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近年来，为了满足航空航天领域对现代飞行器提出兼具多种气动外形的需求，柔性蒙皮因其可以改变飞行器外形结构而得到国内外的广泛关注。通过改变飞行器柔性蒙皮的外形能够获得所需的气动特性，从而提高飞行器的性价比。在智能柔性机翼连续变体过程中，形变和飞行环境监测信息的获取与反馈是实现智能蒙皮的瓶颈之一。
本论文以单螺旋和多螺旋扭转结构为核心，设计制作了多种结构的光纤传感器实现了可判别方向扭转、矢量弯曲、气压、湿度等传感量的测量。在不同光纤结构的基础上通过增敏处理研究了若干新颖功能应用，扩展了扭转型光纤传感器的用途。具体工作包括以下几个方面:
首先，针对多芯光纤光栅阵列制备效率低的问题，采用离焦相位掩模制备方法在多芯光纤上制备光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)。在边芯三角形排布的四芯光纤（Triangular four core fiber，TFCF）上制备了FBG阵列。对TFCF FBG阵列的矢量弯曲、温度、应变和扭转等传感特性进行了研究。为了增强TFCF FBG的扭转传感能力，在TFCF上制备了大螺距单螺旋扭转结构，在扭转区域制备FBG并对扭转型TFCF FBG样品进行了可判别方向扭转、矢量弯曲、温度、应变等物理量的传感测量。
其次，提出离心扭转变形区域(Off-axis twisted deformation，OATD)作为光分束器和合束器，基于一对OATD构建了马赫-增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)并实现了可分辨方向的扭转和应变的同时测量。实验结果显示，OATDs-MZI样品具有非常好的扭转和应变分辨率，其扭转和应变分辨率分别为±0.0611rad/m和±0.8232με。在OATDs-MZI两个形变点之间的单模光纤（Single mode fiber，SMF）包层上采用飞秒激光蚀刻了微槽进行气压传感。基于空气微槽的OATDs-MZI的气压灵敏度为-5.183nm/MPa，温度交叉灵敏度为13.3kPa/℃。在OATDs-MZI两个形变点之间SMF的纤芯中采用飞秒激光蚀刻了微腔进行相对湿度(Relative humidity，RH)的传感。在不使用任何湿度敏感材料的情况下，样品的湿度灵敏度为-0.144nm/％RH，并且可以实现约68ms的超快湿度响应。
再次，提出了一种基于离心多螺旋扭转结构的长周期光纤光栅(Off-axis spiral long period fiber grating，OAS-LPFG)，分析了OAS-LPFG模式耦合的偏振依赖特性。对OAS-LPFG样品的扭转、温度、应变、弯曲等传感特性进行了研究。在等螺距离心多螺旋扭转结构的基础上提出了一种基于变螺距离心多螺旋扭转结构（Varible pitch off-axis spiral structure，VPOASS)的啁啾长周期光纤光栅，在VPOASS表面镀制金膜，然后沉积二硫化钨(Tungsten disulfide，WS2)纳米材料制备了一种用于乙醇蒸汽浓度光纤表面等离子共振(Surface plasmon resonance，SPR)传感器。通过监测多个共振波谷的损耗强度，可以对乙醇蒸汽浓度、湿度和温度同时进行测量，其分辨率分别为±0.030mg/L、±0.035％RH和±0.010℃。
最后，针对大部分干涉型扭转传感器灵敏度不高和不能判别扭转方向的问题，提出了一种基于混合级联结构的可分辨扭转方向的高灵敏度光纤扭转传感器。高扭转灵敏度是由于多模干涉仪(Multimode interfcrometer，MMI)和多螺旋结构辅助的MZI之间存在空间频率差而产生的游标效应。利用逆快速傅里叶变换(Inverse fast Fourier transform，IFFT)恢复包络光谱。基于SMF、多模光纤（Multi-mode fiber，MMF）和TFCF的混合级联结构存单端应用中非常困难，为了解决上述问题，基于SMF、MMF和TFCF提出了一种迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer，MI)。在上述MI的基础上提出了一种基于明胶涂覆螺旋扭转结构增敏的光纤湿度探针。在基于SMF-MMF-TFCF-MMF-SMF(SMTMS)混合级联结构的基础上，提出了一种基于多螺旋扭转结构辅助和氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)涂覆的湿度传感器，并对其进行了实验验证。
