護コーティングに対応する電気化学インピーダンスデータを提供する。
【００１２】
別の態様において、このシステムは前記光信号を発生するための光源を含み、光信号は、ＡＣ信号に対応する第一変調周波数及び振幅を有する第一波長での第一光信号と、第二波長での連続出力である第二光信号とを含む。別の態様において、この光源は第一及び第二の狭帯域光源を含み、ここで少なくとも第一の狭帯域光源は、信号発生器に接続されている。
【００１３】
別の態様において、１つ以上の光ファイバーは、第一及び第二の光信号を第一センサーに運ぶための第一光ファイバーを含む。また、１つ以上の光ファイバーは、第一センサーからコントローラーへと戻る光信号を運ぶための第二光ファイバーを更に含み、この戻り光信号は、変調された第二光信号を含み、第二光信号は第二変調周波数及び振幅を有し、第二変調周波数及び振幅は第一光信号から変換される。
【００１４】
別の態様において、コントローラーは、第一光信号及び第二光信号を組み合わせて複合信号にするための光マルチプレクサーを更に含み、このとき第一波長は、第二波長とは異なる。更に別の態様において、コントローラーは、センサーからの戻り光信号を受け取って検出するための検出器を更に含む。
【００１５】
更に別の態様において、センサーは、工学的構成構造上に取り付けられた可撓性基材上に配置され、保護コーティングで覆われた、パターン化された導電性要素を有するセンサーヘッドを含み、このセンサーヘッドに電気的に接続された変調装置が第二光信号を受け取る。別の態様において、このセンサーは、光信号デマルチプレクサーを更に含み、このデマルチプレクサーは第二光経路に沿って第一光信号を伝送し、第一光経路に沿って第二光信号を伝送する。センサーは、第一光信号を電気信号に変換するための、第二光経路上に配置されたフォトダイオードアレイを更に含み、変調装置は第一光経路に沿って配置され、変調装置はフォトダイオードアレイからの電気信号によって給電される。１つの態様において、変調装置はエレクトロクロミックスイッチを含む。
【００１６】
更に別の態様において、工学的構成構造は、パイプ、及びパイプ系の周溶接部分のうち１つを含む。
【００１７】
本発明の上記の要約は、本発明の例示実施形態それぞれ、又はあらゆる実施を記述することを意図したものではない。より具体的に後述される図及び詳細記述が、これらの実施形態を例証するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明は、添付図面を参照して更に詳しく記述される。
【図１Ａ】本発明の１つの態様による代表的な検出システム。
【図１Ｂ】本発明の別の態様による代表的な検出システム。
【図２】本発明の代表的な１つの態様による、コーティングと工学的構成構造との間に埋め込まれたセンサーの断面図。
【図３Ａ】本発明の１つの態様による代表的なセンサー。
【図３Ｂ】本発明の別の態様による代表的なセンサーの一部の概略図。
【図３Ｃ】図３Ｂのエレクトロクロミックスイッチの概略図。
【図４Ａ】非平坦表面上に配置された代表的なセンサーの別の実装例。
【図４Ｂ】非平坦表面上に配置された代表的なセンサーの別の実装例。
【図５】本発明の１つの態様による、パイプライン上に実装された代表的な検出システム。
【図６Ａ】実験の第１セットから得た強度、位相、及びインピーダンス結果。
【図６Ｂ】実験の第１セットから得た強度、位相、及びインピーダンス結果。
【図６Ｃ】実験の第１セットから得た強度、位相、及びインピーダンス結果。
【図７Ａ】実験の第２セットから得たインピーダンス結果。
【図７Ｂ】実験の第２セットから得たインピーダンス結果。
【００１９】
本発明はさまざまな修正及び代替形態に従い、その明細は図に示す実施例によって示され、詳しく説明される。しかしながら、本発明は、記述されている特定の実施形態に限定されることを意図するものではないことが理解されるべきである。むしろ、付随する請求項によって定義される本発明の範囲内に入る修正、等価物、及び代替物すべてを網羅することを意図するものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、検出の方法及びシステムを目的とする。特に、代表的な実施形態の検出方法及びシステムは、工学的構成構造上のコーティング表面の状態を遠隔検出するために利用することができる。代表的な１つの態様において、この検出システムは、光ファイバー回線又は光ファイバーネットワークを利用して、１つ以上の検出器アレイを中央制御システムとつなぎ、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）測定を発生させ、この測定法を中央制御システムが利用して、検査対象である特定の工学的構成構造に関する、リアルタイムのコーティング情報を提供することができる。
【００２１】
ＥＩＳは、電圧及び電流の複合周波数依存性を測定することによって、材料及び電子的特性を特徴づけるのに使用されている試験方法である。工学的構成構造と試験装置との間に電気系接続ケーブルを使用するとき、ＥＩＳ反応を測定するために使用できる幅広い周波数（１ＭＨｚ〜０．００１Ｈｚ）は、試験中に電磁干渉（ＥＭＩ）による挑戦（challenges）を招くことになる。温度変化などの他の要因も、電子ケーブルによって運ばれる電気信号に影響し得る。好ましい１つの態様において、試験方法及びシステムは、光ネットワークを利用してＥＩＳデータが測定及び収集される。光ファイバー系ネットワークは、本明細書の代表的な態様において記述されるように、ＥＭＩに反応せず、光信号が長距離にわたって伝搬でき、工学的構成構造から中央ステーションまで、明らかなひずみ無しにＥＩＳ信号を返信することができる。
【００２２】
これらの代表的な実装において、検出用法及びシステムは、データ取得システムを介して、工学的構成構造の１つ以上の物理的状態をリアルタイムで定期的（例えば毎時、毎日、毎週の）データをもたらすよう構成することができる。この種のデータ取得システムは、工学的構成構造の、「予防的」メンテナンスではなく、「状態に基づく」メンテナンスのために、リアルタイムデータを提供することができ、これにより、工学的に構成された物体又は構造の修理又は交換のスケジュール設定をより良く管理するためのデータがもたらされることによって、工学的に構成された構造又は物体の耐用期間を最大限にするのに役立つ。加えて、光ファイバー回線の使用により、工学的構成構造を、離れた場所（例えば、光ファイバー伝送線の長さで測定して１ｋｍ〜１０ｋｍ又はそれ以上）に所在する制御システムで監視することが可能になる。
【００２３】
