建筑工业产品行业标准《土木工程用光纤光栅应变传感器》》编制说明(征求意见稿)

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应变传感器》
（征求意见稿）
编制说明
2012年4月
1
《土木工程用光纤光栅应变传感器》编制说明
2 《土木工程用光纤光栅应变传感器》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应变传感器》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15。

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
等传统应变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。

土木用光纤光栅应变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
研制的高性能应变传感器，能够直接将应变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应变监测。

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应变传感器的研究和应用，使得光纤光栅应变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应变传感器的行业标准，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，对光纤光栅应变传感器的产业化、标准化、规模化极其不利。

因此，有必要对光纤光栅应变传感器
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应变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、针对光纤光栅应变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《大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计》（GB/T 3408.2-2008）、国家标准《岩土工程仪器基
本参数及通用技术条件》（GBT 15406-2007）、电力行业标准《钢弦式应变计》（DLT 1044-2007）、国家标准《金属粘贴式电阻应变计》（GBT 13992-2010）等传统应变传感器行业标准。

提出了《土木工程用光纤光栅应变传感器》编制大纲，编写了《土木
工程用光纤光栅应变传感器》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应变传感器》第一次工作会议，对《土
木工程用光纤光栅应变传感器》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应变传感器》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应变传感器的生产、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；
3
《土木工程用光纤光栅应变传感器》编制说明
2 4 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。

8）考虑增加温度补偿系数，会后应研究如何确定温度补偿系数。

9）增加应变传感器的试验条件的来源依据。

10）文中所用过载能力，长期稳定性用词是否合适？
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
本标准的制定主要是通过对光纤光栅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：
5
图4.1 标准制定技术路线
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、与传统应变传感器相比，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/T 1.1-2009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①②③⑧⑨⑩
--- 外观
①②③
①②③
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
《土木工程用光纤光栅应变传感器》编制说明
2 6
量程范围①②③⑧⑨⑩⑧?综合误差①②③⑨⑧?
分辨率①②③⑨⑧?
重复性①②③⑨⑧?插入损耗⑧⑩⑥⑧?过载能力①①②?温度补偿特性①②②?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⑧?⑥尾缆弯曲试验⑧?⑥尾缆抗压试验⑧⑩⑥
备注：各编号代表的内容如下：
①GB/T 3408.2-2008大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计
②DLT 1044-2007钢弦式应变计
③GBT 15406-2007岩土工程仪器基本参数及通用技术条件
④GBT 13992-2010金属粘贴式电阻应变计
⑤GB/T 2423 电工电子产品基本环境试验规程
⑥GB/T 7424 光缆总规范
⑦GB/T 4208 外壳防护等级（IP代码）
⑧生产、试验实践经验
⑨企业提供的光栅光纤应变传感器的性能参数
⑩行业特点、行业内部规范性操作
?指标定义
?GBT 21197-2007 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。

5.1“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“5.2 使用环境条件”
参照DLT 1044-2007《钢弦式应变计》中 5.1.1条，GBT 3408.2-2008《大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计》中 5.1.1条编写。

使用环境温度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℃。

考虑到光纤光栅传感器可以承受宽温工作范围，故将工作环境温度从通常-20℃～60℃改成-30℃～70℃。

5.3“5.3 基本功能”
同样参照SJ 20832-2002《光纤温度传感器通用规范》中 3.4.2条编写。

5.4“5.4 外观”
参照DLT 1044-2007《钢弦式应变计》中 5.10条、GBT 3408.2-2008《大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计》中 5.2条、GBT 15406-2007《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件》中 6.1.4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“5.5 主要性能”
（1）对国内外成熟企业光纤光栅应变传感器基本性能汇总。

（2）对相关行业标准中应变传感器主要性能汇总。

表2 光纤光栅应变传感器基本性能汇总
性能
企业
量程（）测量误差分辨力标距（mm）上海森首±1500 0.1%F.S. 0.1-
北京基康1500、3000 0.3%F.S. 0.1%F.S. 50、150、250
北京菲博泰±1000、±1500 0.1%F.S. 155、100
北京品傲±1000 - 0.540
上海前所±300、±1500 ±1%F.S.、
±0.3%F.S.
0.284、50
上海紫珊±1000 ±1%F.S. 0.1%F.S. 100
上海启鹏±1000、±2000 ±1%F.S. 0.1%F.S. 100
宁波杉工±5000、±1500 2～51-
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《土木工程用光纤光栅应变传感器》编制说明
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表3 相关标准中应变传感器基本性能条款
标准名称和对应条款主要性能描述
GBT 15406-2007 岩土工程仪器基
本参数及通用技术条件 5.2.2.6
条
振弦式应变计：量程-1500~1000、
-2000~1000、-1250~1250、-1000~1500、
-1500~1500、-1000~2000，分辨率≤
0.2%F.S.；
差动电阻式计：量程-1500~1000、
-2000~400、-1000~1000、-1200~1200、
-1000~600，分辨率--；
DLT 1044-2007 钢弦式应变计
4.2条、
5.2.3条
量程范围：-2000～+1000、-1500～
+1500、-1000～+2000、-1500～+1000
-1250～+1250、-1000～+1500，分辨
率≤0.15%F.S., 综合误差≤1.5%F.S.
GBT 3408.2-2008 大坝监测仪器
应变计第2部分：振弦式应变计
4.3条
量程范围：-2000～+1000、-1500～
+1500、-1000～+2000、-1500～+1000
-1250～+1250、-1000～+1500，分辨
率≤0.2%F.S., 综合误差≤2.5%F.S.
量程范围考虑到目前应用的多元化，用户需求差异较大，相关行业标准中采用量
程列举法列举的量程对应光纤光栅应变传感器而言没有参考价值。

