IEC 61757-6-12024 光纤传感器.第6-1部分位移测量.基于光纤布拉格光栅的位移传感器标准立项发展报告

光纤传感器第6-1部分：位移测量基于光纤布拉格光栅的位移传感器标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Fibreopticsensors-Part6-1:Displacementmeasurement-DisplacementsensorsbasedonfibreBragggratings摘要关键词：光纤传感器；光纤布拉格光栅；位移测量；国际标准；IEC61757-6-1；标准化Keywords:Fibreopticsensors;FibreBragggratings;Displacementmeasurement;Internationalstandard;IEC61757-6-1;Standardization一、引言1.1研究背景光纤传感技术起源于20世纪70年代，经过半个多世纪的发展，已从实验室研究走向大规模工程应用。在各类光纤传感器中，光纤布拉格光栅传感器凭借其独特的波长调制机制，天然具备抗电磁干扰、耐高温高压、抗腐蚀、体积小、重量轻、易于多点复用与分布式组网等技术优势，成为当前光纤传感领域研究最活跃、应用最广泛的技术分支之一。特别是在位移测量领域，FBG位移传感器已被广泛应用于大坝坝体变形监测、桥梁挠度实时监测、隧道围岩收敛观测、大型机械结构形变测量、航空航天飞行器结构健康监测以及油气管道应变监测等众多关键场景。然而，与FBG位移传感器日益增长的应用需求不相匹配的是，国际标准化进程明显滞后。在IEC61757-6-1发布前，全球范围内尚无专门针对FBG位移传感器的统一国际标准。各生产厂商在传感器结构设计、性能指标定义、测试条件设定方面各行其是，导致市场上不同品牌产品之间的标称参数缺乏统一口径，用户难以进行有效的横向比较与选型；同时，由于缺乏统一的测试方法标准，同一款传感器在不同检测机构获得的性能数据可能存在显著差异，这在一定程度上制约了行业的技术进步与市场拓展。1.2标准立项的必要性基于上述产业现状，制定统一的FBG位移传感器国际标准具有突出的现实紧迫性。具体而言，其必要性体现在以下几个维度：第一，规范市场秩序。统一的国际标准有助于建立公平、透明的市场环境，明确产品质量的最低技术门槛，遏制低质低价竞争，保护用户合法权益。第二，促进技术互认。标准化的测试方法和统一的性能评价指标体系，使得不同厂商、不同批次产品之间的性能对比成为可能，为国际贸易和技术交流扫清障碍。第三，支撑工程应用。重大工程对传感器可靠性、长期稳定性要求极高，统一标准为工程招标、设备验收、运行维护提供了明确的技术依据。第四，引领技术创新。标准的制定过程本身即是对现有技术成果的系统梳理和总结提升，有助于明确技术发展方向，引导产业资源向关键核心技术环节集聚。正是在上述背景下，国际电工委员会光纤传感器技术委员会（IEC/TC86）适时启动了IEC61757-6-1标准的制定工作，历经多轮国际研讨与专家论证后，最终于2024年1月正式发布。二、标准概况2.1标准基本信息IEC61757-6-1:2024《光纤传感器第6-1部分：位移测量基于光纤布拉格光栅的位移传感器》由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）正式发布。该标准隶属于IEC61757系列标准框架体系，是该系列中专用于位移测量领域的组成部分。标准文本以英语和法语两种官方语言出版，为电子版加密PDF格式，发布周期为2024年1月19日，当前状态为现行有效。2.2标准定位与适用范围IEC61757-6-1:2024是IEC61757《光纤传感器》系列标准的第6-1部分。该系列标准是光纤传感器领域最重要的基础性和通用性国际标准体系，其整体结构涵盖了光纤传感器的通用规范以及各类不同被测参量的专用标准。本标准的发布进一步完善了该系列标准的结构框架，弥补了位移测量类光纤传感器在专用标准层面的空白。在标准适用范围方面，IEC61757-6-1:2024规定了基于光纤布拉格光栅原理的位移传感器的术语定义、分类方法、技术要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存等方面的通用要求。该标准适用于以FBG为敏感元件的各类线位移和角位移测量传感器，涵盖从精密微位移测量到大量程结构变形监测的多层次应用场景。标准本身侧重建立统一的技术基准，不对具体产品型号或特定应用领域做限定性规定，从而为各类工程需求提供最大的适用弹性。2.3标准在IEC61757系列中的定位IEC61757系列标准采取模块化结构设计，其总体框架可概括为"一个通用规范+多个参量专用规范"的架构模式。