本発明の１つの代表的な実施形態によって、図１Ａは、検出システム１００を概略図で示している。この検出システム１００は、伝送光ファイバー１０５ａを介してセンサーアレイ１２０ａに連結された中央制御システム（コントローラー１５０として示されている）を含む。この代表的な実施形態において、センサーアレイ１２０ａには、データ伝送ファイバー１０５ａ／１０６ａに結合した複数のセンサー（図の例では、簡略化のために６個（１３０ａ〜１３０ｆ）のセンサー群を示す）が含まれる。戻り信号光ファイバー１０７ａも、代表的な態様に採用され得る。センサーアレイ１２０ａは、工学的構成構造１１０の表面１１２上に配置される。特に、下記に詳しく述べるように、センサーアレイのセンサーは、中央コントローラーにＥＩＳ情報を提供するよう構成され得る。下記に詳しく説明されるように、本発明の実施形態は、さまざまなタイプのセンサーも利用することができる。
【００２４】
１つの代表的な実施形態において、コーティング１４０は、工学的構成構造１１０の表面１１２に適用されている。センサー１３０ａ〜１３０ｆは、非常に薄い設計を有する（例えば、約１３μｍ〜約７５μｍの検出部分厚さを有する）よう構成され、これによりセンサーは表面１１２とコーティング１４０との間に容易に配置される。このようにして、センサーはコーティング１４０及び工学的構成構造１１０の状態に関するデータを同時に提供することができる。
【００２５】
工学的構成構造１１０は、水、海水、雨、風などの自然の影響にさらされる任意のタイプの構造又は物品であり得る。この構造１１０の物理的組成物は、金属（例えば鋼）、炭素繊維複合材料、セラミック、又はガラス繊維系材料（例えばガラス繊維積層品）であり得る。
【００２６】
１つの代表的な実施形態において、検出システム１００は、石油／ガス／水パイプラインプラットフォームに利用することができる（例えば、図５参照）。例えば、物理的な障壁のために視覚的に点検することが困難な、地上又は水中／地下石油／ガス／水パイプラインの長さ方向に沿って、センサーを配置することができる。本発明の実施形態の遠隔検出特性は、何キロメートルも離れたところからユーザーがセンサーに問い合わせする能力をもたらし得る。このようにして、中央に配置されたコントローラーが、パイプラインに沿ったさまざまな遠隔位置で、特に周溶接と呼ばれる数多くのパイプライン接続点において、コーティング及び／又は構造の状態を遠隔で検出することができる。これらの数多くの周溶接はそれぞれ、厳しい環境条件にさらされているため、代表的な検出システム１００によって検出される、コーティング及び／又は構造の状態のリアルタイムで定期的な評価が、メンテナンス計画に関連する重要な情報をもたらすことができる。
【００２７】
例えば図５は、代表的なパイプライン部分１１０’を示す。このパイプライン部分は光ファイバー１０５ａ（及び所望により別の戻りファイバー１０７ａ）によって中央コントローラー１５０に光学的に結合しており、これが中央コントローラーとの光信号の送受信を行う。このパイプライン部分１１０’には、例えばセンサー１３０ａ、１３０ｂなどの複数のセンサーユニットが含まれる（簡略化のため２つだけが示されている）。好ましい１つの態様において、このセンサーはパイプラインシステムのさまざまな位置に配置される。この実施例では、センサー１３０ａ及び１３０ｂはそれぞれ、周溶接１１２ａ及び１１２ｂの位置に配置されている。パイプラインのパイプユニットが溶接で接合された後に、その周溶接部分がコーティングされているため、これらの場所はより腐食の影響を受けやすい可能性がある。別の態様においては、各周溶接に、１つ又は複数のセンサーを含めることができる（例えば、一組のセンサーで周溶接の周囲を包む）。一連のタップオフ（tap-off）装置１６１ａ〜１６１ｂは、中央コントローラーで発した光信号の一部を届けるのに使用され得る。これらの構成要素の操作に関する詳細は、下記で述べる。
【００２８】
別の実施形態による検出システム１００は、例えば海上プラットフォーム（例えば船やその他の船舶）、トンネル、橋、及び航空機などの、腐食あるいは他の形態の物理的劣化を被りやすいような、他のタイプの工学的構成構造に使用できる。
【００２９】
構造１１０を保護するために、コーティング１４０には、例えばエポキシ系コーティング又は塗料などのコーティングが含まれ得る。例えば、コーティングは、パイプライン用途に使用される従来の溶融接着エポキシ（ＦＢＥ）コーティング（例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されているもの）であり得る。他のコーティングには、ポリアミドエポキシ類及びその他のコーティングエポキシ類（例えば、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されている製品番号２２１６Ａ／Ｂなど）が含まれ得る。下記に更に詳しく説明されるように、検出システム１００は、コーティング１４０の状態特性を検出するのに使用され得る。
【００３０】
１つの代表的な実施形態に従って、中央コントローラー１５０は、監視下に個々の工学的構成構造１１０から離れて位置することができる。好ましい１つの態様において、コントローラー１５０には、データ取得システム１５１、光源１５２、変調器１５３、信号発生器１５７（これは変調器１５３とは別のものであっても、一体部品であってもよい）、及びコンパレーター回路１５５が含まれる。他の構成要素には、マルチプレクサー１５４、検出器１５９及び光サーキュレーター１５６も含まれ得る。いくつかの態様において、このコントローラーには光スペクトル分析器１６５も含まれ得る。好ましい１つの態様において、コントローラー１５０は、工学的構成構造１１０のＥＩＳ反応を決定することができる。
【００３１】
操作中においては、１つ以上の異なる光信号を、光源１５２から発生させることができる。光源１５２から発せられた光信号は、伝送光ファイバー１０５ａを介してセンサーアレイ１２０ａに伝えられる。好ましい１つの態様において、このコントローラーは光信号を送信及び受信する。戻り光信号は、別の戻りファイバー１０７ａ又は伝送ファイバー１０５ａによって、中央コントローラーへと導かれ得る。いくつかの態様において、戻り信号は直接、検出器１５９に供給され得る。他の態様において、戻り信号は光サーキュレーター１５６によって、検出器１５９又は（所望により）スペクトル分析器１６５へと導かれ得る。所望により、コントローラー１５０によって制御されている光スイッチ１５８を、他の工学的構成構造及び／又は他のセンサーアレイ（例えばセンサーアレイ１２０ｃ）へと光信号を分配するのに利用することができる。システム全体の１つ以上のセンサーアレイと通信するために、１つ以上の光信号を使用することにより、長距離の接続が得られ、電線系ネットワークで存在し得るような電磁干渉（ＥＭＩ）が実質的に減少又は排除される。
【００３２】
