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基于热致变形的光纤扭转传感器制备与传感特性研究

摘要

光纤传感器是一种新型传感器件，近年来获得了学者们的广泛关注与应用。由于其

具有体积小、重量轻、灵敏度高、结构稳定和抗电磁干扰等优势，无论是在日常生活还

是军事国防等领域均有应用需求。随着材料科学与先进加工工艺的发展，出现了各种光

纤传感器制备方法，例如飞秒激光加工、离子束刻蚀、氢氟酸腐蚀、机械研磨和热致变

形等。其中热致变形法制备的光纤传感器，由于操作简单、成本低等优势受到研究者们

的喜爱。光纤传感器的灵敏度和扭转方向判别是备受关注的性能指标，而大多传统光纤

扭转传感器因结构对称而对扭转较不敏感且不能判别扭转方向。为解决这一问题，本研

究使用热致变形方法将特种光纤与螺旋锥结构结合，分别制备了基于马赫曾德干涉和多

模干涉的扭转传感器，并对其制备方法、传感原理与传感特性进行了分析与研究。

使用石墨加热式热致变形装置，制备了基于七芯光纤螺旋锥的新型马赫曾德干涉仪

光纤扭转传感器。对传感器的传感原理进行了理论分析与仿真。随后对传感器的传感特

性进行了实验探究，并探究了传感长度、锥腰直径以及螺距对于传感特性的影响。在七

芯光纤螺旋锥结构的锥腰为直径68μm时，在0-14.15rad/m的扭转率范围内，顺时针方向

扭转灵敏度为2.253nm/(rad/m)，温度灵敏度为36pm/℃。锥腰直径减小至48μm时，该传

感器的最大扭转灵敏度可实现5.391nm/(rad/m)。本传感器的传感部分总长3.8mm，具有

高灵敏度、结构紧凑和可判别扭转方向等优点。

七芯光纤中干涉模式因材料不同，热光和热胀系数不同，光谱对温度存在响应。为

了进一步降低温度串扰，使用自制的CO激光加热式热致变形装置，制作了基于多模干

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涉的方芯光纤螺旋锥结构用于扭转测量。结构具有高扭转灵敏度、可判向、结构稳定且

对周围环境参量几乎不敏感的特点。在锥腰直径为70μm时，传感器最大扭转灵敏度为

2.611nm/(rad/m)，相较于热致变形处理前，扭转灵敏度提高了约15倍。在锥腰直径为85

μm时，在0-16.76rad/m扭转率范围内，扭转灵敏度为1.517nm/(rad/m)，温度灵敏度为16

pm/℃。在最后研究了锥腰直径与扭转灵敏度和测量范围之间的关系。

使用热致变形的方法，分别制作了基于马赫曾德干涉和多模干涉的两种光纤螺旋锥

结构用于扭转测量。二者性能优异且各具特点，在扭转测量中实际应用面广泛。对光纤

螺旋锥在光纤扭转传感器中的进一步应用，具有一定的借鉴意义。

关键词：光纤扭转传感器；马赫曾德干涉；多模干涉；七芯光纤；方芯光纤

基于热致变形的光纤扭转传感器制备与传感特性研究

Abstract

Fiberopticsensorisanewtypeofsensorwhichhasbeenwidelyappliedinrecentyears.

Duetotheadvantagesofsmallsize,lightweight,highsensitivity,structuralstabilityand

electromagneticinterferenceresistance,opticalfibersensorisappliedindailylifeandmilitary

defenseandotherfields.Withthedevelopmentofmaterialscienceandadvancedprocessing

technology,variousopticalfibersensorpreparationmethodshaveappeared,suchas

femtosecondlaserprocessing,ionbeametching,hydrofluoricacidcorrosion,mechanical

grindingandthermaldeformation.