多维力传感器是指可同时探测两个或两个以上方向力/力矩的传感器,被广泛应用于智能机器人、机械装配、汽车制造以及医疗等领域。全光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)是一种全光纤干涉结构,在应力传感方面具有灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性好等优点,因此,设计一种结构简单,敏感元件为纤芯失配光纤结构的三维力传感器具有十分重要的意义。本文将单模光纤(Single-mode fiber,SMF)-多模光纤(Multimode fiber,MMF)-小芯径光纤(Thin-core fiber,TCF)-单模光纤(SMTS)构成的全光纤MZI传感结构,与轮辐式结构相结合,构建了一种纤芯失配光纤结构的三维力传感器,通过理论与实验相结合的研究方法对其进行了研究,主要研究内容如下:1、综述了多维力传感器的国内外发展现状,并进一步介绍了以光纤为敏感元件的多维力传感器的研究状况。2、对全光纤MZI传感器的工作机制进行介绍,结合纤芯失配光纤结构的应变传感模型,分析了其应力传感原理。3、对传感器弹性体结构进行优化设计。利用有限元分析软件ANSYS Workbench对三维力传感器的弹性体进行静力学仿真分析,对传感器受到空间中三个相互垂直方向的单维力时的应变情况进行仿真模拟,仿真结果表明:当传感器受到x方向单维力时,沿y方向的一组梁的上表面中心线位置的应变值始终为零,而沿x方向的一组梁的上表面中心线应变的值始终相等,但符号相反,中心长方体附近区域产生的应变值最大;当传感器受到z方向单维力时,四个梁上表面的应变曲线高度重叠,这表明四个梁上表面的应变分布相同。4、在ANSYS Workbench仿真模拟的基础上,设计并制作了基于纤芯失配光纤结构的多维力传感器。在传感器对应位置粘贴SMTS光纤结构,搭建实验测试系统,分别对传感器在空间中三个相互垂直的方向进行性能测试,实验结果表明:在外力作用时,该传感器具有良好的线性度和重复性;x、y、z三个方向的灵敏度分别为:2pm/N,1.9pm/N 和 1.6pm/N。5、结合传感器性能测试的结果,分别采用基于线性标定的解耦算法、最小二乘法,对该三维力传感器受到z方向单维力时的标定数据进行解耦。选取实验标定的一组数据分别用两种方法进行解耦,解耦结果显示基于线性标定的解耦算法比最小二乘法在单一方向力测量时更接近实际值,数据的解耦性能更好。故本传感器选取基于线性标定的解耦算法进行解耦。最后在Matlab app中编写可应用于三维力传感器的程序,形成与多维力传感网数据对应的软件显示界面。