１つの態様において、データ取得システム１５１は、光源１５２、（所望により）変調器１５３、（所望により）信号発生器１５７、コンパレーター回路１５５、及び（所望により）光スイッチ１５８と通信を行うサーバー又は他のコンピューター系装置として構成することができる。データ取得システム１５１は、インタフェース装置及びデータ保存及び表示のためのコンピューターを含み得る。例えば、このデータ取得システムは、信号発生器／変調器及びコンパレーター回路と通信を行うためのインタフェースカード（例えばＧＰＩＢカード）を備えたコンピューターを含み得る。また、このデータ取得システムは、例えばコーティング状態のリアルタイムなデータ等の画像データをユーザーに提供するため、別個のディスプレイに接続することができる。データ取得システム１５１はコンピューター、サーバー、又はコンピューターをベースとした装置であるため、データの収集、操作、分析、及び送達は、ここに搭載されたアプリケーション専用ソフトウェアプログラムを介して供給され得る。同様のデータ検索、復調及び保存プロセスを、システム内で使用されるすべてのセンサー又はセンサー群について利用することができる。コーティング又は構造の劣化が起きていることを１つのセンサーが示すと、（例えば可聴形式及び／又は視覚的形式で）警告がユーザーに供給され得る。あるいは、ユーザーの請求によりデータを表示することができる。自動化プロセスを採用して、データ検索及び分析をリアルタイムの定期的な方法でアクティブにすることができる。
【００３３】
１つの態様において、ＥＩＳ測定について、光源１５２は１つ以上の区別できる（相対的に）狭帯域の光源を含み、それぞれが異なる波長の出力を有し、これにより複数の波長チャネルλ１〜λｎを有する光の出力信号が得られる。例えば、狭帯域光源のセットには、例えばレーザーダイオード又はＬＥＤなどの、レーザー光源セット又はダイオード光源セットが含まれ、このそれぞれが異なる出力波長λ１〜λｎを有し得る。例えば、異なる波長出力λ１〜λｎ（例えば１５５０ｎｍ、１５５０．５ｎｍ、１５５１ｎｍ、．．．１５７０ｎｍ）を有するダイオードを別個に使用することができる。図１Ａに示すように、代表的な光源１５２には、別個の光源１５２ａ及び１５２ｂが含まれ得る。光源１５２ａ及び１５２ｂによって発生した別個の波長信号が、マルチプレクサー１５４によって多重送信され、ファイバー１０５ａ、１０６ａに沿って伝送され得る。このタイプのシステムにおいては、システム内のすべてのセンサーの問い合わせに、この２つの信号を使用することができる。更なる別の方法において、光源１５２は、より幅広い波長範囲のレーザー出力（例えば１０〜２０μｍ範囲にわたるレーザー出力）を生成する、１つ以上の調節可能なレーザーを含み得る。また更なる別の方法において、光源１５２は、（比較的）低いスペクトル電力密度を有する１つ以上の連続する広帯域光源（例えばランプ）を含み得る。例えば、自然放射増幅光源などの光源も使用することができる。
【００３４】
好ましい１つの態様において、変調器１５３及び／又は信号発生器１５７は、光源１５２によって発生する１つ以上の光信号を変調するためのＡＣ信号を供給することができる。この変調された信号（ＡＭ）が、遠隔センサーへ伝送される。１つの態様において、信号発生器１５７は、ＡＣ信号発生器であり得、そして、ＡＣ出力信号は、外部の電力増幅器で増幅してＤＣバイアスを加えることができ、結果として得られるバイアスされたＡＣ信号が光変調器１５３に印加され、これが光源の出力を、制御された状態で変調する。１つの態様において、レーザー光源１５２ａは、波長λ１の第一光信号を出力し、レーザー光源１５２ｂは、波長λ２の第二光信号を出力する。第一レーザー光源は、変調機１５３に接続して、光信号λ１を周波数ωで変調することができ、ここにおいて第二レーザー信号λ２は変調されていない（又は逆もまた同様）。インピーダンス測定中、周波数ωを変えて（例えば０．００１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、又はより好ましくは０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚ）、完全な分光測定を実施することができる。他の周波数掃引も利用することができる。
【００３５】
多重送信信号が次に、ファイバー１０５ａに沿って伝送され得る。１つの態様において、ファイバー１０５ａは伝送信号及び戻り信号を運ぶことができる。別の態様において、戻り信号は、例えばファイバー１０７ａなどの別のファイバー回線で運ばれ得る。本明細書において、当業者には理解されるように、複数の波長光源１５２について、異なる波長のいくつかの光信号を変調し、同時にいくつかの他の光信号は変調されない状態にすることができる。更に下記に詳しく説明するように、伝送信号及び戻り信号に関連する情報の比較は、ＥＩＳ測定を行うための基盤を提供し得る。
【００３６】
複数波長の光信号は、光ファイバー１０５ａに沿った第一センサーアレイ１２０ａへ伝送される。光ファイバー１０５ａは、例えばコーニング社（ニューヨーク州、コーニング市）から市販されているＳＭＦ２８（登録商標）光ファイバーのような従来の通信用ファイバー、又は、典型的な光通信波長領域１３００ｎｍ若しくは１５５０ｎｍ以外の波長領域で使用可能な別の光ファイバーであり得る。所望により、この光信号は更に、スイッチ１６９を介して追加のセンサーアレイ１２０ｂへ更に分配することができる。戻りファイバー（例えばファイバー１０７ａ）が使用される場合、戻りファイバーの構成は、伝送ファイバーと同じであり得る。
【００３７】
図１Ａの実施形態に示すように、センサーアレイ１２０ａで受け取った（波長λ１〜λｎを有する）光信号は、一連のタップオフ（tap-off）装置１６１ａ〜１６１ｆを介して個々のセンサー１３０ａ〜１３０ｆへ分配することができる。好ましい１つの態様において、タップオフ装置１６１ａは、入力信号（例えば第一及び第二光信号λ１、λ２）の一部をセンサー１３０ａへ分配するデマルチプレクサーを含むことができ、このとき残る信号λ３〜λｎは、アレイの他のセンサー、すなわちセンサー１３０ｂ〜１３０ｆへ分配される。
【００３８】
別の実施形態において、図１Ｂに示すように、センサーアレイ１２０ｄは、複数の個別センサー（この実施例ではセンサー１３０ａから１３０ｌ）を含み得る。ここで、各個別センサーは（光ファイバー１０５ａ〜１０５ｌを介して、及び所望により、戻りファイバー１０７ａ〜１０７ｌを介して）コントローラー１５０に直接接続されている。ここで、戻り信号ファイバー（図示なし）も採用され得る。この別の態様において、タップオフ装置（例えばタップオフ装置１６１ａ〜１６１ｆ）は不要である。
【００３９】
図２の断面図に示すように、センサー１３０ａは、構造１１０の表面１１２上に配置できる。センサー１３０ａは、例えば耐水分性の二成分エポキシ（例えばＴｒａ−Ｃｏｎ Ｃｏｒｐ．（マサチューセッツ州ベッドフォード）から市販されているＴｒａ−Ｃｏｎ ２１５１接着剤）、又は両面テープ若しくは移動粘着剤（例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されている３Ｍ ＶＨＢ）のような、接着剤を介して表面１１２に固定することができる。センサー１３０ａは、光ファイバー１０５ａ／１０６ａ及び（所望により）戻りファイバー１０７ａを介して、中央コントローラー１５０と通信できる。コーティング１４０が表面１１２に適用され、外部の物質又は材料１６０の腐食性影響から構造１１０を保護する。より詳しく下記に説明されるように、センサー１３０ａは、（例えばインピーダンスのモニタリングにより）コーティング１４０の状態を検出することができ、これによりコーティング１４０が劣化し、及び構造１１０が腐食し始めるときの一般的なコーティング状態を示すことになる。
