土木工程用光纤光栅温度传感器编制说明

《土木工程用光纤光栅温度传感器》编制说明PAGE22PAGE1中华人民共和国住房和城乡建设部标准《土木工程用光纤光栅温度传感器》（征求意见稿）编制说明2012年4月《土木工程用光纤光栅温度传感器》标准编制说明1、任务来源根据住建部［2010］40号文件《关于印发〈2010年住房和城乡建设部归口工业产品行业标准制订、修订计划〉的通知》，由深圳市海川实业股份有限公司负责对《土木工程用光纤光栅温度传感器》进行起草制订，制定项目在《2010年住房和城乡建设部归口工业产品行业标准制订、修订计划》中项目序号为16。2、意义和作用光栅传感器是近几年正在研发的新型传感器，光纤光栅传感器可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势：如防爆，抗电磁干扰，抗腐蚀，耐高温，体积小，重量轻，灵活方便等。特别能在恶劣环境下使用。它克服了电阻式等传统温度传感器的易受电磁干扰、易损坏、寿命短和不能重复使用的缺点。多个光纤光栅串联与建筑结构制备在一起，可以实现实时监测。在波分和时分复用情况下，多个光纤光栅只需一根数据总线就可以实现对物理量的分布式测量等。这些特点是其它传感元件无法比拟的。自20世纪90年代以来，美国、加拿大、瑞士、德国、英国等发达国家，纷纷将光纤光栅传感技术成功的应用在隧道、桥梁大坝、电站、高层建筑等大型民用基础设施的安全检测中，取得了令人鼓舞的进展，展示了光明的前景。土木用光纤光栅温度传感器是针对工业生产测量与工程结构安全监测应用需求研制的高性能温度传感器，能够直接将温度变化转换为传感器反射光波长的变化，感温点无需供电，本质安全。可用于桥梁、大坝、隧道、建筑等土木工程结构的温度监测及应变、压力等传感器的温度补偿。随着我国大型民用基础设施的不断增加，其结构健康及安全的监测技术越来越受到社会的广泛关注。目前，我国已有多家企业在进行光纤光栅温度传感器的研究和应用，使得光纤光栅温度传感器在土木工程应用中显示了良好的前景。然而目前国内缺乏相应的用于土木工程中的光纤光栅温度传感器的行业标准，长此以往，势必造成此类传感器品质良莠不齐，并对相关工程施工与使用安全造成极大影响，对光纤光栅温度传感器的产业化、标准化、规模化极其不利。因此，有必要对光纤光栅温度传感器的结构、参数等性能进行规范化要求，为其在土木工程中的大量应用提供选择依据。标准的制定必然促进我国相关传感器生产质量的提高，并对提高我国此类产品在国内外的竞争力具有深远意义。3、工作简况土木工程用光纤光栅温度传感器产品标准一直是我国目前行业产品标准的一大空白，但是相关科研机构和企业实体近年来紧跟国际步伐，进行了大量的富有成效的工作，起草单位根据近年来的工作实践并结合光纤传感技术在土木工程中的使用环境提出本标准的制订工作。起草单位根据光纤光栅产品自身特性、针对光纤光栅温度传感器在土木工程中的应用情况、结合国内外相关公司产品技术水平、并参照了国家标准《大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计》（GB/T3413-2008）、煤炭行业标准《煤矿用温度传感器通用技术条件》（MT381-2007）、电子行业军用标准《光纤温度传感器通用规范》（SJ20832-2002）、气象行业标准《气象用铂电阻温度传感器》（QXT24-2004）等传统温度传感器行业标准。提出了《土木工程用光纤光栅温度传感器》编制大纲，编写了《土木工程用光纤光栅温度传感器》标准草稿。2010年08月18日，住房和城乡建设部建筑工程标准技术归口单位在北京主持召开了工程建筑行业标准《土木工程用光纤光栅温度传感器》第一次工作会议，对《土木工程用光纤光栅温度传感器》编制大纲及草稿进行了认真评审，会议形成纪要如下：1、总体要求：《土木工程用光纤光栅温度传感器》标准编制要做到“公开、公正、公平”，要符合“科学性、先进性、适用性”。2、会议讨论并通过了编制组成员分工、进度计划。3、会议对编制组提交的草稿进行讨论，提出以下修改意见：1）名称：标准的英文名称中的缩写FBG应为全名；2）范围，更改为：本标准适用于土木工程用光纤光栅温度传感器的生产、使用和检测；3）产品结构：适当放宽，以适用实际工程的应用；4）要求：增加中心波长、间隔的内容，作为推荐性指导意见；5）要求：加入传感器插入损耗参数；6）考虑：尾缆强度参数；7）外壳防护性能，传感器外壳防护性能应增加强度，引线的防护。