本标准只粗放性划分出三个量程区间。

分辨率表征传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。

实际测量中，分辨率的测试方法局限性很大，根据光纤光栅传感器的应变特性，在1550nm 窗口，中心波长的应变系数约为 1.209pm/，受测试仪表和标定仪表分辨率的限制，传感器的分辨率极限大致为1。

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“5.6 过载能力”
表4 相关标准中应变传感器过载能力条款
标准名称要求测定方法采用情况理由
DLT 1044-2007 钢弦式应变计5.64条要求 1.05
倍
6.6 条未采用
光纤光栅技术
上可以承受
1.2倍过载量
GBT 3408.2-2008 大坝
监测仪器应变计第2
部分：振弦式应变计
5.4条要求 1.2倍
6.3.5条基本一致
5.7“5.7 温度补偿特性”
表5 相关标准中应变传感器温度修正特性条款
标准名称要求测定方法采用情况理由
DLT 1044-2007 钢弦式应变计5.5条要求温度修正
的校准曲线不应大
于±0.04%F.S./℃
6.5 条基本一致
GBT 3408.2-2008 大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计5.7条要求应变计
经过温度修正后，由
于温度引起的测量
误差不应大于
0.04%F.S./℃
6.3.8条参考
测定方法中只
测试高、低温
两个温度点，
未测试中间过
程温度点。

5.8“5.8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。

5.9“5.9 工作稳定性”
表6 相关标准中应变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
DLT 1044-2007 钢弦式应变计拉到满量程静置1
个月 6.8 条基本一致
GBT 3408.2-2008 大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计加、卸荷载10次，
考察零点漂移；静
置30d，考察3次
零点漂移
6.3.7条未采用
该标准只考察
零点漂移
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《土木工程用光纤光栅应变传感器》编制说明
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10 5.10“5.10 环境适应性”
本条目保留常规的高温贮存、低温贮存、交变湿热试验。

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7 相关标准中应变传感器环境适应性项目条款
标准名称
项目
要求
DLT 1044-2007 钢弦式
应变计
5.9 耐运输颠簸试验钢弦式应变计在包装运输时，应能
承受最大加速度为5g 、历时10min
的颠簸震动试验
GBT 3408.2-2008 大坝监测仪器应变计第2
部分：振弦式应变计
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。

6.3.11.3 冲击（选做）在包装状态下设置加速度为30g ，
持续时间6ms ，6个面每面3次共
18次冲击试验。

6.3.11.4 碰撞（选做）在运输包装下，设置加速度为25g ，
持续时间6ms ，速度变化量为
0.95m/s ，进行3000次碰撞试验。

5.11“5.11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应变传感器》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8 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1min
GBT 21197-2007 《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。

GBT 21197-2007 《线型光纤感温火灾
探测器国家标准》中 6.3条冷弯试验
抗压试验传感器尾缆抗压强度不应小于
500N/100mm，保持1min
光缆常规抗压指标>1000N/mm
光纤常规抗压指标>700N/mm
5.12“附录A”
1、应变传感器推荐只使用一次线性计算公式，不得使用二次或二次以上拟合公
式以提高传感器精度。

因为应变常数项只具备参考意义，现场安装后需要归零。

使用
二次以上拟合在归零时有技术难度。

2、一次系数统一采用 pm/℃为单位，不采用℃/pm 为单位。

6、成本效益分析
6.1 试验费用
本标准中规定的试验方法，若不要求第三方认证，大部分试验均可以在生产企业的相关质检部门完成。

传感器外壳性能防护等级测试需要在有资质的检测机构进行试验，由于是破坏性试验，产品及测试费用大致在3000RMB。

6.2 预期效益
本标准规范了光纤光栅应变传感器的生产、使用和检测等，对规模生产提供了条件，为企业提供了合理、有序的检验规范，节省了时间和生产成本。

本标准的完成，我国光纤光栅传感行业将进一步优化，行业特色优势将更加明显；对于通过本标准的企业，更能显现其在同行中的优势，具有示范和带动作用，品牌形
象的逐步形成，将显著提高社会信誉度和企业经济效益。

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