基于D形光纤的柔性传感器研究.pdf

摘要

随着现代光纤技术的兴起与迭代，光纤传感技术也逐步走进人类的日常生活。相较于电

传感器件，光纤传感器具有质量轻体积小、抗电磁干扰、快速响应、灵敏度高的优势。D形

光纤，顾名思义就是横截面呈字母“D”样式的光纤。它作为新兴的光纤传感基底，因其本身

具有强倏逝场、制作工艺简单、插入损耗可控、易与功能性材料结合的特性，近些年来成为

各国学者的研究热点。虽然对D形光纤的传感研究已取得很大的进展，但其本身固有的传感

结构易于断裂、交叉敏感、抛磨面与水平面夹角不易控制等问题难以解决。本文通过将D形

光纤与柔性材料PDMS相结合的方式，以提高D形光纤的柔韧性，提出一种新型的光纤柔性

传感器。基于此，本文分别研究了基于PDMS薄膜的D形光纤多参量传感器、基于D形光纤

的柔性传感以及基于双芯-D形光纤的多参量传感器。主要研究内容如下：

提出了一种基于PDMS薄膜的D形光纤多参量传感器。首先，使用光纤抛磨系统将单模

光纤加工为改进的D形光纤，激发多模干涉。然后，通过提拉-镀膜的方法将改进的D形光

纤封装到微米级厚度的PDMS薄膜中，以提供保护和稳定的折射率环境。由于D形光纤的天

然的非对称结构，该传感器可以辨别两个弯曲方向，并且具有高灵敏度，包括曲率灵敏度（2.66

dB/m-1）、温度灵敏度（0.344nm/°C）和应力灵敏度（0.26pm/με）。接着，基于该传感器，提

出了基于D形光纤的柔性传感器，用于动态弯曲的实时监测，并且在速度传感和位移传感方

面具有潜力。此外，对该传感器进行了弯曲试验，证实了它的稳定性和可重复性，并且将其

应用于人体手指和手腕的弯曲，可以实现手指和手腕弯曲幅度的检测和辨别手腕的弯曲方向。

本研究旨在探究基于双芯-D形光纤的多参量传感器。实验中，首先将一段双芯光纤的两

端与单模光纤相熔接，利用马赫曾德干涉效应，可以观察到该结构的透射光谱中存在消光比

大约15dB的干涉谷。然后使用光纤抛磨系统对双芯光纤进行部分抛磨，使抛磨面破坏一个

纤芯，通过改变外界环境的有效折射率来操控两个纤芯的光程差，以实现传感目的。实验结

果表明，在折射率n变化范围为1.344~1.375时，该结构的最大折射率响应为188.06nm/RIU；

在曲率变化范围为0~2.56m-1时，传感器不仅可以辨别正、负两个弯曲方向，而且最大曲率

灵敏度达到了0.221dB/m-1。此外，该传感器还表现出极低的温度灵敏度。该结构具有实现柔

性传感功能的潜力。

关键词:D形光纤，PDMS，多模干涉，曲率传感，柔性传感

Abstract

Withtheemergenceanditerationofmodernfiberoptictechnology,fiberopticsensingtechnology

hasgraduallyenteredthedailylifeofhumanbeings.D-shapedopticalfiber,asthenameimplies,is

anopticalfiberwithacross-sectioninthestyleoftheletterD.Asanemergingopticalfibersensing

substrate,ithasbecomeahotresearchtopicinrecentyearsbecauseofitsstrongswiftfield,simple

fabricationprocess,controllableinsertionloss,andeasycombinationwithfunctionalmaterials.

AlthoughgreatprogresshasbeenmadeinsensingresearchonD-shapedopticalfiber,itsinherent

problemssuchaseasyfractureofsensingstructure,cross-sensitivity,anddifficultyincontrollingthe

anglebetweenthe