IEC 61757-1-22023 光纤传感器.第1-2部分应变测量.基于布里渊散射的分布式传感标准立项发展报告

光纤传感器第1-2部分：应变测量基于布里渊散射的分布式传感标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FibreOpticSensors-Part1-2:StrainMeasurement-DistributedSensingBasedonBrillouinScattering摘要光纤传感技术作为当代传感领域的重要发展方向，以其抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可分布式测量等独特优势，在重大基础设施健康监测、地质灾害预警、航空航天结构监测等众多领域展现出不可替代的应用价值。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术凭借其可实现长距离、高精度、连续性应变测量的技术特点，已成为国际上该领域的研究热点和工程应用重点。然而，技术的高速发展与标准化建设的相对滞后之间的矛盾日益凸显，制约了该技术在更大范围内的规范化应用和国际间技术互认。在此背景下，国际电工委员会（IEC）正式发布IEC61757-1-2:2023《光纤传感器第1-2部分：应变测量基于布里渊散射的分布式传感》标准，填补了该领域国际标准的空白。本报告对该标准的立项背景、技术内容、核心参数指标及适用范围进行系统梳理与深入分析，探讨其对全球分布式光纤传感产业发展的引领作用与示范意义，并就该标准在我国的转化实施路径提出建议，旨在为相关领域的技术研发、工程应用和标准化工作提供参考。关键词：光纤传感器；布里渊散射；分布式应变测量；国际标准；IEC61757；结构健康监测Keywords:Fibreopticsensors;Brillouinscattering;Distributedstrainmeasurement;Internationalstandard;IEC61757;Structuralhealthmonitoring1.引言1.1标准立项背景随着全球基础设施建设的持续推进和运维管理要求的不断提高，对大型工程结构（如桥梁、隧道、大坝、管道、边坡等）进行长期、实时、在线健康监测的需求日益迫切。传统的点式传感技术（如电阻应变片、振弦式传感器等）虽然在短期内能够提供较为准确的测量数据，但其固有的点式测量特性使其难以全面捕捉结构体的整体变形和应变分布情况，尤其是在大范围、长距离的监测场景中，点式传感器的布设密度和成本往往难以满足工程需求。分布式光纤传感技术的出现为上述难题提供了全新的解决路径。该技术以光纤本身作为传感元件，沿光纤全长连续获取应变和温度分布信息，具有测量距离长、空间分辨率高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐恶劣环境等突出优势，可实现"一线代万点"的测量效果。在各类分布式光纤传感技术中，基于布里渊散射的技术方案因其在测量距离和精度方面表现出的综合优势，已成为工程应用最为广泛的分布式应变测量手段之一。然而，技术的快速发展和应用的持续扩大也对标准化工作提出了迫切需求。在IEC61757-1-2:2023发布之前，基于布里渊散射的分布式应变测量技术在术语定义、测试方法、性能参数评定等方面缺乏统一的国际标准，导致不同厂商设备之间的测试结果可比性差、用户选型困难、工程验收缺乏依据等问题日益突出。为应对这一挑战，国际电工委员会光纤传感器技术委员会（IEC/TC86/SC86C）组织相关国际专家，历经多年研讨与论证，最终于2023年8月正式发布了IEC61757-1-2:2023标准。1.2标准体系定位IEC61757系列标准是国际电工委员会针对光纤传感器制定的系列标准框架，采用分部分（Part）结构进行组织。其中，IEC61757-1为通用规范（Generalspecification），规定了光纤传感器的通用要求、术语定义和测试方法；后续分部分则针对特定被测量或特定技术方案进行专项规范。