【００４０】
図１Ａに示すように、センサーアレイ１２０ａは、複数の個々のセンサー１３０ａ〜１３０ｆを含む。もちろん、工学的構成構造の大きさ又は具体的な用途に応じて、より多数のセンサー又はより少数のセンサーをセンサーアレイ１２０ａに利用することができる。好ましい１つの態様において、個々のセンサーはそれぞれ、同じ基本構造を有し得る。例えば、図３Ａ及び３Ｂに示すように、センサー１３０ａは、柔軟なポリイミド基材上に形成することができ（下記で詳しく説明される）、その上に配置された光電子インタフェース１３４を含むことができる。あるいは、個々のセンサーが異なる構造を有し得る。
【００４１】
１つの態様において、光電子インタフェース１３４は、ポリマー系材料（例えばポリアミド、ポリエステル）、液晶ポリマー、又はアクリル材料などのベース材料上に配置することができる。ベース材料は、光電子インタフェース１３４及び／又はキャップ部分の密封封止（図示なし）の一部のための支持を提供することができる。ベース材料及び／又はその他のセンサー部分は、接着剤（例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から市販されているＶＨＢ）によって、工学的構成構造１１０の表面に接着することができる。構成要素及び相互接続部分を環境曝露から保護するために、保護コーティング又は封止剤１３３も供給され得る。所望により、更なる保護のために、パッケージキャップ材質（例えば硬質プラスチック）が、外側保護シェルを供給することができる。全体的なパッケージ厚さは、約１００μｍ〜約１０００μｍに維持され得る。
【００４２】
光電子インタフェース１３４は、光信号デマルチプレクサー１３７を含み得る（図３Ｂを参照）。１つの態様において、このデマルチプレクサー１３７は、あらかじめ定められた１つ又は複数のチャネル（例えばλ１、λ２）を選択するための、薄膜系のチャネルセレクターを含み得る。更に、この各センサーの光信号デマルチプレクサーは、その波長λｎによって個々のセンサーそれぞれを識別するのに使用することができる。光信号デマルチプレクサー１３７は、図３Ｂに示すように、光信号を２つの経路（例えば経路１３９ａ及び１３９ｂ）に分割するのに使用され得る。１つの態様において、デマルチプレクサー１３７は、信号λ２を選択肢、経路１３９ａに沿ってこれを伝送し、一方で信号λ１は経路１３９ｂに沿って伝送される。
【００４３】
センサー１３０ａは、更にＰＩＮダイオードアレイ１３５（好ましくは光起電力ＰＩＮダイオードアレイ）を含み、光信号の一部を受け取って電力に変換することができる。図３Ｂに概略図を示すように、信号λ１が経路１３９ｂに沿ってＰＩＮダイオードアレイ１３５へ伝送され、このダイオードアレイが光信号を受け取って電力を発生する。好ましい１つの態様において、信号λ１は周波数ωで中央コントローラーにおいて変調され、ＰＩＮダイオードアレイ１３５で発生した電気信号も、この周波数ωで変調される。この電力は、変調装置（この代表的な態様においてはエレクトロクロミックスイッチ１３６）用電源として使用することができる。信号λ１が変調されると、ダイオードアレイからの変調された電気信号が更に、エレクトロクロミックスイッチ１３６のための変調された電源を提供する。この代表的な態様において、信号λ２は経路１３９ａに沿ってエレクトロクロミックスイッチ１３６へと伝送される。エレクトロクロミックスイッチ１３６は第二の光信号λ２を受け取り、経路１３９ｃで運ばれてきたλ２の戻り信号が変調されるように前のＤＣ信号を変調する。
【００４４】
下記に述べるように、変調装置（エレクトロクロミックスイッチ１３６）が利用できる電力量は、検出部分１３２がこのエレクトロクロミックスイッチ１３６用の電源に接続されているため、保護コーティング１４０の状態に依存し得る。
【００４５】
図３Ｃに示すように、代表的なエレクトロクロミックスイッチ１３６は、２つの光透過性材料１３６ｃ、１３６ｄと、その間に配置された電圧感受性材料１３６ａを含み得る。電圧感受性材料１３６ａは、例えば三酸化タングステンを含み得る。電解質１３６ｅがこの電圧感受性材料と層１３６ｆとの間に配置され、これは好ましくは五酸化バナジウム層である。電解質層１３６ｅは、印加電圧Ｖのための電荷移動メカニズムを提供し、ここで五酸化バナジウム層１３６ｆは、エレクトロクロミックスイッチの変調中のコントラスト比を強化することができる。１つの態様において、光透過性基材１３６ｂは、戻り信号ファイバー１３９ｃ（及び戻り信号ファイバー１０７ａ）に結合するよう供給され得る。１つの別の態様において、透過性材料１３６ｄは、基材１３６ｂの代わりに、高反射性のコーティングでコーティングすることができ、これにより変調機を経て反射して戻った戻り信号が供給される。
【００４６】
別の態様において、変調装置はマイクロエレクトロクロミックスイッチを含み得る。ファイバー系のマイクロエレクトロクロミックスイッチ及びその構成要素の製造の詳細は、出願中の米国特許公開第２００８−０１５０５５５−Ａ１号に記述されており、これは参考として全体が本明細書に組み込まれる。この出願中の米国特許公開第２００８−０１５０５５５−Ａ１号に具体的に記述されているマイクロスイッチは、中央コントローラーに返る戻り信号を反射するのに最も適している。別の１つの態様において、このようなマイクロエレクトロクロミックスイッチは、戻りファイバーを含む光学システムに使用するため、改変することができる（例えば、バックリフレクターを取り除き、戻りファイバーを取り付けるなどの改変）。このようなシステムは、光ファイバーの端末に形成される、又は伝送ファイバーと戻りファイバーとの端子の間に形成される、きわめてコンパクトな構造を有することができる。
【００４７】
センサー１３０ａは更に、センサー部分１３２を含む。好ましい１つの態様において、アレイ検出部分１３２は、交互に嵌め合った金属系（例えば金、銀、銅）の回路を有する電極を含み、これが電気化学／腐食測定のアノード及びカソードとして使用することができ、可撓性のポリイミド基材上に形成することができる。加えて、センサー１３０ａの一部をそれ自体の保護オーバーコート１３３でコーティングすることができる（例えば、センサーの電気／光変換部分をカバーするが、構造１１０及びコーティング１４０に対して露出した検出部分１３２は残しておく）。
【００４８】
