JP3883123B2 - 光ファイバグレーティング歪センサ及びその製造方法 - Google Patents

光ファイバグレーティング歪センサ及びその製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、光ファイバグレーティング歪センサ及びその製造方法に関する。
歪測定は、安価で高精度である歪ゲージとブリッジボックスを用いた測定が一般的である。しかし、歪ゲージ自体が導体であるため、送電用支持物など高電磁界での計測が困難である。また、1つの歪ゲージに対し、電源線と信号線がそれぞれ2本ずつ、合わせて4本のリード線が必要であること、及び、ケーブルでの減衰により、増幅機能を備えた中継器無しでは、リード線を長く延ばせないことのために、遠隔地におけるリモート測定が実現されていない。さらに、歪ゲージ及びブリッジボックスには電源供給が必要であるため、石油、ガスタンクなど可燃物の圧力容器の測定には不向きである。
これに対し、光ファイバグレーティングを用いた歪測定は、周期的屈折率分布構造を有する光ファイバが軸方向の歪を受けると、ファイバ内の屈折率分布の周期が変化することを利用する。この光ファイバに光を入射すると、反射光の波長が、周期の変化分に応じて、変化する。この波長変化を測定することにより、光ファイバの軸方向の歪が測定される(例えば、特許文献1参照)。
このように、光ファイバグレーティングを用いた測定では、一般的に、絶縁物である石英ガラスを主成分とする光ファイバを用いるので、高電磁界での測定が容易である。また、一本の光ファイバの複数の箇所に、異なる周期の屈折率分布構造を与えると、屈折率分布のそれぞれの周期に対応して反射光の中心波長が異なるので、反射光を分光して測定することにより、一本の光ファイバで、多点測定が可能となる。さらに、1本の光ファイバに歪センサである光ファイバグレーティングをカスケード接続可能であり、しかも、伝送損失が小さい光ファイバによる通信回線を利用できるので、遠隔地におけるリモート測定が可能である。光ファイバに設けられた回折格子(グレーティング)による反射光の測定を行うので、各歪センサへの電源供給が不要になり、そのため、可燃物の圧力容器に対する歪測定も可能となる。
特開2001−13334号公報「ファイバ型検出素子、その製造方法および製造装置、並びにそれを用いたセンサ」(段落0002)
しかしながら、上述の従来例の光ファイバグレーティング歪センサは、以下のような改善すべき点を有する。
(1)光ファイバグレーティング部の製作にあたっては、光ファイバの被覆の一部を除去するが、その部分の機械的強度を保つため10〜15μm厚程度のポリイミドコーティングを用いている。このポリイミドコーティングにより、光ファイバグレーティング部の歪伝達特性が阻害される可能性がある。
(2)光ファイバグレーティング歪センサが、測定対象物に対して有機接着剤によって取り付けられるため、有機接着剤が測定対象物との間で緩衝材となり、測定対象物から光ファイバグレーティング歪センサへの歪伝達が非線形となる場合がある。また、一般に有機接着剤は耐候性に欠けるため、光ファイバグレーティング歪センサの長期の信頼性の確保が困難である。
(3)有機接着剤の実用強度に至る硬化時間が8〜24時間と長いため、現場向けの施工方法を提案できない。
この発明は、上述の事情に鑑み、測定対象物への取り付けが簡易であり、歪伝達性が高いこと及び歪伝達における非線形現象が生じないことにより歪測定の感度が良く、さらに、耐候性に優れるため長期の信頼性の確保が可能である、光ファイバグレーティング歪センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバグレーティング歪センサは、コア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造が形成された光ファイバグレーティング部を備えた光ファイバと、第1薄板と、第2薄板と、第1ロウ材と、第2ロウ材とを備えて構成される。光ファイバグレーティング部は、第1薄板及び第2薄板間に第1ロウ材で融着される。第1薄板の、光ファイバグレーティング部が融着された側とは反対側の面に、第1ロウ材の融解温度より低い融解温度を持つ第2ロウ材が塗布されている。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサは、第1薄板及び第2薄板の双方の線膨張係数が、光ファイバのクラッドの線膨張係数の3倍以内であることが好ましい。
また、この発明の光ファイバグレーティング歪センサは、第1薄板及び第2薄板のいずれか一方又は双方の、光ファイバグレーティング部が融着される部分に、横断面形状がV字状の溝が刻まれており、光ファイバグレーティング部は、このV字の溝に固定されていることが好ましい。
さらに、この発明の光ファイバグレーティング歪センサの好適実施例によれば、光ファイバグレーティング部は金属薄膜でコーティングされるのが良い。
