CN205580670U - 间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置和方法 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置和方法，包括恒温油槽、光纤压力检测系统、计算机、高精度铂电阻和光栅传感器，且其评估方法包括下述步骤：获得测试数据，建立测量模型，评定光栅传感器工作直线不确定度，评定光纤压力测试系统的不确定度；本实用新型利用光栅传感器，采用间接方法对不可拆卸的波长调制型光纤压力检测系统的皮米量级的波长偏移量的测量精度进行不确定度评估，设计并构建了不确定度分析实验系统，对系统误差来源进行了分析，建立了理论测量模型和不确定度分析方法，获得了系统测量误差的不确定度值。

Description

间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置和方法

技术领域

本实用新型涉及测量和不确定度分析领域，尤其涉及一种间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置和方法。

背景技术

光纤传感单元感受外界物理量变化，并将外界物理量信息通过光路转换成光谱信号，由计算机配套测量软件通过分析光谱信号最终可以自动获得外界物理量变化信息。光源、光路和光谱分析仪(或光电转换模块)集成于一体称为全光路光谱检测系统，联合计算机和测试软件一起实现光纤传感单元传输光谱信号的采集和分析。全光路光谱检测系统一般不可拆卸，必须集成于一体实现对光纤传感单元的检测。

此实用新型测量对象是光纤压力检测系统，它是配合光纤压力传感单元进行光谱信号采集和分析的装置，主要功能是采用波长调制的方法将光纤传感器感受到压力信号转换成光谱信号，通过压力检测系统配套测量软件检测出光谱信号特征峰的微小波长偏移量，即可反应出外界压力情况。

光纤压力检测系统主要由宽谱光源BLS、光谱分析仪OSA、单模光纤耦合器Coupler组成。其工作原理是当接入的传感单元受到外界压力时，输出干涉光谱的波峰(谷)发生偏移，其波长偏移量与压力变化成线性关系，因此通过检测此波长偏移量即可以反应出传感单元所受压力变化情况。

光纤压力传感器用于压力检测前，必须采用标校装置完成传感单元的压力标定。传感器的标定就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的对应关系。普通力传感器进行压力标定的常规方法是采用压力加载装置对传感器施加双向拉压力，其值作为标准压力值。但由于光纤压力传感单元直径一般小于250μm，通常计量部门采用的压力标校装置不适用于光纤传感单元，存在标校误差大的问题。

当将光纤压力传感单元接入光纤压力检测系统的输入通道后，构建成全系统，此时采用标校装置对传感单元施加标准压力，通过检测系统将压力信号转换成光谱信号，输出给计算机进行分析处理后还原成压力检测信号，通过此方法可以分析出全系统的测量精度和传感器的多种静态指标，因此全系统测量精度包含了传感器和检测系统两部分。由于检测系统的测量精度包含在全系统测量精度内，理论上应该高于等于全系统测量精度，从而实现对光纤压力检测系统的测量精度的分析。但是，针对光纤传感单元这种微型结构探头，采用全系统检测的方法对标校装置的要求很高，标校装置的标校误差将成为最大的误差来源，严重影响对检测系统的测量误差和不确定度评估结果，此误差由于是标校装置带来的并不能真实反应出检测系统的测量精度，因此采用全系统(含压力传感单元)检测的方式不适用于对光纤压力检测系统测量精度的评估。

此外，由于光纤压力检测系统由光源、光路、光谱分析等部分集成于一体不可拆卸，不能将各部件分别采用计量单位现有的光学检测装置和检测规程进行分部件的不确定度测量，再合成检测系统的整体不确定度，完成对检测系统的不确定度评估。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置和方法。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置，包括恒温油槽、光纤压力检测系统、计算机、高精度铂电阻和光栅传感器，所述标准光栅传感器的信号输出端与所述光纤压力检测系统的信号输入端电连接，所述光纤压力检测系统的信号输出端与所述计算机的输入端电连接，所述高精度铂电阻和所述光栅传感器均设置在所述恒温油槽内。

优选地，所述高精度铂电阻和所述光栅传感器均设置在玻璃试管内，且两个所述玻璃试管位于所述恒温油槽内的同一水平高度。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型利用光栅传感器，采用间接方法对不可拆卸的波长调制型光纤压力检测系统的皮米量级的波长偏移量的测量精度进行不确定度评估，设计并构建了不确定度分析实验系统，对系统误差来源进行了分析，建立了理论测量模型和不确定度分析方法，获得了系统测量误差的不确定度值。