代表的な実施形態において、検出部分１３２は、例えば３Ｍの可撓性回路材料（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州セントポール）から商品名３ＭＦｌｅｘ（登録商標）として市販）などの薄い可撓性の基材材料上に形成することができる。このような可撓性回路を製造するための代表的な物品及びプロセスは、米国特許第６，３２０，１３７号に記載されており、これは参考として全体が組み込まれる。「可撓性」という語は、センサー及び（該当する場合は）基材が曲がっても検出部分が層間剥離しないことを意味する（例えば、検出部分がその導電性質を失うことなしに、非常に小さな曲率半径で９０度（又はそれ以上）に曲げ、又は鋭く直角に曲げ、又は折り目をつけることができる）。
【００４９】
例えば、検出部分１３２には、例えばポリイミド材料などの基材を含み得る。検出電極構造は、基材の上に例えばクローム結合層を有し、銅（又は他の導電性）層をその上に配置し、その銅層の上に銀（又は金若しくは他の金属）層を配置した、パターン化した多層材料として形成することができる。本記述で明らかであるように、他の多層構造も利用することができる。よって、代表的なカソード−アノード構造を備えた検出部分１３２は、これまでは監視が困難だった場所で、カソードとアノードとの間のインピーダンスを測定する能力を提供することができる。
【００５０】
別の１つの実施形態において、検出部分１３２は、水に感受性がある化学種、例えばＡｌ、Ｆｅ、又はＺｎで形成された電極として構成することができる。この化学種が水と相互作用すると、測定されるインピーダンス又は抵抗に変化が生じる。本明細書において、当業者には明らかであるように、他の腐食感受性種も利用することができる。
【００５１】
操作中においては、１つの態様において、変調装置であるエレクトロクロミックスイッチ１３６は、ＰＩＮダイオード１３５の出力によって給電される。図３Ｂの概略図に示すように、検出部分１３２は好ましくは、可撓性ポリイミド基材上に形成された、交互に嵌め合った金属系回路を有する電極構造の物理的構成体を有する。好ましい１つの態様において、エレクトロクロミックスイッチ１３６は、交互に嵌め合った検出部分１３２に対して並列に配置される。あるいは、エレクトロクロミックスイッチ１３６は、交互に嵌め合った検出部分１３２に対して直列に配置することができる。
【００５２】
例えば、最初の段階では、コーティング１４０の質は良好である。従って、検出部分１３２による抵抗／インピーダンスは高い。その結果、この初期条件でエレクトロクロミックスイッチ１３６にＡＣ電圧（Ｖ）を印加すると、大きな振幅でＡＣ電圧信号が生成される。エレクトロクロミックスイッチ１３６に対するＡＣ電圧（Ｖ）が大きな振幅を有するとき、電圧感受性材料１３６ａは（比較的）大きな振幅変調で入力信号（λ２）を変調し、これにより、コントローラー１５０へ返る戻りλ２信号の振幅（Ａ）は高くなる。
【００５３】
より後の段階になると、腐食性要素にさらされた後、コーティング１４０の品質が劣化する。従って、検出部分１３２による抵抗／インピーダンスは低下する。その結果、エレクトロクロミックスイッチ１３６に対するＡＣ電圧（Ｖ）はより小さな振幅を有する。エレクトロクロミックスイッチ１３６に対するＡＣ電圧（Ｖ）がより小さな振幅を有するとき、電圧感受性材料１３６ａはより小さな振幅変調で入力信号（λ２）を変調し、これにより、戻りλ２信号は（比較的）小さな振幅（Ａ）を有する。よって、オペレーターは、遠隔位置からコーティング１４０の相対的状態を測定することができる。本明細書において、当業者には明らかであるように、この操作の他の変形方法も利用することができる。
【００５４】
上記の説明はλ１、λ２信号に限定されているが、本発明の態様はこれに限定されず、λ３、λ４信号をセンサー１３０ｂに伝送することができ、λ５、λ６信号をセンサー１３０ｃに伝送することができ、というように続く。よって、好ましい１つの態様において、他のセンサー位置（１３０ｂ〜１３０ｎ）での他の信号（λ３〜λｎ）が、この工学的構成構造の他の場所でのコーティング状態に対応して生成される。よって、例えば光学的スペクトル分析器１６５などの分光計装置を、戻り光信号を分析するためのコントローラーで使用することができる。あるいは、中央コントローラーは１つ以上のデマルチプレクサー（図示なし）を利用して、戻り信号を波長の関数として分離することができる。
【００５５】
好ましい１つの態様において、変調されたλ２信号が、戻りファイバー１０７ａを経由して中央コントローラー１５０へ戻ると、λ２信号の振幅が測定され、この戻り信号の位相特性を、λ１信号の変調に使用されたＡＣ信号に照らして比較することができ、これにより、正確なＥＩＳ測定を決定するために必要なデータを得ることができる。例えば、変調されたλ２信号が、中央コントローラー１５０へ戻る。１つの態様において、この戻り信号は戻りファイバー１０７ａ上に供給され、検出器１５９に導かれる。別の１つの態様において、戻り信号は、ファイバー１０５ａを介して中央コントローラーに達することができ、光サーキュレーター１５６を介して検出器１５９に導くことができる。
【００５６】
変調された戻りλ２信号が検出器１５９によって電気信号に変換され、これは好ましくは、例えば光起電力ダイオードなどの１セット以上のＰＩＮフォトダイオードを含む。この変調された電気信号がコンパレーター回路（例えば、市販されているものなどのデジタルロックイン増幅器を含むもの）に供給される。コンパレーター回路１５５には、１組の入力が含まれ、このうち少なくとも２つが、検出器１５９からの変換された信号の入力と、信号発生器１５７及び／又は変調器１５３からの入力とを含む。これらの信号は、ロックイン増幅器又は類似のものを使用して比較され、位相の差又は時間遅延が測定される。測定された信号は次に主コントローラー回路１５１に供給され、特定の１つ又は複数のセンサーについてのＥＩＳ測定値を計算することができる。完全なＥＩＳ試験のためには、変調器／信号発生器の周波数を変えて（例えば周波数をω１、ω２、ω３、というように掃引して）、異なる周波数での測定値を得ることができる。
【００５７】
更に詳しくは、好ましい１つの態様において、上述のシステムを利用した工学的構成構造のＥＩＳ測定は、次のように実施することができる。
【００５８】
中央コントローラー１５０で、周波数ωを有する変調されたＡＣ信号（ｔｌ）が、信号発生器１５７／変調器１５３によって生成され得る。この変調された信号が光源１５２に供給され、これにより光源１５２の少なくとも１つの出力信号（例えばλ１）が、周波数ωを有するＡＭ光信号となる。完全な分光範囲を得るため、周波数は幅広い周波数範囲（１つの態様において０．００１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、又は別の態様において０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚ以下）にわたって掃引することができる。ＡＭ λ１信号は、マルチプレクサーによって少なくとも１つの非変調（好ましくはＤＣ）光信号（例えばλ２）と組み合わせられ、この複合信号が、光伝送ライン（例えばファイバー１０５ａ）を介して、工学的構成構造上に配置されている少なくとも１つの遠隔センサー又はセンサーアレイ（例えばセンサーアレイ１２０ａ）に伝送される。