上述した目的を達成するために、この発明の、コア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造が形成された光ファイバグレーティング部を備えた光ファイバと、第1薄板と、第2薄板と、第1ロウ材と、第2ロウ材とを備えて構成される、光ファイバグレーティング歪センサの製造方法は、以下の工程を含んでいる。(a)工程では、コア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造が形成された光ファイバグレーティング部を備えた光ファイバを用意する。(b)工程では、光ファイバグレーティング部を、第1薄板及び第2薄板間に第1ロウ材を介して挟み込んで融着する。(c)工程では、第1薄板の、光ファイバグレーティング部が融着された側とは反対側の面に、第1ロウ材よりも融解温度が低い第2ロウ材を塗布する。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法の実施にあたり、(b)工程は、以下の工程を含むのが好ましい。(b1)工程では、第1薄板及び第2薄板のいずれか一方又は双方の、光ファイバグレーティング部が挟み込まれる部分に、横断面形状がV字状の溝を刻む。(b2)工程では、第1薄板及び第2薄板の双方の、光ファイバグレーティング部と接する側の面に第1ロウ材を塗布する。(b3)工程では、第1薄板及び第2薄板の双方の、第1ロウ材を塗布した面を内側にして、光ファイバグレーティング部を挟み込む。(b4)工程では、第1薄板、第2薄板、及び光ファイバグレーティング部を、第1ロウ材の融解温度より高い温度で加熱して、第1薄板、第2薄板、及び光ファイバグレーティング部を、第1ロウ材で、互いに融着する。
また、この発明の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法の好適実施例によれば、(a)工程は、以下の工程を含むのが良い。(a1)工程では、光ファイバを用意する。(a2)工程では、光ファイバの被覆の一部分を除去する。(a3)工程では、光ファイバの被覆を除去した部分のコア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造を有する光ファイバグレーティング部を設ける。(a4)工程では、光ファイバグレーティング部を金属被膜でコーティングする。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサは、第2ロウ材の融解温度よりも高く、かつ、第1ロウ材の融解温度よりも低い温度で加熱することにより、歪測定対象物に融着させて使用する。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサによれば、歪測定対象物に取り付けるために第2ロウ材を用いるので、有機接着剤を用いる場合に比べて取り付けの所要時間を短くすることができる。また、第2ロウ材の融解温度が、第1ロウ材の融解温度より低いため、歪センサの取り付け時に、第2ロウ材の融解温度より高く、第1ロウ材の融解温度より低い温度で加熱すれば、歪センサが分解しない。また、有機接着剤を使用しないため、有機接着剤の緩衝効果による非線形現象が発生しない。さらに、一般的に耐候性に欠けるといわれる有機接着剤を使用する場合に比べて、耐候性に優れる。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサによれば、第1薄板及び第2薄板の双方の線膨張係数を、光ファイバのクラッドの線膨張係数の3倍以内にすることで、センサの組立若しくは取り付けの時、又は測定時に温度変化が生じても、線膨張係数の差が小さいので、センサ自体の歪も小さい。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサによれば、光ファイバグレーティング部が薄板に刻まれた横断面形状がV字状の溝に固定されているので、光ファイバグレーティング部の任意の横断面を考えた場合、必ず薄板と2点で接している。このため、薄板に対するセンサの位置が正確に位置決めされている。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサによれば、被覆が除去されている光ファイバグレーティング部を金属薄膜でコーティングすることで、ポリイミドでのコーティングに比べて薄い膜厚でも、ポリイミドコーティングの場合と同等の機械強度を保つことができ、そのため、光ファイバグレーティング部での歪伝達特性を高くすることができる。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法によれば、歪測定対象物に取り付けるために第2ロウ材を用いるので、有機接着剤を用いる場合に比べて取り付けの所要時間が短い光ファイバグレーティング歪センサを提供することができる。また、この方法で製造された光ファイバグレーティング歪センサによると、第2ロウ材の融解温度が、第1ロウ材の融解温度より低いため、センサの取り付け時に、第2ロウ材の融解温度より高く、第1ロウ材の融解温度より低い温度で加熱すれば、センサが分解しない。また、有機接着剤を使用しないため、接着剤の緩衝効果による非線形現象が発生せず、さらに、耐候性に優れる光ファイバグレーティング歪センサを提供することができる。