通用规范部分（IEC61757-1）确立了光纤传感器的通用术语、分类体系、性能评定框架和基础试验方法；参量专用规范部分则针对温度、应变、位移、压力、加速度等不同的被测参量分别制定细化的专项要求。本标准IEC61757-6-1正是该框架中位移测量参量方向的第一个专用标准，其发布标志着IEC61757系列在位移测量方向实现了从无到有的关键性突破，也为后续开发更为细分的角度测量、振动测量等相关标准奠定了概念和方法基础。三、标准主要技术内容解析3.1术语与定义的规范化标准的首要贡献在于对FBG位移传感器领域的关键术语和定义进行了系统梳理与统一规范。在充分吸收学术研究和产业实践中已形成共识的概念基础上，标准对标的核心术语作了明确界定，包括：-光纤布拉格光栅（FBG）：指纤芯折射率沿轴向呈周期性调制的无源光纤器件，满足布拉格条件（λ_B=2n_effΛ）的特定波长光被反射，其中n_eff为有效折射率，Λ为光栅周期；-中心波长（Bragg波长）：指FBG反射谱峰值对应的特征波长，是FBG位移传感器最基本的信息载体；-位移灵敏度：指传感器输出波长变化量与被测位移变化量之比，单位通常为pm/mm或nm/mm；-线性度：指传感器实际输入-输出特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出之比；-分辨力：指传感器能够检测到的最小位移变化量；-测量范围：指传感器在规定误差限内能够测量的位移最大变化区间；-回程误差：指在相同条件下，传感器正行程和反行程特性曲线之间的最大差值的绝对值；-长期稳定性：指在规定时间范围内，传感器在恒定环境条件下输出值的漂移程度。这些术语的标准化定义，为后续技术要求的制定提供了统一的概念框架，也为用户和制造商之间的技术沟通扫清了语义障碍。3.2分类体系标准根据FBG位移传感器的结构形式、工作原理和应用场景差异，建立了科学的分类体系。主要分类维度包括：-按传感结构分类：可分为直接接触式和非接触式两大类。直接接触式包括悬臂梁式、波纹管式、弹性铰链放大式等；非接触式包括基于磁耦合、基于光学三角测量等原理的变体；-按位移维度和范围分类：分为线位移传感器和角位移传感器，同时按测量范围细分为微位移型（毫米级以下）、常规型（毫米至厘米级）和大量程型（厘米级以上）；-按封装形式分类：包括裸栅型、半密封型和全密封型等，以适应不同环境条件下的应用需求；-按信号解调方式分类：虽然标准本身侧重传感器本体，但分类体系中亦考虑了波长解调、强度解调和干涉解调等不同信号获取方式对传感器技术指标的影响。3.3关键技术要求标准对FBG位移传感器规定了系统性的技术要求，涵盖光学性能、机械性能、环境适应性和可靠性等维度：光学性能要求方面，标准规定了传感器的中心波长范围、反射率、带宽、边模抑制比等基本光学参数的允许范围，确保传感器在系统中具有良好的光谱响应特性和信噪比表现。针对位移测量应用的特殊性，标准特别强调了位移-波长响应特性的要求，即在规定的测量范围内，波长位移变化与被测位移应保持良好的单调对应关系。位移测量性能要求方面，标准对不同等级的产品设定了差异化的性能门槛。其中包括：-测量范围及对应的精度等级：各精度等级下允许的最大示值误差；-灵敏度及灵敏度误差：灵敏度应在标称值的允许偏差范围内；-线性度误差：在满量程范围内的非线性偏差须满足相应精度等级的要求；-重复性：同一条件下重复测量的标准偏差应低于允许值；-回程误差（迟滞）：正反行程输出最大差值须控制在限定范围内；-分辨力与阈值：最小可检测变化量须满足产品标称等级要求；-频率响应特性（适用时）：传感器对动态位移信号的响应能力应满足带宽要求。环境适应性要求方面，标准规定了温度变化对位移测量精度的影响限值（包括温度漂移系数和温变零漂指标），以及传感器在不同相对湿度、振动、冲击条件下的工作稳定性要求。对于用于户外长期监测场景的传感器，标准还提出了防水防尘等级（IP等级）和耐紫外老化等耐久性要求。机械结构与可靠性要求方面，标准规定了传感器外壳及引出光缆的抗拉强度、最小弯曲半径、疲劳寿命等指标，并对光纤引出端的保护结构提出了明确的机械防护要求。3.4试验方法与检验规则试验方法部分是标准技术内容的核心支撑。标准为上述每一项关键技术要求规定了对应的标准化试验方法，确保不同检测机构、不同时间点获得的检测结果具有充分的可比性和复现性。主要试验方法包括：-灵敏度及线性度测试：规定了标准测试装置的构成（包括精密位移台、波长解调仪、标准量具等）、测试点数的选取原则（覆盖全量程的不少于11个测试点）、每个测试点的读数次数（不少于3次）及数据处理方法；-温度漂移测试：规定了恒温试验箱内的温度循环区间、保温时间（不少于2小时）、温度变化速率（不大于1℃/min）及波长采集方式和数据处理方法；-长期稳定性测试：规定在恒定环境条件下连续运行不少于30天的测试方案，每天记录不少于10组数据，并给出了零漂和灵敏度漂移的计算公式；-振动和冲击试验：参照IEC60068系列环境试验方法标准，规定了正弦扫频振动试验和规定脉冲波形的冲击试验的严酷度等级；-静态力学试验：包括对传感器本体和引出光缆的拉伸强度测试、弯曲试验和扭转试验的具体方法。