会议强调本标准为土木工程用，需要试验数据支撑，标准的试验的具体项目需会后由编制组成员讨论确定。会后编制组认真按照标准编制要求和本次会议精神，开展后续的标准编制工作，在编制组内部不断讨论、改进、调研的过程中，于2011年3月形成初稿，2012年5月份形成征求意见稿。4、标准制定总体思路4.1标准编制的原则（1）协调一致原则本标准作为产品标准，其内容应符合国家现行的方针、政策、法律、法规，另外还应与行业发展技术水平相协调，促进技术进步和行业技术升级。（2）适用性原则技术指标的确定，不仅要考虑科学、先进，还要考虑经济、适用，即标准指标要科学先进、经济合理、实施便利。4.2 标准制定技术路线土木工程应用环境分析土木工程应用环境分析现有产品技术指标调研生产、试验实践经验相关国内外标准研究行业相关政策、法规资料研究现场调研标准限制认证和确定技术经济认证图4.1标准制定技术路线本标准的制定主要是通过对光纤光栅温度传感器在土木工程中的应用环境进行调研，同时参考国内外相关产品技术指标，参考国内外相关行业标准和研究行业相关政策法规，最后确定标准限制，并适当分析成本和预期经济效益，技术路线见图4.1所示：4.3 标准内容框架本标准包括：适用范围、引用标准、术语和定义、产品结构、分类与规格、技术要求、试验方法、检验规则、标志包装运输贮存及附录共九个部分。其中产品的技术要求及试验方法是标准的重点。4.4 标准的先进性体现1、与传统温度传感器相比，本标准中规定的性能参数有一定提高。2、本标准与传统传感器标准相比试验更加明确，易操作。3、本标准达国际先进水平。5、标准主要内容说明本标准为首次制定，属于新起草的标准。本标准为产品标准，不包括设计、施工等内容。因此本标准紧扣产品性能和可靠性，注重于对产品出厂结果进行控制。本标准第5章、第6章、第7章、附录A为强制性条款，其余为指导性条款。全文的结构、格式和字体按照GB/T1.1-2009要求进行编制。表1产品性能要求、试验方法的依据检验项目性能要求确定的依据或参考的标准试验方法确定的依据或参考的标准工作条件①②④⑧⑨⑩外观①②④①②④量程范围①②④⑧⑨⑩⑧⑪误差①②⑨⑧⑪分辨率①②⑨⑧⑪重复性①②⑨⑧⑪插入损耗⑧⑩⑥⑧⑪响应时间①②③⑩①②③外壳防护等级⑧⑩⑦工作稳定性②⑧②高温贮存①②⑧⑤低温贮存①②⑧⑤交变湿热试验①②⑧⑤振动试验①②⑧⑤跌落试验①②⑧⑤尾缆抗拉试验⑧⑫⑥尾缆弯曲试验⑧⑫⑥尾缆抗压试验⑧⑩⑥备注：各编号代表的内容如下：GB/T3413-2008大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计MT381-2007煤矿用温度传感器通用技术条件SJ20832-2002光纤温度传感器通用规范QXT24-2004气象用铂电阻温度传感器GB/T2423电工电子产品基本环境试验规程GB/T7424光缆总规范GB/T4208外壳防护等级（IP代码）生产、试验实践经验企业提供的光栅光纤温度传感器的性能参数行业特点、行业内部规范性操作指标定义GBT21197-2007线型光纤感温火灾探测器国家标准以下是各主要条款具体说明。“4产品结构、分类与规格”本章条款只具备推荐性指导意见。“5.2使用环境条件”参照GB/T3413-2008《大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计》中5.1条，MT381-2007《煤矿用温度传感器通用技术条件》中4.2条，QXT24-2004《气象用铂电阻温度传感器》中4.2条编写。使用环境温度根据传感器量程一致。“5.3基本功能”参照SJ20832-2002《光纤温度传感器通用规范》中3.4.2条编写。“5.4外观”参照MT381-2007《煤矿用温度传感器通用技术条件》中4.4条、GBT3413-2008《大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计》中5.2条、QXT24-2004《气象用铂电阻温度传感器》中4.8条等标准对产品外观要求编写。其中尾缆长度0.5m制定考虑工程施工引线和串接的需要而设定。“5.5主要性能”（1）主要性能中量程范围考虑土木工程室外环境温度在黑龙江漠河地区常年最低气温-34度（不含极端天气），南方盛夏结构表面温度可达70℃（2）对国内外成熟企业光纤光栅温度传感器基本性能汇总。（3）对相关行业标准中温度传感器主要性能汇总。