【００５９】
このセンサーには、例えば図３Ａに示す検出部分１３２のような、保護コーティングと工学的構成構造１１０の表面との間に配置されている検出部分を含む。センサーは好ましくは、可撓性ポリイミド基材上に形成された、交互に嵌め合った金属系回路を有する電極構造の物理的構成体を有する。
【００６０】
個々のセンサー位置（例えばセンサー１３０ａ）において、この複合信号がデマルチプレクサー（例えばデマルチプレクサー１３７）によって、少なくとも第一及び第二の光信号構成成分に逆多重化される。第一光信号成分（例えば変調されたλ１信号）は、フォトダイオードアレイ１３５によって電気信号に変換することができ、これによって、結果として得られた変調された電気信号が変調装置（例えばエレクトロクロミックスイッチ１３６）に、選択された周波数ωで電力を供給することができる。第二光信号構成成分（例えばλ２信号）は、エレクトロクロミックスイッチ１３６を通過し（又は所望により反射され）、ここでλ２信号が周波数ωで変調される。この変調装置は、センサーヘッドの検出部分に電気的に結合しているため、コーティングの状態が、この変調された戻りλ２信号の位相（又は時間遅延）及び振幅に影響を与え得る。
【００６１】
ここで、変調された光信号λ２が遠隔センサーから、別の戻り信号ファイバー（例えばファイバー１０７ａ）又は光伝送ライン１０５のいずれかを介して返され、中央コントローラーがこれを受け取る。戻り光信号λ２は、検出器（例えば検出器１５９）によって電気信号（ｔ２）に変換される。この変換された戻り信号が、コンパレーター（例えばコンパレーター回路１５５）に供給される。振幅変調光信号λ１に対応して信号発生器１５７／変調器１５３から生成されたもう１つの電気信号（ｔ１）も、このコンパレーターに供給される。コンパレーターはｔ２及びｔ１信号の間の相対的な位相差φ又は時間遅延を測定し、光信号λ２が変換された電気信号ｔ２の振幅Ａを測定する。位相差及び振幅の測定値に基づき、ＰＩＮダイオードによって電源供給されているときに測定された遠隔位置での変調装置の光学的反応は、Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）として計算することができる。
【００６２】
よって、センサーヘッド及びその直近の環境（その位置のコーティング１４０及び工学的構成構造１１０を含む）の電気的インピーダンスＲＣ（ω）は、次のように決定することができる。
【００６３】
【数２】
【００６４】
式中、ＲＯ（ω）は遠隔変調装置の初期インピーダンス（メーカーから提供され得るもの、又は設置前に標準ＥＩＳ装置を使用して測定され得るもの）であり、Ｐ０（ω）はＰＩＮダイオードによって電源供給されているときに測定された遠隔変調装置の初期光応答（コーティングの適用、並びに工学的構成構造の表面にセンサーヘッド接続を行う前の応答）であり、かつ、既に説明したように、Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）である。
【００６５】
完全な分光測定を提供するために、上述のプロセスが、異なる周波数値ω１〜ωｎで繰り返し行われ、これにより振幅及び位相情報が、変化する周波数の関数として繰り返し収集される。実際において、約０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲が、適切な分光情報を提供し得る。
【００６６】
上記の設計を使用して、本明細書に記載されている検出システムの代表的な実施形態が、非破壊的なアンダーコーティングのセンサーを提供することができる。加えて、このセンサーは可撓性の曲げ可能な基材上に構築することができ、これによりユーザーはセンサーを、例えば工学的構成構造の非平坦な表面（例えば、曲げや角の周辺部、及び他の鋭角な箇所）の重要な部分に配置することができる。これらの箇所は、保護コーティングが角又は他の鋭角箇所では均一に適用されていないことがあるため、腐食又は他の劣化事象が起こりやすい場所であり得る。例えば、図４Ａ及び４Ｂに示すように、代表的なセンサー１３０ａは、Ｉ形梁の端部周囲に起こり得るような、単一の角表面１１１（図５Ａ）、又は複数の角表面１１３（図５Ｂ）に配置することができる。
【００６７】
よって、上記の代表的な実施形態において、埋め込み可能な腐食センサーは、センサーヘッド及びその直近の環境（コーティング状態及び構造状態を含む）のリアルタイムのインピーダンス特性を検出するために、提供することができる。このようなセンサーは、可撓性の基材上に形成することができるため、位置固有のリアルタイム測定がより多くユーザーに供給され得る。更に、そのような薄い回路（例えば２５．４μｍ（約０．００１インチ）の厚さ）は、コーティング状態に悪影響を与えることなく、保護コーティングと構造との間に配置することができる。更に、データ取得システムは、腐食関連事象のリアルタイム測定を提供することができる。このような腐食センサーは、腐食関連の損傷の直接的及び間接的なコストを削減するのに役立ち得る。
【００６８】
実験
第一の実験では、（上記センサー１３２に類似の構造を有する）センサーヘッドのインピーダンスが測定される。センサーヘッドはエポキシ系コーティングで覆われ、塩水浴に浸漬された。具体的には、センサーヘッドは米軍用規格２４４４１のエポキシコーティング約０．１２ｍｍ（５ｍｉｌ）でディップコーティングされ、２４時間硬化させてから、人工（ＡＳＴＭ）塩水浴に浸漬された。ＡＣ信号を、センサーヘッドに周波数ωで給電した。この実験において、エレクトロクロミックスイッチの代わりに、従来のニオブ酸リチウム変調器がその場所に利用された。１．５μｍの連続波（又はＤＣ）光信号が、センサーヘッドと並列に配置された変調器を通って、短い長さ（３ｍ）の光ファイバー（ＳＭＦ−２８光ファイバー、コーニング社の市販品）に沿って伝送された。フォトダイオードが、この変調戻り信号を電気信号に変換した。測定された戻り信号の（相対的）強度（周波数ωの関数として）、及び、ＡＣ電源信号の位相に対する戻り信号の相対的位相（周波数の関数として）を、図６Ａ及び６Ｂに示す。いくつかの試行が実施され、詳細は図の凡例に記載されている。そのセンサーヘッドに関するインピーダンスが計算され（上記の式Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）を使用）、これを図６Ｃに示す（周波数の関数として）。この実験の図は、コーティングの劣化と共に、位相変化及び信号強度の相対的増加を示している。
【００６９】
