IEC 61757-2-12021 光纤传感器第2-1部分温度测量基于光纤布拉格光栅的温度传感器标准立项发展报告

光纤传感器第2-1部分：温度测量基于光纤布拉格光栅的温度传感器标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FibreOpticSensors–Part2-1:TemperatureMeasurement–TemperatureSensorsBasedonFibreBraggGratings摘要随着工业自动化、智慧能源、航空航天和建筑结构健康监测等领域的快速发展，对高精度、抗电磁干扰、耐恶劣环境温度传感技术的需求日益迫切。光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现分布式测量和准分布式组网等独特优势，已成为光纤传感领域应用最为广泛的技术之一。为规范全球范围内基于光纤布拉格光栅的温度传感器产品设计、性能测试和应用要求，国际电工委员会（IEC）发布了IEC61757-2-1:2021标准。该标准作为IEC61757《光纤传感器》系列标准的重要组成部分，系统规定了基于FBG的温度传感器的术语定义、分类方法、性能参数要求、测试方法与试验条件，填补了该领域国际标准空白。本报告就该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容、主要参编单位及标准实施前景进行系统阐述，旨在为国内相关标准化工作者、光纤传感技术研发人员及行业应用单位提供全面、权威的参考与指导。关键词：光纤传感器；光纤布拉格光栅；温度测量；国际标准；IEC61757-2-1；传感器性能测试；标准化Keywords:Fibreopticsensors;FibreBragggratings;Temperaturemeasurement;Internationalstandard;IEC61757-2-1;Sensorperformancetesting;Standardization一、引言1.1标准立项背景温度是工业过程控制、能源电力、交通运输、科学研究和日常生活中最为基础和重要的被测物理量之一。传统电学温度传感器（如热电偶、热电阻）在强电磁干扰、高压、易燃易爆、强腐蚀等苛刻环境下使用时存在固有局限性。自20世纪70年代末光纤传感技术诞生以来，光纤布拉格光栅温度传感器凭借其卓越的电磁免疫特性、本质安全性以及多点准分布式测量能力，逐步成为恶劣环境下温度监测的重要技术手段。近二十年来，FBG温度传感技术已从实验室研究走向大规模工程应用。在电力系统高压开关柜温度在线监测、变压器绕组热点温度监测、油气管道泄漏检测、桥梁大坝结构健康监测、飞机复合材料固化过程温度监控及医疗介入式温度测量等众多领域，FBG温度传感器均展现出不可替代的技术优势。然而，全球市场上FBG温度传感器产品种类繁多、性能参差不齐，各制造商在产品设计、标定方法、性能指标表述和测试流程方面缺乏统一规范，严重制约了该类传感器的大规模推广应用和国际间贸易与技术交流。1.2标准立项必要性面对上述行业痛点，制定统一的国际标准成为产业界的共同呼声。其主要必要性体现在以下方面：第一，统一术语定义与技术指标体系。不同制造商对于“温度分辨率”“温度精度”“温度稳定性”等核心术语的理解和定义存在差异，导致用户在选型比对时无所适从。通过国际标准统一术语和技术指标的定义方法，有助于建立公平透明的市场秩序。第二，规范校准与测试方法。FBG温度传感器的波长-温度特性标定方法、响应时间测试方法、温度循环稳定性测试方法等直接影响产品的质量评价与应用效果。缺乏统一测试标准，则无法客观评价不同产品的性能优劣。第三，促进国际互认与贸易便利化。作为IEC颁布的国际标准，IEC61757-2-1为各成员国开展产品认证、质量检验和技术仲裁提供了统一依据，有利于消除技术性贸易壁垒。二、标准基本信息概述2.1标准编号与名称-标准编号：IEC61757-2-1:2021-中文名称：光纤传感器第2-1部分：温度测量基于光纤布拉格光栅的温度传感器-英文名称：Fibreopticsensors–Part2-1:Temperaturemeasurement–TemperaturesensorsbasedonfibreBragggratings-标准状态：现行（Published）-发布机构：国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）-发布日期：2021年7月28日-国别：国际组织-语言：英语、法语（英法双语版）-ICS分类号：33.180.99（其他光纤设备）-版本说明：电子版加密PDF格式，下载约需1分钟，文件含水印，需安装FileOpen插件，电脑需联网使用，限制累计3台电脑共打印5次-售价：2104.0元人民币（IEC官方定价）2.2标准体系定位IEC61757系列标准是国际电工委员会下设的IEC/TC86“纤维光学”技术委员会（具体由SC86C“纤维光学系统和器件”分技术委员会负责）制定的光纤传感器领域基础性系列标准。