附图说明

图1是本实用新型所述间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，由于光栅传感器2和光纤压力传感单元同样采用波长调制原理对被测信号进行解调，光纤压力检测系统3接入光栅后仍可形成完整光路，光栅和光纤压力传感器接入检测系统后光传输路径一致，且两者都是通过检测波长偏移量来反应出外界信号真实情况，不同之处仅仅在于被测物理量不同，因此可以采用光纤光栅传感器2替代光纤压力传感器接入检测系统构成全系统光路。

光栅传感器2只对应变和温度敏感，当光栅传感器2处于无应变的状态下，只对温度敏感且线性度良好。由于光栅制备工艺成熟，极易获得标准光栅传感器2。温度控制装置也比较成熟，因此对温度的精确控制也比较容易，计量单位一般都具备有高精度的温度控制装置。由于以上原因，因此可利用光栅传感器2对温度的反应，采用高准确度的恒温油槽5对光纤压力检测系统3的波长检测精度进行测试。

我们采用光栅传感器2和恒温油槽5构建了光纤压力检测系统3的测量精度和不确定度分析实验装置，分析误差来源，建立了不确定分析算法，该间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置，包括恒温油槽5、光纤压力检测系统3、计算机4、高精度铂电阻1和光栅传感器2，标准光栅传感器2的信号输出端与光纤压力检测系统3的信号输入端电连接，光纤压力检测系统3的信号输出端与计算机4的输入端电连接，高精度铂电阻1和光栅传感器2均设置在恒温油槽5内，高精度铂电阻1和光栅传感器2均设置在玻璃试管6内，且两个玻璃试管6位于恒温油槽5内的同一水平高度。

恒温油槽5温度控制系统(±0.05％的铂电阻式温度传感器监控)，最大允许误差±0.05％；光纤压力检测系统3：检测波长范围1525nm～1565nm，分辨率1×10-6nm，通道数8个，并对光栅传感器2进行温度响应值测试，最好通过第三方有资质计量单位测量获得，光栅传感器2温度响应实验数据是通过第三方计量过的光栅解调仪和由第三方提供的恒温恒湿度箱进行测试，温恒湿箱温度最大允许误差为±0.1％，恒温恒湿度箱温度值通过计量过的高精度温度传感器测试获得，采用第三方计量数据是通过比对法分析光纤压力检测系统3的不确定度误差，增强数据可信度。

不确定度评估方法和评估步骤如下：

一)获得测试数据

以光纤压力检测系统的一个通道的不确定度评定为例。将1只采用第三方标定过的光栅传感器接入光纤压力检测系统的某一通道，光栅传感器标定数据见表1。

控制恒温油槽1温度分别控制为15℃和20℃，将光纤压力检测系统的波长偏移量通过计算机各读取10次，实验数据见表2。

表1光栅传感器的测试数据

温度(℃)	FBG1(nm)
		10	1556.7551
20	1556.8351
		30	1556.9151
40	1556.9983
		50	1557.0851

表2实验数据

测量数据列	15℃时特征峰(nm)	20℃时特征峰(nm)
			1	1556.79508	1556.835077
2	1556.795079	1556.835076
			3	1556.795079	1556.835074
4	1556.795077	1556.835078
			5	1556.795079	1556.835084
6	1556.795079	1556.835085
			7	1556.795077	1556.835082
8	1556.795076	1556.835083
			9	1556.795078	1556.835093
10	1556.795068	1556.835094

