布拉格光纤光栅传感网络分析仪校准规范

1布拉格光纤光栅传感网络分析仪校准规范本规范适用于布拉格光纤光栅传感网络分析仪等对布拉JJF1199《通信用光衰减器校准规范》凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有修改单)适用于本规范。布拉格光纤光栅传感器是监测各类动态或静态信号如温度数的重要传感器。布拉格光纤光栅传感网络分析仪(又称光纤光栅传感解调仪，以下简称为“光纤光栅传感网络分析仪”)作为高性能布拉格光纤光栅传感系统中的信号解调器输出到光纤光栅上，其反射光经环形器进入探测、解调单元示出测量结果。其测量原理示意图如图1所示。4图1宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪测量原理图扫频光源型光纤光栅传感网络分析仪的测量原理是利用半导体放大模块及可调谐滤波器组成扫频光源，将瞬时能量集中到单一波长，波长连续24图2扫频光源型光纤光栅传感网络分析仪测量原理图4.3动态范围：≥20dB。注：以上指标不适用于合格性判别，仅供参考。5.1.1环境温度：(23±5)℃,校准过程中环境温度波动不超过2℃。5.1.2相对湿度：≤80%。5.1.3电源电压：(220±22)V。5.1.4频率：(50±1)Hz。5.2.1.1连接器类型：参考光纤光栅的光输入端和输出端建议采用FC/PC型或FC/5.2.1.2波长测量范围内的校准波长点：通常选取在被校光纤光栅传感网络分析仪测量范围具有一定间隔的3～5个波长点。5.2.1.3反射谱中心波长稳定度：优于3pm(15min,2℃)。5.2.1.5反射谱半高宽(FWHM)带宽：<0.5nm。5.2.1.7反射率：>75%。5.2.2标准光波长计JJF1804—202035.2.3.1波长范围:满足校准要求的工作波长。5.2.3.2输出光功率:满足校准要求的输出光功率。5.2.3.3稳定度:不超过±0.03dB或±0.5%(15min)。5.2.4光纤耦合器分光比约为1∶1的Y型光耦合器,插入损耗≤4.5dB。5.2.5可变光衰减器5.2.5.1衰减量:满足校准要求的衰减量,且衰减量连续可调。5.2.5.2插入损耗:≤3dB。5.2.5.3回波损耗:≥45dB。.4可定度:U=0.5dB(k=2)。5.2.6.1可调谐波长范围:满足校准要求的工作波长。5.2.6.2输出光功率:满足校准要求的输出光功率。5.2.6.3稳定度:不超过±0.03dB或±0.5%(15min)。5.2.7环形器5.2.7.1工作波长:满足校准要求的波长范围。5.2.7.2插入损耗:≤1.2dB。5.2.7.3隔离度:≥40dB。6校准项目和校准方法6.1校准项目6.1.1波长示值误差6.1.2波长测量重复性6.1.3动态范围6.2校准前检查6.2.1被校光纤光栅传感网络分析仪应具备规格、型号、制造厂名、设备编号及相应的警示标志等。6.2.2被校光纤光栅传感网络分析仪应带有必要的附件、说明书。6.2.3被校光纤光栅传感网络分析仪各部件应安装牢固,能确保正常工作。6.2.4被校光纤光栅传感网络分析仪通电后显示功能正常。6.3校准准备所有校准用设备和被校光纤光栅传感网络分析仪均置于工作台上,并按照说明书的要求进行预热。各段连接光纤(或光缆)的位置在整个校准过程中应保持固定,光纤接头应保持清洁。6.4校准方法6.4.1波长示值误差6.4.1.1参考光纤光栅法宽带光源型和扫频光源型两种光纤光栅传感网络分析仪的波长示值误差,均可使用4 参考光纤光栅和标准光波长计进行校准。 a)将参考光纤光栅的光接头与宽带光源光输出端及标准光波长计的输入端通过环行器相连接，如图3所示。校准过程中，参考光纤光栅保持不受外力影响，且环境温度波动不超过2℃。b)读取的标准光波长计波长测量值为参考光纤光栅的波长值，重复n次，计算标准光波长计示值的平均值： R。 R。——标准光波长计示值的平均值，nm;R第i次测量得到的标准光波长计的示值，nm。c)将参考光纤光栅与被校光纤光栅传感网络分析仪被校光通道相连接，如图4光通道1光通道1光通道2d)进行参考光纤光栅波长值的测量，读取被校光纤光栅传感网络分析仪的波长测量值，重复n次，计算被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值：R₄——被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值，nm;R——第i次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值，nm。5e)计算波长示值误差：f)采用步骤a)～步骤e)的方法，分别依次测量各被校准波长点，并记录测量结果。g)采用步骤a)～步骤f)的方法，依次校准被校光纤光栅传感网络分析仪的其他光通道，并记录测量结果。如果各光通道共用一个探测解调单元，则无需对其他光通道进行校准。h)将以上各项记录结果填入校准原始记录(见附录A)。