其中：-IEC61757-1规定了光纤传感器的通用规范，包括术语、分类和通用测试方法；-IEC61757-2规定了光纤传感器中温度测量的通用要求；-IEC61757-2-1则进一步聚焦于基于光纤布拉格光栅技术实现的温度传感器，是该系列标准中针对具体传感原理和测量对象的细分标准。该标准在国际标准分类（ICS）中归属于“33.180.99其他光纤设备”，在国家标准体系中可对应参考我国光纤传感领域的相关标准体系规划。IEC61757-2-1:2021替代了此前该领域的相关草案和临时文件，成为全球FBG温度传感器产品设计和性能测评的权威依据。三、标准编制历程3.1工作组成员与组织结构IEC61757-2-1:2021由IEC/TC86（纤维光学技术委员会）下属的SC86C（纤维光学系统和器件分技术委员会）归口管理。具体编制工作由SC86C下设的WG4工作组（光纤传感器工作组）承担。WG4工作组汇集了来自全球主要光纤传感技术研发机构、制造企业和科研院所的专家。参与该标准起草和审议工作的国家包括德国、中国、美国、日本、英国、法国、瑞士、韩国等光纤传感技术较为发达的国家。各成员国通过国家委员会（NationalCommittee）派出专家参与WG4工作组的多次面对面会议和网络会议，就标准的技术内容进行逐条讨论和协商一致表决。3.2标准研制时间线根据IEC公开的standardizationworkprogramme信息，IEC61757-2-1的研制过程大致历经以下关键节点：-2016年至2017年：SC86C/WG4工作组开展新工作项目提案（NWIP）的可行性论证，收集各成员国对FBG温度传感器标准化需求的意见。-2018年前后：正式通过新工作项目立项投票（NPballot），获批立项，标准编号暂定为IEC61757-2-1，进入委员会草案（CD）编制阶段。-2019年至2020年：完成多轮委员会草案（CD）和最终国际标准草案（FDIS）的编制与投票，期间对各成员国的修改意见进行了逐条处理和吸收。-2021年7月28日：标准通过最终国际标准草案投票后，由IEC中央办公室（IECCentralOffice）正式出版发布。这一历时数年的研制过程体现了IEC在国际标准制定中的严谨程序和协商一致原则。四、标准主要内容解析IEC61757-2-1:2021的主体技术内容涵盖以下核心板块：4.1范围（Scope）标准规定了基于光纤布拉格光栅原理的温度传感器的术语定义、分类、性能要求及相应的测试方法，适用于采用单个或多个FBG传感元件的点式温度传感器，以及基于波分复用（WDM）、时分复用（TDM）等复用技术的准分布式FBG温度传感系统。该标准不适用于基于光纤分布式散射（如拉曼散射、布里渊散射）的温度传感系统。4.2规范性引用文件标准规范性引用了以下关键文件：-IEC61757（所有部分），光纤传感器系列标准-IEC61757-1:2012，光纤传感器第1部分：通用规范-IEC61757-2，光纤传感器第2部分：温度测量-IEC60050（所有部分），国际电工词汇（IEV）-ISO/IEC17025，检测和校准实验室能力的通用要求4.3术语和定义标准对FBG温度传感器领域的关键术语进行了统一和规范，主要包括：-光纤布拉格光栅（FBG）：光纤纤芯中折射率沿轴向呈周期性调制的一种无源光纤器件，满足布拉格条件的光波被反射。-布拉格波长（Braggwavelength）：FBG反射光谱中峰值反射率对应的波长。-温度灵敏度系数（temperaturesensitivitycoefficient）：单位温度变化引起的FBG布拉格波长变化量，通常以pm/℃表示。-温度分辨率（temperatureresolution）：传感器能够检测到的最小温度变化量。-温度精度（temperatureaccuracy）：传感器测量值与参考真值之间的一致程度。-温度响应时间（temperatureresponsetime）：传感器对阶跃温度变化的响应达到指定比例（通常为90%）所需的时间。-温度循环稳定性：在规定的温度循环条件下，传感器零点和灵敏度随时间推移保持稳定的能力。4.4分类标准按照不同的维度对FBG温度传感器进行了分类：-按传感探头结构形式：分为裸光栅型、再涂覆型、封装型（金属管封装、陶瓷封装、聚合物封装等）；-按测量范围：分为低温型（-40℃以下）、常规型（-40℃~+150℃）、高温型（+150℃以上）；-按复用方式：分为单点型、波分复用型、时分复用型和空分复用型；-按安装方式：分为表面粘贴型、埋入型和浸入型。4.5性能要求标准对FBG温度传感器规定了明确的性能要求，核心指标包括：-波长-温度特性：在规定的温度范围内，传感器的布拉格波长与温度之间应具有良好的线性关系（或采用适当算法进行非线性补偿），非线性误差应在规定限值内。-温度测量不确定度：综合精度应满足制造商声明的技术指标，并在规定温度范围内成立。-重复性与再现性：在重复测量条件下，传感器输出的标准偏差应满足规定的限值。-长期稳定性：在规定的持续运行条件下，传感器的温度读数漂移不应超过制造商声明的最大允许偏差。-环境适应性：传感器在规定的温度冲击、湿度、振动等环境应力条件下应能够正常工作。