二)建立测量模型

综合式(1)和式(2)式建立光纤压力检测系统的测量模型为：

δ_t＝λ_t-λ′_t＝λ_t-at-b

由式(3)、式(4)和表1数据，采用最小二乘法可拟合出光栅传感器工作直线为：

λ＝at+b＝0.00823t+1556.67078

三)评定光栅传感器工作直线不确定度

a)随机误差给工作直线斜率和截距带来的不确定度：

利用公式(6)～(11)可以获得随机误差给光栅传感器的工作直线斜率和截距带来的不确定度分量u_cl(a)和u_bl(a)；

其中，光栅传感器温度特性标定装置采用的恒温恒湿箱，温度最大允许误差为Δ1，按均匀分布考虑则：

由于温恒湿箱温度最大允许误差为±0.1％，按均匀分布考虑则

光纤光栅解调仪的最大允许误差是Δ₂，按均匀分布考虑则

所用光纤光栅解调仪的最大允许误差，根据第三方给出的校准证书是±2.7pm，按均匀分布考虑则：

b)非线性误差给工作直线斜率和截距带来的不确定度：

按公式(12)～(14)计算出光栅传感器非线性误差带来的标准偏差和不确定度为u_L(a)和u_L(b)；

c)工作直线斜率和截距引入的标准不确定度为：

认为随机误差和非线性误差引入的不确定度不相关，则由式(15)、式(16)，经计算光栅传感器工作直线斜率和截距各分量以及合成标准不确定度见表3。

表3光栅传感器工作直线斜率和截距的不确定度汇总表

即光栅传感器工作直线斜率和截距的不确定度分别为：

u_c(a)＝0.00010nm/℃

u_c(b)＝0.00321nm

四)评定光纤压力测试系统的不确定度

根据表2中实验数据可分别计算出在15℃和20℃温度下，光纤压力检测系统波长测量的重复性引入的标准不确定度u₁(λ_t)，见表4；

表4波长测量的重复性引入的标准不确定度单位为纳米

由于光纤压力检测系统波长测量的分辨力为0.000001nm，和重复性相比，取较大者，因此由分辨力引入的标准不确定度u₂(λ_t)可以忽略；

光栅传感器工作直线斜率引入的标准不确定度u(a)＝0.00010nm/℃；

光栅传感器工作直线截距引入的标准不确定度u(b)＝0.00321nm；

由于恒温油槽提供温度的最大允许误差为±0.05％，按均匀分布考虑，则恒温油槽输出温度值不准确引入的标准不确定度

由式(5)可得各分量灵敏系数为：c(λ_t)＝1，c(a)＝-t，c(t)＝-a，c(b)＝-1，因此合成标准不确定度和扩展不确定度见表5。

表5标准不确定度汇总表

可认为各分量之间不相关，则光纤压力检测系统波长测量误差的合成标准不确定度为：

$\begin{array}{c}{u}_c\left(\mathrm{\δ}\right)=\sqrt{c^2\left({\mathrm{\λ}}_t\right)u_1^2\left({\mathrm{\λ}}_t\right)+c^2\left(a\right)u^2\left(a\right)+c^2\left(t\right)u^2\left(t\right)+c^2\left(b\right)u^2\left(b\right)}\\ =\sqrt{u_1^2\left({\mathrm{\λ}}_t\right)+t^2{u}^2\left(a\right)+a^2{u}^2\left(t\right)+u^2\left(b\right)}\end{array}$

取包含因子k＝2，则扩展不确定度为：

U＝k·u_c(δ)，k＝2

最终通过以上方法计算出光纤压力检测系统波长偏移量测量精度的扩展不确定度值见，表6。

表6合成标准不确定度以及扩展不确定度汇总表，单位为纳米

从以上实验和测量误差的不确定度评定可以看出：一般来说，光纤压力检测系统电测部分各通道波长测量的扩展不确定度为7.6pm(k＝2)。

通过上述方法获得光纤压力检测系统测量误差和不确定度见表7。

表7光纤压力检测系统波长测量误差的测量结果，单位为纳米

本实用新型提出了采用间接测量方法进行光纤压力检测系统的波长偏移量测量误差和不确定度评估的方法，建立了实验装置并分析了误差来源推导出不确定度评估算法。此实用新型还适用于类似不可拆分的全光路光谱检测系统的不确定度评估。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置，其特征在于：包括恒温油槽、光纤压力检测系统、计算机、高精度铂电阻和光栅传感器，所述标准光栅传感器的信号输出端与所述光纤压力检测系统的信号输入端电连接，所述光纤压力检测系统的信号输出端与所述计算机的输入端电连接，所述高精度铂电阻和所述光栅传感器均设置在所述恒温油槽内。

2.根据权利要求1所述的间接式全光路光谱检测系统的不确定度评估装置，其特征在于：所述高精度铂电阻和所述光栅传感器均设置在玻璃试管内，且两个所述玻璃试管位于所述恒温油槽内的同一水平高度。