检验规则部分则明确了出厂检验和型式检验的区分、各自的项目组成、抽样方案和合格判定准则。出厂检验覆盖每台产品的必检项目（包括外观、绝缘电阻、基本灵敏度等），型式检验则涵盖全部性能指标项目，适用于新产品鉴定、产品设计变更以及定期质量监督等场景。四、标准制定的组织基础与主要参与单位4.1IEC/TC86技术委员会架构国际电工委员会光纤传感器技术委员会（IEC/TC86）是负责光纤传感器领域国际标准制定的最高技术机构。TC86下设多个分技术委员会和工作组，其中与位移测量传感器直接关联的技术归口由负责光纤传感器性能与测试方法的工作组承担。来自中国、德国、日本、美国、英国、法国、韩国等主要工业国家的标准化专家参与了本标准各阶段的起草和审议工作。标准在制定过程中，严格遵循了ISO/IEC导则的程序要求，经历了NP（新工作项目提案）、WD（工作草案）、CD（委员会草案）、DIS（国际标准草案）、FDIS（最终国际标准草案）等各阶段的多轮国际投票和技术评议，最终于2024年1月顺利出版。4.2主要参与单位介绍——武汉理工光科股份有限公司在本标准的制定过程中，来自中国的多家科研院所和企业积极参与并贡献了大量技术方案和试验数据。其中，武汉理工光科股份有限公司（以下简称"理工光科"）作为国内光纤传感领域的代表性企业，全程参与了标准的起草和技术论证工作。理工光科成立于2000年，是武汉理工大学科技成果转化的标志性企业，长期专注于光纤传感技术及其工程应用。公司拥有从光纤光栅器件制备、传感器封装设计到系统集成与应用服务的完整技术链条，是国内少数具备FBG位移传感器全产业链自主研发能力的企业之一。在技术积累方面，理工光科在FBG位移传感器的敏感结构设计、温度自补偿封装工艺、工程化可靠性验证等方面取得了多项关键突破。公司研发的系列FBG位移传感器已广泛应用于三峡水利枢纽、南水北调工程、港珠澳大桥等国家重大工程的结构健康监测系统，积累了丰富的工程应用数据和现场运行经验。这些来自实际工程的技术数据和经验总结，为本标准中关键技术指标的确定和试验方法的验证提供了重要的实证支撑。在标准制定过程中，理工光科的技术专家团队承担了多项重要工作：牵头组织了国内相关单位对标准草案的联合评议，系统梳理了中国产业界对FBG位移传感器标准的共性技术诉求和差异化关切；提供了覆盖多个量程等级、多种结构形式的FBG位移传感器样机用于国际间的比对试验，为验证标准中测试方法的可行性提供了充分的数据样本；在标准技术讨论会上，针对线性度计算方法、温度补偿效果评价、长期稳定性测试周期等技术议题，提出了基于中国工程实践的技术建议，多项意见被标准工作组采纳。理工光科参与国际标准制定的成功经验表明，产业主体积极融入国际标准化工作，不仅有助于将自身的技术优势和工程经验转化为国际规则，也是提升企业国际影响力和市场竞争力的有效路径。五、标准实施的意义与未来展望5.1对产业发展的促进意义IEC61757-6-1:2024的正式发布，对光纤传感产业特别是FBG位移传感器细分领域的发展产生了深远影响。从产业供给端来看，该标准为全球FBG位移传感器制造商提供了统一的产品设计、制造和检验的技术基准。企业在新产品研发中可直接对标国际标准要求，避免了多套标准并行带来的研发资源浪费。同时，统一的技术要求也有利于淘汰落后产能，促进行业集中度和整体技术水平的提升。从市场需求端来看，用户在传感器选型、招标采购、到货验收和运行维护等各个环节有了权威的技术依据。特别是对于桥梁、大坝、隧道等国家重大基础设施的位移监测项目，采用符合IEC国际标准的产品已成为保障工程安全质量的必要措施。从国际贸易来看，统一的国际标准有效降低了技术性贸易壁垒。中国、日本、韩国等亚洲国家以及欧美国家的产品在统一标准框架下实现了更为顺畅的技术交流和贸易互通。5.2与相关标准的协调与兼容该标准在制定过程中充分考虑了与其他相关标准的技术协调问题。IEC61757-6-1与IEC61757-1《光纤传感器通用规范》形成了"通用+专用"的配套关系，后者规定的基本术语、通用试验条件和通用性能评定框架在本标准中被直接引用和承接。同时，标准中涉及的环境试验方法条款引用了IEC60068系列环境试验标准，传感器光学性能测试中涉及的光谱参数测量方法则参考了IEC61757系列和IEC61300系列的相关规定。这种标准之间的有机衔接关系，保证了标准体系的内在一致性，也为用户的工程应用提供了完整的技术链条。5.3未来发展趋势与标准化方向随着光纤传感技术的持续演进和新型应用场景的不断涌现，FBG位移传感器标准体系仍将在以下几个方面继续深化发展：在技术方向层面，随着飞秒激光直写、逐点写入等新型FBG制备技术的成熟，高温服役能力更强、抗辐照性能更优的新型FBG位移传感器将不断涌现，现有标准的适用边