-机械可靠性：传感器在规定的弯曲、拉伸和冲击条件下不得发生损坏或性能退化。4.6测试方法标准详细规定了一系列测试方法和试验条件，主要包括：-测试环境条件：规定标准测试环境（温度23℃±5℃，相对湿度50%±20%）和仲裁测试环境。-温度标定方法：规定了将FBG传感器置于恒温槽或干井炉等标准温度源中，测量其布拉格波长随温度变化关系的具体操作步骤和数据处理方法，给出了多点标定和曲线拟合的要求。-响应时间测试方法：规定采用阶跃温度激励法测试传感器的热响应时间常数，给出了测试装置和数据处理方法。-温度循环试验方法：规定了温度循环的范围、速率、循环次数以及循环过程中的数据记录方式。-稳定性试验方法：规定了在规定温度点长期保持状态下传感器输出短期漂移和长期漂移的测试方法。五、主要参编单位与标准组织5.1国际电工委员会光纤传感器标准化组织架构作为IEC61757-2-1:2021的发布机构，国际电工委员会（IEC）是全球最具权威性的国际电工标准化组织之一。IEC成立于1906年，总部设在瑞士日内瓦，现有超过80个成员国，覆盖了全球绝大部分工业经济体。IEC的宗旨是促进电工电子领域国际标准的制定和协调，推动国际贸易便利化。在IEC的组织架构中，技术委员会（TechnicalCommittee,TC）是标准制定的核心主体。光纤传感器标准体系归属IEC/TC86“纤维光学”技术委员会管理。TC86下设三个分技术委员会（Subcommittee,SC）：-SC86A：光纤和光缆-SC86B：纤维光学互连器件和无源器件-SC86C：纤维光学系统和器件（含光纤传感器）IEC61757系列标准即由SC86C归口制定。SC86C的主席和秘书处分别由相关成员国承担，其成员由各国家委员会指派的专家组成。在SC86C框架下，WG4“光纤传感器”工作组是IEC61757-2-1的具体编制主体。WG4工作组自1990年代中期成立以来，先后制定了IEC61757（通用规范）、IEC61757-1、IEC61757-2等系列标准，是光纤传感器国际标准化领域最具影响力的工作组之一。5.2主要参编单位介绍——德国联邦物理技术研究院（PTB）在IEC61757-2-1:2021的制定过程中，德国国家计量研究院——联邦物理技术研究院（Physikalisch-TechnischeBundesanstalt,PTB）作为德国国家委员会的骨干技术力量深度参与了该标准的起草和论证工作，在温度校准方法、不确定度评定和测试程序规范化方面作出了重要贡献。PTB概况：PTB成立于1887年，总部位于德国下萨克森州布伦瑞克（Braunschweig），是德国国家计量机构和世界上最高的计量权威机构之一。PTB隶属于德国联邦经济事务和气候行动部（BMWK），在德国全国设有数个分部，拥有超过1900名员工，其中包括大量物理学家、工程师和技术专家。作为欧洲计量组织（EURAMET）的重要成员和米制公约框架下的核心国家计量院，PTB在建立和维护国家计量基准方面承担核心职责。PTB在光纤传感计量领域的工作：PTB在光纤传感技术的计量溯源研究方面具有世界领先的水平。其光学部门下设的“纤维光学和光纤传感”研究组长期从事光纤传感器校准技术研究、光纤传感测量不确定度评估以及新型光纤传感原理的计量特性研究。PTB建立了基于低温黑体辐射源和标准铂电阻温度计的高精度FBG温度传感器校准装置，可在宽温度范围内实现溯源至国际温标ITS-90的校准服务。PTB在本标准编制中的技术贡献：在IEC61757-2-1:2021的编制过程中，PTB专家主要发挥了以下作用：1.提出了温度校准装置的溯源链设计方案，确保标准的测试方法具有计量溯源性；2.主导编写了温度标定方法和测量不确定度评定条款，将国际计量学界的“测量不确定度表示指南”（GUM）理念引入标准；3.提出了温度循环试验的详细程序，确保不同实验室之间的测试结果具有可比性和可复现性；4.在标准审议过程中，作为德国国家委员会的专家代表全面参与技术讨论和决议表决。PTB在标准编制中的深度参与，有力保障了IEC61757-2-1:2021在计量学上的严谨性和科学性，使该标准在测试方法部分达到国际领先水平。六、标准实施的意义与影响6.1对全球光纤传感产业的规范化作用IEC61757-2-1:2021的发布实施，为全球FBG温度传感器建立了统一的技术基准。对于制造商而言，依据该标准开展产品设计、性能自测和质量控制，有助于提升产品质量的一致性和可靠性；对于用户而言，可依据该标准对候选产品进行性能比对和验收评价，降低选型风险；对于第三方检测机构而言，该标准提供了可操作的检测规范，有利于建立公正权威的产品质量评价体系。6.2对中国相关标准化工作的借鉴意义近年来，我国光纤传感技术发展迅速，FBG温度传感器已在电力、石化、交通、建筑等领域获得规模化应用。国内相关标准化工作也在稳步推进。全国光纤传感标准化技术委员会在光纤传感术语、通用规范等基础标准方面已有布局。IEC61757-2-1:2021的发布为我国制定相应的国家标准或行业标准提供了重要的技术参考和方向指引。加速推进该国际标准向国内标准的转化工作（采用为等同采用标准IDT或修