本文以扭转结构为基础提出了多种光纤结构，实现了智能柔性蒙皮形变传感和飞行环境监测，为智能柔性蒙皮的实现提供了技术储备。
本论文以单螺旋和多螺旋扭转结构为核心，设计制作了多种结构的光纤传感器实现了可判别方向扭转、矢量弯曲、气压、湿度等传感量的测量。在不同光纤结构的基础上通过增敏处理研究了若干新颖功能应用，扩展了扭转型光纤传感器的用途。具体工作包括以下几个方面:
首先，针对多芯光纤光栅阵列制备效率低的问题，采用离焦相位掩模制备方法在多芯光纤上制备光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)。在边芯三角形排布的四芯光纤（Triangular four core fiber，TFCF）上制备了FBG阵列。对TFCF FBG阵列的矢量弯曲、温度、应变和扭转等传感特性进行了研究。为了增强TFCF FBG的扭转传感能力，在TFCF上制备了大螺距单螺旋扭转结构，在扭转区域制备FBG并对扭转型TFCF FBG样品进行了可判别方向扭转、矢量弯曲、温度、应变等物理量的传感测量。
其次，提出离心扭转变形区域(Off-axis twisted deformation，OATD)作为光分束器和合束器，基于一对OATD构建了马赫-增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)并实现了可分辨方向的扭转和应变的同时测量。实验结果显示，OATDs-MZI样品具有非常好的扭转和应变分辨率，其扭转和应变分辨率分别为±0.0611rad/m和±0.8232με。在OATDs-MZI两个形变点之间的单模光纤（Single mode fiber，SMF）包层上采用飞秒激光蚀刻了微槽进行气压传感。基于空气微槽的OATDs-MZI的气压灵敏度为-5.183nm/MPa，温度交叉灵敏度为13.3kPa/℃。在OATDs-MZI两个形变点之间SMF的纤芯中采用飞秒激光蚀刻了微腔进行相对湿度(Relative humidity，RH)的传感。在不使用任何湿度敏感材料的情况下，样品的湿度灵敏度为-0.144nm/％RH，并且可以实现约68ms的超快湿度响应。
再次，提出了一种基于离心多螺旋扭转结构的长周期光纤光栅(Off-axis spiral long period fiber grating，OAS-LPFG)，分析了OAS-LPFG模式耦合的偏振依赖特性。对OAS-LPFG样品的扭转、温度、应变、弯曲等传感特性进行了研究。在等螺距离心多螺旋扭转结构的基础上提出了一种基于变螺距离心多螺旋扭转结构（Varible pitch off-axis spiral structure，VPOASS)的啁啾长周期光纤光栅，在VPOASS表面镀制金膜，然后沉积二硫化钨(Tungsten disulfide，WS2)纳米材料制备了一种用于乙醇蒸汽浓度光纤表面等离子共振(Surface plasmon resonance，SPR)传感器。通过监测多个共振波谷的损耗强度，可以对乙醇蒸汽浓度、湿度和温度同时进行测量，其分辨率分别为±0.030mg/L、±0.035％RH和±0.010℃。
最后，针对大部分干涉型扭转传感器灵敏度不高和不能判别扭转方向的问题，提出了一种基于混合级联结构的可分辨扭转方向的高灵敏度光纤扭转传感器。高扭转灵敏度是由于多模干涉仪(Multimode interfcrometer，MMI)和多螺旋结构辅助的MZI之间存在空间频率差而产生的游标效应。利用逆快速傅里叶变换(Inverse fast Fourier transform，IFFT)恢复包络光谱。基于SMF、多模光纤（Multi-mode fiber，MMF）和TFCF的混合级联结构存单端应用中非常困难，为了解决上述问题，基于SMF、MMF和TFCF提出了一种迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer，MI)。在上述MI的基础上提出了一种基于明胶涂覆螺旋扭转结构增敏的光纤湿度探针。在基于SMF-MMF-TFCF-MMF-SMF(SMTMS)混合级联结构的基础上，提出了一种基于多螺旋扭转结构辅助和氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)涂覆的湿度传感器，并对其进行了实验验证。
本文以扭转结构为基础提出了多种光纤结构，实现了智能柔性蒙皮形变传感和飞行环境监测，为智能柔性蒙皮的实现提供了技术储备。