別の実験において、比較ＥＩＳ試験が実施され、光系のＥＩＳ測定方法が（上に詳しく記述されたものと同様）、標準ＥＩＳ測定に比較された。両方の試験において、特定なコーティング（ここではエポキシ系の米軍用規格２４４４１のコーティング）の劣化が実施された。センサーヘッド（上述のセンサー１３２のものに類似の構造）が上記規格２４４４１のコーティングで覆われ、人工（ＡＳＴＭ）塩水浴に浸漬された。光学的ＥＩＳ試験では、１．５μｍの連続波（ＤＣ）光信号が、センサーヘッドと並列に配置されたニオブ酸リチウム変調器を通って、短い長さ（３ｍ）の光ファイバー（ＳＭＦ−２８光ファイバー、コーニング社の市販品）に沿って伝送された。フォトダイオードが、この変調戻り信号を電気信号に変換した。
【００７０】
図７Ａ及び７Ｂは、それぞれ光学系及び電気系のＥＩＳ測定値の結果を示しており、ここでセンサーのインピーダンスは周波数の関数として測定されている。いくつかの試行が実施され、詳細は図の凡例に記載されている。記録として、コーティングの劣化を促進するため、浸漬から２日後に水浴の温度を上げた。複数の光学系ＥＩＳインピーダンス測定（図７Ａ）は、電気系ＥＩＳ測定（図７Ｂ）と同様の経路をたどっている。振幅の差は、変調器に使用した初期インピーダンスの見積り値によるものであり得る。しかしながら、光学系ＥＩＳ測定と電気系ＥＩＳ測定の両方とも、周波数範囲にわたって約５桁のインピーダンス低下を示している。
【００７１】
本明細書の検討により、本発明の目的とするものには、本発明が適用される構造と共に、さまざまな修正、等価プロセスが、適用され得ることが、当業者には容易に明らかとなろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサー及びその直近の環境の分光インピーダンスを測定する方法であって、前記センサーは工学的構成構造上に配置され、保護コーティングでコーティングされており、
第一変調周波数及び振幅を有する第一光信号を提供する工程と、
前記第一光信号と第二光信号とを、第一位置からセンサー位置に伝送する工程と、
前記第二光信号を、前記第一光信号から変換された第二変調周波数及び振幅で変調する工程と、
位相差及び時間遅延のうち１つを測定するために、前記第一変調周波数を前記第二変調周波数と比較する工程と、前記センサー及びその直近の環境の電気化学インピーダンス分光を、周波数の関数として計算する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記伝送工程が、前記第一光信号を前記第二光信号と多重化して複合信号にすることを含み、前記第一光信号は振幅変調されて第一波長を有し、前記第二光信号は連続出力され、かつ前記第一波長とは異なる第二波長を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調工程が、電気的に前記センサーに接続され、前記第一光信号の電気変換を含む信号により電源供給される変調装置で、前記第二光信号を変調することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
光の前記複合信号を、前記センサー位置で少なくとも前記第一光信号と前記第二光信号に分割することを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記変調された第二光信号を前記第一位置に伝送する工程と、
前記変調された第二光信号を前記第一位置で検出する工程と、を更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記計算工程が、下記の式により、前記センサー及びその直近の環境の電気化学インピーダンス分光を計算することを含み、
【数１】
式中、Ｒ０（ω）は前記変調装置の初期インピーダンスであり、Ｐ０（ω）は前記センサー位置での前記変調装置の初期光学的反応であり、Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）であり、Ａは、第一位置で検出される、変調された第二信号の振幅であり、φは、位相差及び時間遅延のうちの１つである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記計算工程が、約０．１Ｈｚ〜約１ＭＨｚの周波数範囲にわたって、電気化学インピーダンス分光を計算することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記工学的構成構造上に配置可能で、前記工学的構成構造の表面と、前記表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能な、変調要素を含む前記第一センサーと、
前記センサーからのデータを取得するために、コンパレーター回路、及び周波数ω
でＡＣ信号を提供するための信号発生器を備えたコントローラーと、
前記コントローラーによって生成された光信号を前記第一センサーに連結する１つ以上の光ファイバーと、を含み、前記第一センサーが、前記工学的構成構造及び前記保護コーティングに対応する電気化学インピーダンスデータを提供する、工学的構成構造の物理的状態を監視するための検出システム。
【請求項９】
前記コントローラーが、
前記光信号を発生するための光源を含み、前記光信号は、前記ＡＣ信号に対応する第一変調周波数及び振幅を有する第一波長での第一光信号と、第二波長での連続出力である第二光信号と、を更に含む、請求項８に記載の検出システム。
【請求項１０】
１つ以上の光ファイバーが、前記第一及び第二の光信号を前記第一センサーへと伝送するための第一光ファイバーを含み、１つ以上の前記光ファイバーが、前記第一センサーから前記コントローラーへと戻り光信号を伝送するための第二光ファイバーを更に含み、前記戻り光信号は、前記第一光信号から変換された第二変調周波数及び振幅を有する前記第二光信号を含む、請求項９に記載の検出システム。
【請求項１１】
前記コントローラーが、
前記第一及び第二光信号を組み合わせて複合信号にするための光マルチプレクサーを更に含み、前記第一波長及び前記第二波長が異なる、請求項９に記載の検出システム。
【請求項１２】
前記センサーが、
前記工学的構成構造上に取り付けられ可撓性基材上に配置され、保護コーティングで覆われた、パターン化された導電性要素を有するセンサーヘッドと、
前記第二光信号を受け取るための、前記センサーヘッドに電気的に接続された変調装置と、
第二光経路に沿って前記第一光信号を伝送し、第一光経路に沿って前記第二光信号を伝送する、光信号デマルチプレクサーと、
前記第一光信号を電気信号に変換するための、第二光経路上に配置されたフォトダイオードアレイと、を含み、前記変調装置は前記第一光経路に沿って配置され、前記フォトダイオードアレイからの前記電気信号によって電源供給される、請求項９に記載の検出システム。
【請求項１３】