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法によれば、光ファイバグレーティング部を薄板に刻まれた横断面形状がV字状の溝に固定することで、光ファイバグレーティング部の任意の断面を考えた場合、必ず薄板と2点で接するようになる。このため、センサの位置が正確に決めることが可能な光ファイバグレーティング歪センサを提供することができる。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法によれば、光ファイバグレーティング部のクラッドの外周を金属薄膜でコーティングすることで、ポリイミドコーティングに比べて薄い膜厚でも、ポリイミドコーティングの場合と同等の機械強度を保つことができ、そのため、光ファイバグレーティング部での歪伝達特性を高くすることができる。
この発明の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法によれば、歪測定対象物に取り付けるために第2ロウ材を用いるので、有機接着剤を用いる場合に比べて取り付けの所要時間を短くすることができる。また、第2ロウ材の融解温度が、第1ロウ材の融解温度より低いため、センサの取り付け時に、第2ロウ材の融解温度より高く、第1ロウ材の融解温度より低い温度で加熱すれば、センサが分解しない。
以下、図を参照して、この発明の光ファイバグレーティング歪センサ及びその製造方法の実施形態について説明するが、構成および配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成の組成(材質)および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。
図1はこの発明の光ファイバグレーティング歪センサ10の構成を説明するための概略図である。光ファイバグレーティング歪センサ10は、光ファイバグレーティング部21を備えた光ファイバ20と、第1薄板30と、第2薄板32と、第1ロウ材及び第2ロウ材(いずれも、図1中では図示しない)とを備えて構成される。
図2を参照して、光ファイバグレーティング部21への周期的屈折率分布構造の形成方法について説明する。図2(A)〜(D)は、光ファイバグレーティング部21への周期的屈折率分布構造の形成方法を説明するための工程図である。
光ファイバグレーティング歪センサに用いられる光ファイバとして、被覆部分を含む外径が約200μmのシングルモード石英ガラス光ファイバ20を用意する。標準的なシングルモード石英ガラス光ファイバを用いた場合は、コア25の外径は約10μmで、クラッド26の外径は125μm程度である(図2(A)参照。)。
この光ファイバの被覆24の一部を光ファイバの軸に沿って15〜20mmの長さで除去する。光ファイバの被覆24が除去されてクラッド26が露出した部分を光ファイバグレーティング部21とする(図2(B)参照。)。この被覆24が除去される部分の軸方向の長さは、光ファイバグレーティング歪センサの大きさ、及び、反射光の強度の設定に依存する。
被覆が除去されて露出した部分のコア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造22を形成する。尚、以下の構成例ではコア25に周期的屈折率分布構造22を形成する例につき説明する(図2(C)参照。)。
周期的屈折率分布構造22の形成方法には、周知の通り、例えば、紫外線照射による方法がある。周期的屈折率分布構造22を形成するために、ゲルマニウム添加石英ガラスのコアを用いて形成された光ファイバを用いる。この光ファイバに、回折格子上から紫外線を照射し、回折格子を介して干渉縞を書き込む。なお、周期的屈折率分布構造22の形成方法は、この方法に何ら限られるものではない。
光ファイバグレーティング部21及び光ファイバグレーティング部21の近傍の被覆部分をニッケルメタルコーティングする(図2(D)参照。)。コーティング方法には、周知の通り、蒸着方式または無電界ニッケルメッキ方式などがある。ニッケルメタルコーティングでは、コーティング部分である金属被膜28の厚みが1μm程度であっても、10〜15μm厚程度のポリイミドコーティングと同等の機械強度を得ることができる。コーティング部分の厚みが小さいほど、光ファイバグレーティング部の歪伝達特性は高くなるので、ニッケルメタルコーティングを用いた場合、ポリイミドコーティングと同等の機械強度で、ポリイミドコーティングよりも歪伝達特性が良くなる。
図3を参照して、光ファイバグレーティング歪センサ10の製造方法について説明する。図3(A)〜(D)は、光ファイバグレーティング歪センサ10の製造方法を説明するための工程図である。以下、光ファイバの軸、すなわち長尺方向に垂直な断面(横断面)において、コア25、クラッド26及び金属被膜28を光ファイバグレーティング部21と称することもある。