IEC61757-1-2作为该系列的第1-2部分，专门针对基于布里渊散射的分布式应变测量技术制定规范，是该系列标准中关于分布式应变测量技术的重要细分标准。2.标准范围与适用对象2.1标准适用范围IEC61757-1-2:2023标准规定了基于布里渊散射的分布式光纤应变传感系统的术语定义、分类方法、性能参数要求、测试程序及报告格式。该标准适用于采用受激布里渊散射（SBS）和自发布里渊散射（SpBS）两种主要技术方案的分布式应变测量系统。在应用领域方面，该标准覆盖但不限于以下典型场景：-土木工程结构健康监测：桥梁、隧道、大坝、高层建筑等大型基础设施的应变分布监测和损伤识别；-能源基础设施监测：油气输送管道、储罐、风电叶片等能源设施的应变状态跟踪与预警；-地质与岩土工程监测：边坡稳定性监测、地面沉降监测、隧道围岩变形监测等；-航空航天与船舶工程：飞行器结构试验、船舶船体结构载荷监测等。值得注意的是，该标准聚焦于应变的分布式测量，若系统同时具备温度测量功能（基于布里渊频移的温度敏感性），其温度测量功能的评估可参照其他相关标准执行。2.2与传统方法的关系说明标准中的"应变测量"特指通过检测光纤中布里渊散射光的频移变化量ΔνB来计算光纤轴向应变ε的间接测量方法。与传统应变片直接测量表面应变不同，该方法测量的是光纤本身沿轴向的积分应变效应。因此，在进行工程应用时，需要充分考虑传感光纤与待测结构之间的应力传递机制和耦合效率。标准在规范性附录中对传感光纤的敷设方式与应变传递系数的标定方法给出了指导性建议，为实际工程应用提供了重要的操作依据。3.关键技术内容解析3.1基本工作原理与技术方案分类基于布里渊散射的分布式光纤应变传感技术的基本原理为：当光脉冲在光纤中传播时，光与声学声子相互作用产生布里渊散射，散射光的频移量νB与光纤局部区域的应变ε和温度T呈近似线性关系，即：νB(ε,T)=νB(0,0)+Cε·ε+CT·T其中，Cε和CT分别为应变系数和温度系数。通过测量散射光的频移量变化，即可反演光纤沿线的应变分布信息。IEC61757-1-2:2023标准在技术分类上将基于布里渊散射的分布式应变测量系统分为两大类型：-类型BOTDR（BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry，布里渊光时域反射）：基于自发布里渊散射，采用单端入射方案，系统结构简单、便于工程部署，但空间分辨率和测量精度相对有限；-类型BOTDA（BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis，布里渊光时域分析）：基于受激布里渊散射，采用双端入射方案，通过泵浦光和探测光的受激相互作用增强散射信号，可获得更高的测量精度和信噪比，但系统复杂度较高，需要双端接入。此外，标准也对基于布里渊光频域分析（BOFDA）、布里渊光相关域分析（BOCDA）等衍生技术方案进行了兼容性说明，为新型技术的标准化留出了接口空间。3.2核心性能参数与试验方法标准将分布式应变测量系统的核心性能参数归纳为八个关键指标，并逐一给出了明确的定义和试验方法。这些参数构成了系统性能评价的基础框架，也是工程选型和验收的重要依据。|序号|性能参数|定义要点|典型测试方法||------|---------|---------|-------------||1|应变测量范围|系统可准确测量应变的上下限区间|将传感光纤贴附于等强度梁或拉伸台上，分级加载至设定应变值||2|应变测量精度|在标定条件下应变测量结果与真值的偏差程度|在已知应变场中用参考仪器（如FBG或应变片）对比验证||3|应变分辨率|系统可辨识的最小应变变化量|在恒定应变条件下，统计多次测量标准差获得||4|空间分辨率|沿光纤轴向可分辨两个相邻应变变化点的最小间距|在光纤上设置应变阶跃段，采用10%-90%响应法测量||5|采样间隔|相邻两个测量点之间的距离|由采集卡采样率和光速确定，直接读取||6|测量距离|系统可进行有效测量的最大光纤长度|在长距离光纤末端设置已知应变段进行验证||7|测量重复性|同条件下多次测量结果的一致性程度|同一工况下连续测量≥10次，计算变异系数||8|动态响应能力|系统追踪随时间变化应变的能力|施加周期性动态载荷，对比时域波形|针对每个性能参数，标准均给出了详细的测试条件、测试步骤和数据处理方法，包括环境温度控制要求（典型为23℃±2℃）、参考应变标准器的精度等级要求（通常不低于被测系统精度的3倍）、测试光纤的预处理要求等。