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方向性弯曲传感在建筑、飞行器等结构的健康监测、机器人位姿传感、智能材料内部形变测量等诸多领域都有非常重要的现实意义。由于光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、传输损耗小、重量轻、造价低、易于复用成网以及可埋入性等优点而得到许多研究者的青睐。布拉格光纤光栅(FBG)作为一种非常重要的传感元件,也广泛应用在光纤传感的许多领域。本文在研究偏芯光纤(eccentric-core fiber,ECF)光栅及多芯光纤(multi-core fiber,MCF)光栅等特种光纤光栅制作及传感特性基础上,提出了若干种结构的FBG弯曲传感器,可用来实现各种不同功能的方向性弯曲传感。论文的主要内容如下:1.利用模式耦合理论(coupled-mode theory,CMT),对MCF的传输特性进行分析,并详细分析了双芯光纤(twin-core fiber)的传输特性;利用模式耦合理论和功率耦合理论(coupled-power theory,CPT)对弯曲状态下的多芯光纤传输特性进行了分析。2.介绍利用248 nm的紫外(UV)激光器和相位掩模法在偏芯光纤、双芯光纤和三芯光纤(triple-core fiber)上写入光栅的方法,通过对不同写入方向下制作得到的光栅特性参数进行分析,研究不同的写入方向对于光纤光栅特性参数的影响。3.在研究偏芯光纤FBG和双芯FBG弯曲特性的基础上,利用偏芯光纤FBG和双芯FBG在不同的弯曲方向上具有不同的弯曲敏感特性,提出了四种复合结构的一维方向性弯曲传感器,从理论上对其传感原理进行了分析,并对其传感特性进行了实验测量。提出的四种结构包括:(1)偏芯光纤FBG与普通单模光纤光栅(sing-mode fiber,SMF)级联的传感器,这种传感器可用于实现消除轴向应变影响的一维方向性绝对弯曲传感。这种传感器又包含两种结构,一种是在偏芯光纤和SMF熔接点两侧分别写入两个FBG的结构,另一种是在偏芯光纤和SMF的熔接点上一次性写入两个FBG。(2)双芯FBGs一维方向性弯曲传感器。该传感器可以消除温度和轴向应变对弯曲的交叉敏感,并且,其灵敏度为相同材料、相同几何结构、相同偏芯距离的偏芯光纤FBG的二倍。(3)在一个偏芯光纤上写入两个偏芯光纤FBG,串接形成Fabry-Perot(F-P)干涉仪。该干涉仪具有与偏芯光纤FBG相似的一维弯曲敏感特性,可以用于一维方向性弯曲测量,如果将偏芯光纤F-P腔涂覆或粘贴一层其他材料涂层或基质,则F-P干涉仪与FBG将具有不同的应变灵敏度和温度灵敏度,即可用于一维弯曲和温度同时传感,或轴向应变和温度同时传感。(4)偏芯光纤FBG与空气腔F-P干涉仪级联的传感器结构,可用于一维方向性弯曲与温度的同时传感。单独使用偏芯光纤空气腔F-P干涉仪还可以作为消除温度敏感的一维方向性弯曲传感器。4.基于偏芯光纤光栅和三芯光纤光栅的两种结构的二维方向性弯曲传感器,对其传感原理进行了理论分析,并实验测量了其二维方向性弯曲敏感特性。提出的两种结构包括:(1)将两个偏芯光纤FBG保持其偏芯方向相互垂直级联的结构。利用两个偏芯光纤FBG在不同的弯曲方向上具有不同的弯曲敏感特性,从而实现二维方向性弯曲传感。(2)三芯光纤光栅二维方向性弯曲传感器。该传感器可以消除轴向应变和温度对弯曲测量的交叉敏感。5.利用偏芯光纤的非对称结构,提出两种基于偏芯光纤的Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪结构,可用于一维弯曲、折射率、或者温度测量。两种结构包括:(1)将偏芯光纤两端与两段SMF错芯熔接,从而构成基于纤芯模和包层模干涉的M-Z干涉仪,利用该干涉仪,可以实现一维弯曲、折射率、或者温度的测量,并且该结构一维弯曲传感器具有远高于偏芯光纤FBG的弯曲灵敏度。(2)偏芯光纤FBG和偏芯M-Z干涉仪级联的结构,利用偏芯光纤FBG对于温度敏感,而对于折射率不敏感,而偏芯M-Z干涉仪对于折射率和温度同时敏感的特性,可以同时测量温度和环境折射率。