6.4.1.2可调谐激光器法宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪的波长示值误差，可使用可调谐激光器和标准光波长计进行校准。a)将测量用的可调谐激光器与被校宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪被校光通道，及标准光波长计通过光纤耦合器相连接，如图5所示。b)读取的标准光波长计的波长测量值为可调谐激光的波长值，重复n次，按式(1)计算标准光波长计示值的平均值。c)读取被校宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪的波长测量值，重复n次，按式(2)计算被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值。d)按式(3)计算波长示值误差。e)采用步骤a)～步骤d)的方法，分别依次测量各被校准波长点，并记录测量结果。f)采用步骤a)～步骤e)的方法，依次校准被校光纤光栅传感网络分析仪的其他光通道，并记录测量结果。如果各光通道共用一个探测解调单元，则无需对其他光通道进行校准。g)将以上各项计算结果填入校准原始记录(见附录A)。6.4.2测量重复性在参考波长点，根据波长示值误差测量结果，计算实验标准差，按式(4)计算实验标准差s,得到测量重复性r:6R——第i次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值，nm; R₀——n次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值的算术平均值，nm;6.4.3动态范围a)参照JJF1199《通信用光衰减器校准规范》,测量可变光衰减器示值为0时的插入损耗Rm,重复测量n次。按式(5)计算可变光衰减器示值为0时插入损耗的平均值：式中：Rn.——可变光衰减器示值为0时插入损耗的平均值，dB;Ru——第i次测量得到的示值为0时可变光衰减器插入损耗的量值，dB。b)选取仪器测量范围内的参考波长点，将参考光纤光栅、可变光衰减器与被校光纤光栅传感网络分析仪的被校光通道相连接，如图6所示。光通道1光通道2c)从光衰减器为0的起始值开始增加可变光衰减器的衰减量，直至被校光纤光栅传感网络分析仪因接收信号太弱而无法进行正常测量，记录可变光衰减器的衰减量R。单位为dB。 D——被校光纤光栅传感网络分析仪的动态范围，dB;Rn——可变光衰减器插入损耗的平均值，dB;R₄——可变光衰减器正向输入输出衰减量，dB。e)如果被校光纤光栅传感网络分析仪需要校准其他光通道动态范围，采用步骤b)~步骤d)的方法依次测量，并记录测量结果。JJF1804—20207f)将以上各项计算结果填入校准原始记录(见附录A)。7校准结果校准后的光纤光栅传感网络分析仪发给校准证书,校准证书必信息:b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果不在实验室内进行校准);d)证书或报告的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对抽样程序进行说明;i)对校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)校准证书或校准报告签发人的签名、等效标识,以及签发日期;n)校准结果仅对被校对象有效的声明;o)未经实验室书面批准,不得部分复制证书或报告的声明。原始记录格式参见附录A,校准证书内页格式参见附录B,校准结果不确定度评定示例参见附录C。8复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者和仪器本身质量等诸因素所1年。更换重要部件、维修或对仪器性能有怀疑时,应及时校准。JJF1804—20208附录A校准原始记录参考格式校准证书编号:证书有效期至:校准员:核验员:第页共页1.记录原始记录编号:证书编号:校准日期:温度:℃湿度:%RH送检单位:联系人:地址:被校仪器名称:型号:制造厂:编号:校准前检查:依据的技术文件(代号、名称):校准使用的计量(基)标准装置或主要标准器名称测量范围不确定度/准确度证书编号证书有效期至2.校准通道:a)波长示值误差和重复性校准波长点1校准次数123456平均值标准波长计示值/nmRs1Rs2Rs3Rs4Rs5Rs6Rs网络分析仪示值/nmRu1Ru2Ru3Ru4Ru5Ru6Ru波长示值误差/nmΔ重复性/nmr波长点2校准次数123456平均值标准波长计示值/nmRs1Rs2Rs3Rs4Rs5Rs6Rs网络分析仪示值/nmRu1Ru2Ru3Ru4Ru5Ru6Ru波长示值误差/nmΔ重复性/nmr9b)动态范围校准测量次数123平均值插入损耗RIL/dBRIL1RIL2RIL3RIL衰减量Ra/dBRa动态范围/dBDJJF1804—202010附录B校准证书内页参考格式证书编号:仪器编号:通道1a)波长示值误差和重复性:序号标准值/nm测量值/nm示值误差/nm重复性/nm123456说明:示值误差=测量值-标准值b)动态范围:()dB测量结果的不确定度(k=2)波长测量:动态范围测量:温度:校准员校准地点相对湿度:核验员校准日期JJF1804—202011附录C校准不确定度评定示例依据JJF1804—2020《布拉格光纤光栅传感网络分析仪校准规范》的各项计量特性及校准条件与校准项目的规定,对光纤光栅传感网络分析仪进行了校准。