この光ファイバグレーティング部21を、線膨張係数1.1×10-6/℃を持っているインバー材(Ni―Fe合金)から成る第1薄板30と第2薄板32で挟み込む(図3(A)参照。)。インバー材の線膨張係数は、石英ガラス光ファイバの線膨張係数0.4×10-6/℃の3倍程度である。ここで、第1薄板30及び第2薄板32の材質は、線膨張係数が、光ファイバの線膨張係数に近い(光ファイバの線膨張係数の3倍以内の)金属材料であれば良く、従って、インバー材に限られない。2枚の薄板の厚さは、薄すぎると機械的強度を保てず、また、厚すぎると歪伝達特性を阻害することから100〜500μmの厚みとするのが好適である。
光ファイバグレーティング部21を挟む第1薄板30及び第2薄板32の、それぞれの内側の面38及び40、すなわち、第1薄板30及び第2薄板32の、光ファイバグレーティング部と接する面に、深さ90μm程度の、横断面形状がV字状の溝34及び36を形成する。このV字状の溝は、光ファイバの長尺方向に沿って、光ファイバを嵌合して固定できるように形成される。すなわち、この溝の深さは、V字状の溝34及び36を合わせたときに、光ファイバグレーティング部がその内部に含まれる大きさである(図3(B)参照。)。光ファイバグレーティング部を薄板に固定する際に、V字状の溝にはまるように固定する。このようにすることにより、光ファイバグレーティング部を後述するロウ材で融着させると、光ファイバグレーティング部の外側面がV字状の溝の両壁面に対して線接触して薄板と接するようになる。このため、薄板に対する光ファイバグレーティング部の位置を、正確に決めることができる。なお、ここでは、V字状の溝を第1薄板30と第2薄板32の双方に設けたが、第1薄板30又は第2薄板32のどちらか一方だけに設けても良い。どちらか一方だけにV字状の溝を設ける場合には、V字状の溝の深さは、溝を双方に設ける場合の2倍程度必要となり、深さは例えば180μm程度となる。なお、ここでの溝の深さは、光ファイバグレーティング部21の径、及びV字状の溝の形状に依存して決まるものである。また、溝の形状は、薄板に対する光ファイバグレーティング部21の位置の精度が厳しく要求されないときは、設計に応じて、V字状以外の横断面形状も可能である。
第1薄板30及び第2薄板32の、光ファイバグレーティング部21と接する面、すなわちV字状の溝が刻まれた面38及び40に、第1ロウ材50を印刷等で塗布する。(図3(C)参照。)光ファイバグレーティング部21を、2枚の薄板30及び32それぞれの、第1ロウ材50を塗布した面38及び40を内側にして、挟んだ状態で加熱することによってシート状の歪センサ10を形成する。光ファイバグレーティング部21は、第1薄板30及び第2薄板32に設けられたV字状の溝34及び36に取り付けられる(図3(D)参照。)。なお、ここでは、第1ロウ材50を第1薄板30と第2薄板32の双方に塗布したが、第1薄板30及び第2薄板32のいずれか一方だけに塗布しても良い。
図4は、光ファイバグレーティング歪センサ10の構造を説明するための図である。図4(A)は、光ファイバグレーティング歪センサ10の概略的平面図である。図4(B)は、図4(A)のA−A線に沿って取った断面の切り口を示す図である。図4(C)は、図4(A)のB−B線に沿って取った断面の切り口を示す図である。第1薄板30の面であって、光ファイバグレーティング部21が融着されている面38とは反対側の面42に、第2ロウ材52が塗布されている。
光ファイバグレーティング歪センサ10の取り付けは、第1薄板30の第2ロウ材52が塗布されている面42を測定対象物に接するように固定しておいて、加熱することによって行う。加熱を停止すれば第2ロウ材52は即座に硬化を始め、数十秒から数分で光ファイバグレーティング歪センサ10の取り付けが終了する。
第1薄板30の外面42に塗布する第2ロウ材52は、この薄板30の内面に塗布した第1ロウ材50の融解温度(第1融解温度ともいう。)より低い融解温度(第2融解温度ともいう。)を有するものとする。これにより、測定対象物に取り付ける際に、第2融解温度より高く、かつ、第1融解温度より低い温度で、加熱することで光ファイバグレーティング歪センサを分解させずに、測定対象物への取付けが可能となる。第1薄板及び第2薄板の材質として、インバー材など線膨張係数が石英ガラスと同程度の材質を薄板に選ぶことにより、光ファイバグレーティング歪センサの形成及び測定対象物への取付け時の加熱の影響で、光ファイバグレーティング歪センサ自体が歪むことを防ぐことができる。第1ロウ材50及び第2ロウ材52は、金‐スズ合金(AuSn合金)の低温はんだを用いれば良く、例えば、第1ロウ材50として、金80重量%及びスズ20重量%のAuSn合金材料を用いれば、融点は、278℃であり、第2ロウ材52として、金10重量%及びスズ90重量%のAuSn合金材料を用いれば、融点は、217℃である。このように第1ロウ材50及び第2ロウ材を選べば、光ファイバグレーティング歪センサの製造時には、310℃で加熱し、また、光ファイバグレーティング歪センサの測定対象物への取り付け時には、250℃で加熱すれば良い。