前記変調装置がエレクトロクロミックスイッチを含む、請求項１２に記載の検出システム。
【請求項１４】
前記コントローラーが、前記戻り光信号を受け取り検出するための検出器を更に含む、請求項８に記載の検出システム。
【請求項１５】
前記工学的構成構造が、パイプ、及びパイプ系の周溶接部分のうち１つを含む、請求項８に記載の検出システム。
【請求項１】
センサー及びその直近の環境の分光インピーダンスを測定する方法であって、前記センサーは工学的構成構造上に配置され、保護コーティングでコーティングされており、
第一変調周波数及び振幅を有する第一光信号を提供する工程と、
前記第一光信号と第二光信号とを、第一位置からセンサー位置に伝送する工程と、
前記第二光信号を、前記第一光信号から変換された第二変調周波数及び振幅で変調する工程と、
位相差及び時間遅延のうち１つを測定するために、前記第一変調周波数を前記第二変調周波数と比較する工程と、前記センサー及びその直近の環境の電気化学インピーダンス分光を、周波数の関数として計算する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記伝送工程が、前記第一光信号を前記第二光信号と多重化して複合信号にすることを含み、前記第一光信号は振幅変調されて第一波長を有し、前記第二光信号は連続出力され、かつ前記第一波長とは異なる第二波長を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調工程が、電気的に前記センサーに接続され、前記第一光信号の電気変換を含む信号により電源供給される変調装置で、前記第二光信号を変調することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
光の前記複合信号を、前記センサー位置で少なくとも前記第一光信号と前記第二光信号に分割することを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記変調された第二光信号を前記第一位置に伝送する工程と、
前記変調された第二光信号を前記第一位置で検出する工程と、を更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記計算工程が、下記の式により、前記センサー及びその直近の環境の電気化学インピーダンス分光を計算することを含み、
【数１】
式中、Ｒ０（ω）は前記変調装置の初期インピーダンスであり、Ｐ０（ω）は前記センサー位置での前記変調装置の初期光学的反応であり、Ｐ１（ω）＝Ａｅ（ｉφ）であり、Ａは、第一位置で検出される、変調された第二信号の振幅であり、φは、位相差及び時間遅延のうちの１つである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記計算工程が、約０．１Ｈｚ〜約１ＭＨｚの周波数範囲にわたって、電気化学インピーダンス分光を計算することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記工学的構成構造上に配置可能で、前記工学的構成構造の表面と、前記表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能な、変調要素を含む前記第一センサーと、
前記センサーからのデータを取得するために、コンパレーター回路、及び周波数ω
でＡＣ信号を提供するための信号発生器を備えたコントローラーと、
前記コントローラーによって生成された光信号を前記第一センサーに連結する１つ以上の光ファイバーと、を含み、前記第一センサーが、前記工学的構成構造及び前記保護コーティングに対応する電気化学インピーダンスデータを提供する、工学的構成構造の物理的状態を監視するための検出システム。
【請求項９】
前記コントローラーが、
前記光信号を発生するための光源を含み、前記光信号は、前記ＡＣ信号に対応する第一変調周波数及び振幅を有する第一波長での第一光信号と、第二波長での連続出力である第二光信号と、を更に含む、請求項８に記載の検出システム。
【請求項１０】
１つ以上の光ファイバーが、前記第一及び第二の光信号を前記第一センサーへと伝送するための第一光ファイバーを含み、１つ以上の前記光ファイバーが、前記第一センサーから前記コントローラーへと戻り光信号を伝送するための第二光ファイバーを更に含み、前記戻り光信号は、前記第一光信号から変換された第二変調周波数及び振幅を有する前記第二光信号を含む、請求項９に記載の検出システム。
【請求項１１】
前記コントローラーが、
前記第一及び第二光信号を組み合わせて複合信号にするための光マルチプレクサーを更に含み、前記第一波長及び前記第二波長が異なる、請求項９に記載の検出システム。
【請求項１２】
前記センサーが、
前記工学的構成構造上に取り付けられ可撓性基材上に配置され、保護コーティングで覆われた、パターン化された導電性要素を有するセンサーヘッドと、
前記第二光信号を受け取るための、前記センサーヘッドに電気的に接続された変調装置と、
第二光経路に沿って前記第一光信号を伝送し、第一光経路に沿って前記第二光信号を伝送する、光信号デマルチプレクサーと、
前記第一光信号を電気信号に変換するための、第二光経路上に配置されたフォトダイオードアレイと、を含み、前記変調装置は前記第一光経路に沿って配置され、前記フォトダイオードアレイからの前記電気信号によって電源供給される、請求項９に記載の検出システム。
【請求項１３】
前記変調装置がエレクトロクロミックスイッチを含む、請求項１２に記載の検出システム。
【請求項１４】
前記コントローラーが、前記戻り光信号を受け取り検出するための検出器を更に含む、請求項８に記載の検出システム。
【請求項１５】
前記工学的構成構造が、パイプ、及びパイプ系の周溶接部分のうち１つを含む、請求項８に記載の検出システム。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【公表番号】特表２０１１−５１１２６７（Ｐ２０１１−５１１２６７Ａ）
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３９５７３（Ｐ２０１０−５３９５７３）
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８４１５３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０８５４５４
【国際公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８４１５３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０８５４５４
【国際公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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