4.标准的技术创新与特色4.1首次建立布里渊应变传感国际测试规范IEC61757-1-2:2023是国际标准化组织首次针对基于布里渊散射的分布式应变测量技术制定全面系统的测试规范。标准在制定过程中充分吸纳了各国在布里渊散射传感领域的研究成果和工程实践经验，将学术界广泛认可的性能评价方法进行了规范化和标准化，为全球范围内的设备制造商、第三方检测机构和终端用户提供了统一的"标尺"。该标准的发布结束了一直以来该领域测试方法各异、结果难以横向比较的混乱局面。4.2引入不确定度评定框架标准明确要求在性能参数测试报告中引入测量不确定度评定内容，这一要求体现了现代计量学理念在光纤传感领域的深入融合。标准建议采用ISO/IECGuide98-3（GUM）框架对各项测试结果的测量不确定度进行分析和表述，包括A类不确定度（基于统计方法评定）和B类不确定度（基于非统计方法评定）。这一举措有助于提升测试结果的科学性、可比性和国际互认性。4.3兼顾实验室测试与现场条件差异考虑到分布式光纤应变传感系统在实验室条件下的性能表现与实际工程环境中的性能可能存在较大差异，标准在测试方法设计中兼顾了两个方面。实验室测试侧重环境条件控制和基准对比，确保测试结果的可重复性；同时，标准也在资料性附录中提供了现场验证测试的推荐方案，包括温度补偿方法、光缆应力释放措施、测量误差的现场评估方法等，为该技术在工程实践中的有效应用提供了更有针对性的参考。4.4动态测量性能评价工程结构的应变监测不仅涉及静态或准静态测量，还越来越多地涉及动态测量需求（如风致振动、车辆荷载、爆破振动等）。标准针对这一问题，专门设置了动态响应能力的评价方法，明确了频响范围、动态应变幅值精度等参数的定义和测试路径，适应了工程应用对时间分辨率日益提高的需求。5.主要参与单位介绍5.1国际电工委员会光纤传感器技术委员会（IEC/TC86/SC86C）IEC/TC86/SC86C是IEC负责光纤传感器标准制定的分技术委员会，其秘书处由意大利电工委员会（CEI）承担，现有参与成员国二十余个，涵盖了全球光纤传感领域的主要技术强国和重要产业国家。该分委会的工作范围包括光纤传感器产品的术语定义、性能测试方法、可靠性评估、应用指南等标准化工作。近年来，该分委会持续关注分布式光纤传感技术的标准化需求，先后启动了多项关于分布式温度传感、分布式应变传感、光纤光栅传感等方向的国际标准制定项目。IEC61757-1-2标准的制定工作由该分委会下属的WG4工作组具体承担。工作组由来自中国、日本、英国、德国、瑞士、意大利、韩国等国家的技术专家组成，涵盖了主要的光纤传感设备制造商、研究机构和终端用户代表。在标准制定过程中，工作组广泛收集了各国相关标准和产业界的意见反馈，经历了CD（委员会草案）、CDV（投票草案）、FDIS（最终国际标准草案）等多个阶段，最终达成共识并正式发布。5.2中国参与情况中国是IEC/TC86/SC86C的重要参与国。来自中国电子科技集团公司第四十一研究所、武汉理工大学、中国计量大学、中国信息通信研究院等单位的专家积极参与了IEC61757-1-2标准的制定工作，在布里渊散射传感系统的标定方法、性能参数定义、温度补偿策略等方面贡献了中国方案和中国数据。中国专家在BOTDA系统的空间分辨率提升方法、长距离测量中的非线性效应抑制策略等方面提出的技术建议，被标准制定工作组采纳，体现了中国在该技术领域的国际影响力。6.标准实施的意义与影响分析6.1对产业发展的规范引领作用IEC61757-1-2:2023标准的发布为全球基于布里渊散射的分布式光纤应变测量技术和设备提供了统一的评价准则。对于设备制造企业而言，该标准为产品研发提供了明确的技术指标框架和测试验证依据，有助于规范产品设计流程，提升产品质量和一致性水平；对于用户单位而言，该标准为设备选型、进场验收、周期校准提供了权威依据，降低了技术选择风险；对于第三方检测机构而言，该标准为其开展相关检测服务提供了方法支撑，促进了检测市场的规范发展。