随着现代精密加工和极端制造工业的发展，对具有高深径比的微内结构特征的产品需求日益迫切。然而对此类结构尺度和形貌的检测精度远不能满足加工的需要，微深内尺度检测已经成为制约精密加工的主要障碍。目前，三坐标测量机配合探针传感器的测量手段被认为是微深内尺度高精度测量最有效的方法之一。对于微内结构测量用的探针，国外技术基本都各成体系，且也都处于研究探索和发展阶段。对于应用于微内结构测量的光纤传感器大多是以解决实际应用问题为主，而对其传感器机理的研究都相对较少，国内在此方面基本处于空白状态。本论文针对应用于微内结构测量的双光纤耦合传感器，对其传感特性进行了深入的理论分析和性能验证，针对其现有的性能缺陷提出了有效的改进手段，并研制了新型的双光纤耦合传感器。论文的主要研究内容如下：1.分析了双光纤耦合传感器的机械传感特性和频率特性。建立了悬臂梁模型，通过模型分析得到了双光纤耦合传感器的传感特性函数和位移放大倍率函数，并分析了提高传感器灵敏度的方法，计算了传感器的理论分辨力为24nm。建立了传感器固有频率模型，并分别对横纵两个方向固有频率进行了分析。同时加工了不同参数结构的双光纤耦合传感器，通过实验验证了其机械传感特性分析的有效性。2.分析了双光纤耦合传感器内部光场分布，通过全尺寸3D-FDTD仿真获得了双光纤耦合传感器内部光能传输特性和影响光能耦合效率的主要因素；并由此建立了光能耦合传输的简化模型，通过优化计算和耦合效率实验得到：当双光纤入射光纤直径与耦合球直径比为0.36~0.48时光能耦合效率较优，为获得具有高光能耦合效率的传感器提供了理论基础。3.通过实验验证了双光纤耦合传感器各项性能，其空间分辨力为40nm，静态输出图像的质心稳定性分别为1.96pixel(X向)和0.57pixel(Y向)。分析了其现有的性能缺陷，并提出了在出射光纤端面加工微结构的方法来改善双光纤耦合传感器的性能。并从理论分析和仿真实验两个方面对光纤端面微结构进行了性能仿真，提出了有效的微结构。4.加工了出射光纤端面微结构并完成了其对光束整形能力的验证实验。使用带有端面微结构的光纤加工了新型双光纤耦合传感器，并对新型传感器性能进行了测试，其静态输出图像的质心稳定性分别为0.40pixel和0.39pixel，较之前分别提升390%和46%；其空间分辨力为30nm，较之前提升33%，进而证明了新型双光纤耦合传感器性能的提升。