在桥梁、隧道、边坡等工程中，倾斜变形是结构健康监测的关键指标。传统的电容式、电感式倾角传感器虽应用广泛，但在潮湿、强电磁干扰的现场环境下，长期稳定性往往难以保证。光纤布拉格光栅（FBG）传感器具备抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程传输等先天优势，然而现有FBG倾角传感器大多只能测量单轴倾斜，且在高灵敏度与宽量程之间难以兼顾------灵敏度高了量程就小，量程大了灵敏度又不够。
如何让一根光纤同时感知两个方向的倾斜，还要测得更准、辨得更细？为此，本研究研发了一项创新成果：基于增敏型等强度梁 （SESM）的高灵敏度空间二维FBG倾角传感器。该传感器采用凸台 凹槽结构将应变响应"放大"，并通过两个正交SESM配合差分信号处理，实现了双轴同步测量、温度自补偿。相关成果已发表于国内传感领域重要期刊。
一、凸台+凹槽：如何让应变"放大"？
等强度梁弯曲时，表面应变与梁的厚度和光纤粘贴位置密切相关。传统的FBG倾角传感器通常将光纤直接粘贴在梁表面，应变灵敏度有限。为了在不增加梁长度的前提下大幅提升响应，研究团队在等强度梁表面同时设计了凸台 与凹槽结构（见图1）。
图1 基于FBG的增敏型等强度梁结构
凸台将FBG粘贴位置抬高，使光纤到中性轴的有效距离从b增加到b+c（c为凸台高度）；凹槽将梁局部厚度从2b减薄至2(b-d)（d为凹槽深度）。两者共同作用，应变增敏系数η₃为：
可见，凸台越高（c越大）、凹槽越深（d越大），增敏效果越显著。但过高的凸台会导致光纤粘贴失稳，过深的凹槽会引起应力集中。经过有限元仿真与工艺优化，最终确定：原始梁厚度0.8mm、开槽深度d=0.2mm、凸台高度c=0.4mm 时，此时FBG到中性轴的实际距离l=b+c=0.8mm，增敏效果最优且结构可靠。
二、正交双梁+差分信号：二维解耦与温度补偿一步到位
传感器核心由两个结构相同、相互垂直的SESM组成（见图2）。每个SESM的凸台两侧各粘贴一根FBG，共集成4根FBG。质量块质心距凸台为a，质量为m。外壳采用聚碳酸酯（PC）材料，保护内部传感单元。
图2 光纤光栅倾角传感器结构
工作原理 （见图3）：当传感器在xoz平面内倾斜角度θxoz时，质量块重力分力mgsinθ使SESM1弯曲。凸台上侧FBG1受压（波长减小），下侧FBG2受拉（波长增大）。将二者差分（Δλ₂ - Δλ₁），温度引起的波长漂移相互抵消，应变信号加倍。而此时与SESM1垂直布设的SESM2不受弯矩，FBG3、FBG4仅反映温度变化。同理，在yoz平面内倾斜时，SESM2输出差分信号（Δλ₄ - Δλ₃），SESM1保持不变。这一正交结构实现了双轴倾角测量的完全解耦与温度自补偿。
图3 核心传感元件倾角测量
三、实验验证：线性度、重复性、解耦能力、蠕变测试全面达标
3.1 实验方法与设备
首先进行标定实验，采用高精度角位台、FBG解调仪及笔记本电脑（见图4）。
图4 传感器标定实验
3.2 单一平面性能测试
将传感器固定于角位台，进行单一平面状态下的倾角测试，分别在xoz和yoz平面内以5°为步长自0°偏转至±30°，每个工况重复3次，同步记录波长与倾角，测出xoz和yoz平面内差分波长漂移与倾角的关系曲线（见图5）。
图5 平面状态下传感器波长漂移差与角度的变化关系
结果表明：
- xoz平面灵敏度81.234 pm/(°)，yoz平面灵敏度85.235 pm/(°)，线性度均达到0.99979;
- 重复性误差分别为0.843%和0.016%，迟滞性误差为0.158%和0.945%;
- 基于解调仪波长分辨率为1pm，传感器角度分辨率优于0.01°，测量精度分别为0.0246%F.S.和0.0235%F.S.;
两个平面灵敏度存在微小差异（源于加工与粘贴工艺），但在可接受范围内。
3.3 空间二维解耦
为验证空间倾斜时的解耦能力，分别在xoz和yoz平面上固定SESM1和SESM2倾斜5°、15°、25°，探究SESM2和SESM1在不同倾角下的相互影响关系，每组实验重复3次（见图6、图7）。
图6 空间状态下传感器波长漂移差与yoz平面倾斜度变化关系
图7 空间状态下传感器波长漂移差与xoz平面倾斜度变化关系
结果表明：
- 固定xoz平面时，yoz平面传感器的灵敏度为85. 238，85. 237和85. 238 pm/(°)，与单一平面下的85.235pm/(°)相比，误差小于0.005 %。
固定yoz平面时，xoz平面传感器的灵敏度为81. 220，81. 229和81. 230pm/(°)，与单一平面下的81. 234 pm/(°)相比，误差小于0.01 %。
数据证明，该传感器在空间二维倾斜测量中，两个轴向的响应相互独立，无串扰，解耦性能优异。
3.4 蠕变性能测试
为评估传感器的长期在线监测能力，随后进行蠕变性能测试实验。将yoz平面固定在15°，静置100min，记录FBG波长漂移量变化（见图8）。
图8 倾角传感器蠕变测试曲线 结果表明：
- SESM2上FBG3与FBG4的波长漂移分别稳定在632pm和686pm附近，波动小于±5pm；
- 两者差值（ΔλFBG4-ΔλFBG3）的实时蠕变值稳定在1318pm，反算倾角为15.463°，与设定值15°的误差为3.087%。
证明了该倾角传感器具有良好的抗蠕变性能。
四、告别"单轴"时代：一款全新的工程倾斜监测利器
本研究针对现有FBG倾角传感器测量维度单一、高灵敏度与大量程难以兼顾的问题，设计并验证了一种基于凸台 凹槽增敏型等强度梁的大量程光纤光栅传感器。通过理论分析与实验测试，得出三大核心结论：
- 高灵敏度与宽量程：传感器测量范围为±30°，xoz和yoz平面灵敏度分别达81.234 pm/(°)和85.235pm/(°)，线性度0.99979，分辨率优于0.01°，测量精度优于0.025%F.S.。
- 优异的二维解耦能力：空间倾斜测试表明，一个轴向的倾角变化对另一轴向的测量灵敏度影响小于0.01%，反算角度误差最大仅为1.60%，实现了真正独立的双轴同步监测。
- 良好的长期稳定性：重复性误差低于0.85%，迟滞性误差低于0.95%，蠕变测试中波长波动小于±5pm，反算角度误差3.087%，满足工程长期监测需求。
- 结构紧凑与温度自补偿：正交SESM结构配合差分信号处理，无需额外温度传感器即可消除温漂，全光纤封装抗电磁干扰，适用于复杂环境下的空间倾斜监测。
相较于现有同类传感器，本传感器在量程、线性度、二维解耦能力及温度自补偿方面具有综合优势。未来可进一步微型化、集成化，并探索与无线传输模块的结合，为基础设施安全监测提供更智能的传感方案。
文章来源：郑勇,王年强,姜兴良,等.高灵敏度空间倾斜测量光纤光栅传感器[J].光学精密工程,2026,34(05):711-721.
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