6.2促进技术互认与国际贸易作为IEC正式发布的国际标准，IEC61757-1-2:2023将在各成员国之间获得广泛采用和认可。该标准的实施将简化跨境贸易中的技术评价流程，减少重复测试成本，促进光纤应变传感设备和相关服务的国际贸易。同时，该标准也为各国制定国家标准或行业标准提供了重要的参考蓝本，有利于全球范围内技术要求的协调统一。6.3对工程应用的技术支撑在重大工程应用中，分布式光纤应变传感系统的测量结果日益成为结构安全评价和运维决策的重要依据。IEC61757-1-2:2023对系统性能参数的统一规定，为不同来源的测量数据提供了可比较、可追溯的基础，增强了测量结果的可信度和法律效力。这对于结构健康监测数据的长期积累、跨项目横向对比、以及基于大数据方法的结构安全评估等工作具有重要意义。7.我国转化实施建议7.1加快推进国家标准采标工作建议我国相关标准化技术委员会加紧启动IEC61757-1-2:2023的采标工作，结合我国国情和应用需求，适时转化为国家标准（等同采用或修改采用）。在转化过程中，应重点关注与我国现行光纤传感领域标准体系的协调性，确保术语定义的一致性，并结合我国在土木工程、能源管道等重大基础设施领域的实际应用经验，在标准附录中补充完善工程应用的指导性内容。7.2建立健全测试验证能力建议依托国家光电计量测试机构和相关行业检测中心，建立符合IEC61757-1-2标准要求的分布式光纤应变传感系统测试验证平台，开展计量校准、性能测试、可靠性评估等服务能力建设。同时，积极组织和参与国际比对试验（Round-RobinTest），提升我国在该领域的测试验证能力和国际话语权。7.3深化技术研发与标准互动建议我国科研机构和企业持续关注基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的发展前沿，特别是在超高空间分辨率（亚厘米级）、超长测量距离（百公里级）、快速动态测量（kHz级）等方面的技术突破，通过标准化引导技术创新方向，以标准促进创新成果转化，不断提升我国在该领域的核心竞争力。7.4完善标准宣贯与培训随着IEC61757-1-2:2023标准在国内的采标和推广，建议相关行业协会和技术委员会组织开展标准宣贯和技术培训活动，面向设备制造企业、工程设计单位、第三方检测机构和高校科研人员，普及标准规定的术语定义、测试方法和性能评价要求，提升全行业对标准内容的理解和执行能力，确保标准实施落地见效。8.结论与展望IEC61757-1-2:2023《光纤传感器第1-2部分：应变测量基于布里渊散射的分布式传感》是国际电工委员会在分布式光纤传感领域发布的一项重要标准。该标准的制定和发布填补了基于布里渊散射的分布式应变测量技术在术语定义、性能评价和测试方法方面国际标准的空白，凝结了全球多个国家和众多技术专家多年的研究成果和实践经验，是该技术领域标准化建设的重要里程碑。从技术层面看，该标准的实施将有效规范基于布里渊散射的分布式光纤应变测量产品的性能评价体系，推动技术进步和产品优化；从产业层面看，该标准将为全球范围内的设备制造、工程应用和检测服务提供统一遵循，促进产业健康有序发展；从应用层面看，该标准将为结构健康监测、地质灾害预警、能源设施安全监测等领域提供更可靠的技术保障。展望未来，随着光纤传感技术的持续演进和应用场景的不断拓展，分布式光纤应变测量技术的标准化工作也将不断深化和完善。建议持续跟进IEC61757系列标准的修订动态，积极参与相关国际标准制定工作，结合人工智能、物联网等新兴技术的融合发展，不断丰富和完善分布式光纤传感技术的标准化体系。可以预见，在IEC61757-1-2:2023的引领和推动下，基于布里渊散射的分布式光纤应变传感技术必将在更广阔的领域发挥更大的作用，为全球基础设施安全、工业智能化发展和人民生命财产安全保障提供更加坚实的技术支撑。参考文献[1]IEC61757-1-2:2023,Fibreopticsensors-Part1-2:Strainmeasurement-DistributedsensingbasedonBrillouinscattering[S].Geneva:I