この発明による光ファイバグレーティング歪センサの実施の形態の構成を示す概略図である。 光ファイバグレーティング部の形成方法の一例を説明する工程図である。 光ファイバグレーティング歪センサの製造方法の実施の形態を説明する工程図である。 光ファイバグレーティング歪センサの実施の形態の構造を説明するための図である。(A)は、光ファイバグレーティング歪センサの概略的平面図、(B)は、(A)のA−A線に沿って取った断面の切り口を示す図、及び、(C)は、(A)のB−B線に沿って取った断面の切り口を示す図である。
符号の説明
10 歪センサ
20 光ファイバ
21 光ファイバグレーティング部
22 周期的屈折率分布構造
24 光ファイバの被覆
25 光ファイバのコア
26 光ファイバのクラッド
28 金属被膜
30 第1薄板
32 第2薄板
34 第1薄板の光ファイバグレーティング部が融着される部分に刻まれたV字の溝
36 第2薄板の光ファイバグレーティング部が融着される部分に刻まれたV字の溝
38 第1薄板の光ファイバグレーティング部が融着される側の面
40 第2薄板の光ファイバグレーティング部が融着される側の面
42 第1薄板のV字の溝の無い面
50 第1ロウ材
52 第2ロウ材

Claims (7)

  1. コア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造が形成された光ファイバグレーティング部を備えた光ファイバと、第1薄板と、第2薄板と、第1ロウ材と、第2ロウ材とを備えて構成され、
    前記光ファイバグレーティング部は、前記第1薄板及び前記第2薄板間に前記第1ロウ材で融着されており、
    前記第1薄板の、前記光ファイバグレーティング部が融着された側とは反対側の面に、前記第2ロウ材が塗布されており、
    前記第2ロウ材の融解温度は、前記第1ロウ材の融解温度より低いことを特徴とする光ファイバグレーティング歪センサ。
  2. 前記第1薄板及び前記第2薄板の双方の線膨張係数が、光ファイバのクラッドの線膨張係数の3倍以内であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバグレーティング歪センサ。
  3. 前記第1薄板及び前記第2薄板のいずれか一方又は双方の、前記光ファイバグレーティング部が融着される部分には、横断面形状がV字状の溝が刻まれており、
    前記光ファイバグレーティング部は前記溝に固定されていることを特徴とする請求項1又は2記載の光ファイバグレーティング歪センサ。
  4. 前記光ファイバグレーティング部は金属薄膜でコーティングされていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光ファイバグレーティング歪センサ。
  5. コア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造が形成された光ファイバグレーティング部を備えた光ファイバと、第1薄板と、第2薄板と、第1ロウ材と、第2ロウ材とを備えて構成される光ファイバグレーティング歪センサの製造にあたり、
    (a)光ファイバのコア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造が形成された光ファイバグレーティング部を備える光ファイバを用意する工程と、
    (b)前記光ファイバグレーティング部を、前記第1薄板及び前記第2薄板間に前記第1ロウ材を介して挟み込んで融着する工程と、
    (c)前記第1薄板の、前記光ファイバグレーティング部が融着された側とは反対側の面に、前記第1ロウ材よりも融解温度が低い前記第2ロウ材を塗布する工程と
    を含むことを特徴とする光ファイバグレーティング歪センサの製造方法。
  6. 前記(b)工程は、
    (b1)前記第1薄板及び前記第2薄板のいずれか一方又は双方の、前記光ファイバグレーティング部が挟み込まれる部分に、横断面形状がV字状の溝を刻む工程と、
    (b2)前記第1薄板及び前記第2薄板の双方の、光ファイバグレーティング部と接する側の面に第1ロウ材を塗布する工程と、
    (b3)前記第1薄板及び前記第2薄板の双方の、前記第1ロウ材を塗布した面を内側にして、前記光ファイバグレーティング部を挟み込む工程と、
    (b4)前記第1薄板、前記第2薄板、及び前記光ファイバグレーティング部を、前記第1ロウ材の融解温度より高い温度で加熱して、前記第1薄板、前記第2薄板、及び前記光ファイバグレーティング部を、該第1ロウ材で、互いに融着する工程と
    を含むことを特徴とする請求項5記載の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法。
  7. 前記(a)工程は、
    (a1)光ファイバを用意する工程と、
    (a2)光ファイバの被覆の一部分を除去する工程と、
    (a3)光ファイバの被覆を除去した部分のコア及びクラッドのいずれか一方又は双方に周期的屈折率分布構造を有する光ファイバグレーティング部を設ける工程と、
    (a4)該光ファイバグレーティング部を金属被膜でコーティングする工程と
    を含むことを特徴とする請求項5又は6記載の光ファイバグレーティング歪センサの製造方法。
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