表2光纤光栅温度传感器基本性能汇总性能企业量程（℃）测量误差（℃）分辨率（℃）重复性（℃）上海森首-30～180±0.50.01-北京基康-40～1200.30.1-北京蔚蓝仕-40～150±0.50.1-北京菲博泰-30～100±0.50.1-北京品傲-40～100±0.20.05-上海前所-50～200±0.10.01-上海紫珊-30～1200.50.1-上海启鹏-40～120±0.50.1-宁波杉工-50～1200.20.1-表3相关标准中温度传感器基本性能条款标准名称和对应条款主要性能描述GBT15406-2007岩土工程仪器基本参数及通用技术条件5.2.4条铜电阻温度计：量程-30℃~70℃，分辨率0.05铂电阻温度计：量程-50℃~80℃，分辨率MT381-2007煤矿用温度传感器通用技术条件4.6条量程范围：优选-50℃~80℃，显示误差≤±2.5%F.S.,输出误差≤GBT3413-2008大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计5.5条量程范围：-30℃~70℃，误差：±（0.5+0.3×10QXT24-2004气象用铂电阻温度传感器4.1条量程范围：-50℃~0℃，0℃~误差：±（0.15+0.002×|t|）℃SJ20832-2002光纤温度传感器通用规范综合上述应用分析和行业水平，本标准中的主要性能指标设置在行业的中上等水平，达到或优于相关行业标准中的性能指标。“5.6响应时间”表4相关标准中温度传感器响应时间条款标准名称要求测定方法采用情况理由MT381-2007煤矿用温度传感器通用技术条件≤10s5.6条基本采用仅采用方法，此标准中数值选择明显偏低。GBT3413-2008大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计≤3min6.3.7条基本采用仅采用方法，改进测试温度选择。SJ20832光纤温度传感器通用规范-4.8.2.5条基本采用仅采用方法，改进测试温度选择。本标准中响应时间≤60s考虑到是土木工程上环境温度监测，不是针对火灾监测，因此适当放宽了响应时间。“5.7结构外壳防护性能”考虑到是土木工程上环境通常比较恶劣，IP68是应该要达到的。“5.8工作稳定性”表5相关标准中温度传感器工作稳定性条款标准名称要求测定方法采用情况理由MT381-2007煤矿用温度传感器通用技术条件传感器连续运行15d，测试50%测量范围点误差5.5条一致GBT3413-2008大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计0℃6.3.7条未采用原理不一致SJ20832光纤温度传感器通用规范“5.9环境适应性”本条目保留常规的交变湿热试验，而高温工作和低温工作两项也是环境适应性常规试验项目，温度传感器量程范围已经覆盖高温工作和低温工作。根据土木工程应用现场条件选取了振动和跌落两项强度试验。由于光纤光栅自身无源工作本质安全的特点，环境适应性中相关的EMI和EMC等项目完全不必要试验。表6相关标准中温度传感器环境适应性项目条款标准名称项目要求MT381-2007煤矿用温度传感器通用技术条件交变湿热40±2℃振动试验扫描频率10Hz~150Hz，加速度为5g，对传感器进行5个周期/冲击试验加速度50g，持续时间11ms，6个面每面3次共18次冲击试验。运输试验包装后模拟时速20km/h，行程200kmGBT3413-2008大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计6.3.11.1振动扫描频率10Hz~150Hz~10Hz，扫描速度为1倍频程/min，加速度为2g，对传感器进行3个周期/单周振动试验6.3.11.2自由跌落在包装状态下自由跌落高度为300mm。进行3次跌落。“5.10尾缆强度”根据2010年08月18日，住房和城乡建设部建筑工程标准技术归口单位在北京主持召开了工程建筑行业标准《土木工程用光纤光栅温度传感器》第一次工作会议，会议对标准草案评审纪要中要求考虑增加：尾缆强度参数。表7尾缆强度相关数值来源参考项目指标数据参考来源抗拉试验尾缆接续部位抗拉强度不应小于100N，保持1minGBT21197-2007《线型光纤感温火灾探测器国家标准》中6.2条抗拉试验弯曲试验将其弯曲成直径为光缆直径20倍的圆圈后自然释放，在同一部位连续重复5次普通单护套光缆的动态（安装敷设时）弯曲半径为20倍的光缆外径。GBT21197-2