下面针对光纤光栅传感网络分析仪的波长参数测量结果的不确定度进行分析。C.1参考光纤光栅法波长示值误差不确定度的评定C.1.1波长示值误差的测量模型Δ=Ru-Rs(C.1) 式中: Ru—被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值,nm; Rs—标准光波长计示值的平均值,nm。C.1.2测量不确定度来源测量过程中主要的不确定度来源有:参考光纤光栅的不确定度、标准光波长计的不确定度、被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性的不确定度、光纤光栅传感网络分析仪波长分辨力引入的不确定度及其他影响因素的不确定度等。C.1.3测量不确定度评定C.1.3.1参考光纤光栅引入的标准不确定度分量参考光纤光栅引入的标准不确定度分量由其稳定性决定。参考光纤光栅稳定性为±2pm,按均匀分布,包含因子k=,则该项引入的不确定度分量C.1.3.2标准光波长计引入的.2pm可溯源的标准光波长计测量不确定度为U=0.5pm(k=2),则该项引入的不确定度分量u2=0.5pm/2≈0.3pmC.1.3.3被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的标准不确定度分量利用被校光纤光栅传感网络分析仪对参考光纤光栅进行6次测量,结果见表C.1。表C.1中心波长示值测量数据测量次数中心波长/nm11520.31591528.39121563.940221520.31441528.39031563.940431520.31461528.38971563.939641520.31591528.38991563.939251520.31441528.39031563.9389JJF1804—202012表C.1(续)测量次数中心波长/nm61520.31591528.39071563.9406平均值/nm1520.31521528.39041563.9398实验标准偏差/pm0.380.550.69由表C.1可知,测量重复性最大值为0.69pm,该项引入的不确定度分量u3=0.69pmC.1.3.4被校光纤光栅传感网络分析仪波长分辨力引入的标准不确定度分量工程中常用的光纤光栅传感网络分析仪波长分辨力一般在pm量级,为简便运算取值1pm,半宽度为0.5pm。按均匀分布,包含因子k=,该项引入的不确定度分量重复性不确定度分量小于,5。C.1.3.5其他影响因素引入的标准不确定度分量其他影响因素包括光纤中应力双折射引起的波长漂移、温度波动引入的波长漂移、光纤光栅参数校准装置和被校光纤光栅传感网络分析仪波长峰值算法的差异等,估计影响量C.1.4不确定度合成u5=1.0pmC.1.4.1标准不确定度评定表表C.2标准不确定度评定表序号ui不确定度来源标准不确定度u(xi)/pm概率分布灵敏系数ci不确定度分量ui(y)/pm1u1参考光纤光栅引入的不确定度1.16均匀11.162u2标准光波长计引入的不确定度0.25正态10.253u3被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度0.69正态10.694u4被校光纤光栅传感网络分析仪波长分辨力引入的不确定度0.29均匀10.295u5其他影响因素的不确定度1.011.0JJF1804—202013C.1.4.2以上各项标准不确定度分量之间独立不相关,重复性引入的不确定度分量大于分辨力引入的不确定度分量,避免重复计算,因此计算时仅取重复性引入的不确定度分量进行计算。合成标准不确定度uc==1.7pmC.1.5扩展不确定度取包含因子k=2,则U=2uc=4pmC.2可调谐激光器法波长示值误差的不确定度评定C.2.1波长示值误差的测量模型Δ=Ru-Rs(C.2)式中: Ru—被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值,nm;Rs—标准光波长计示值的平均值,nm。C.2.2测量不确定度来源测量过程中主要的不确定度来源有:可调谐激光源波长稳定性引入的不确定度、被校光纤光栅传感网络分析仪波长分辨力引入的不确定度、被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度和标准光波长计引入的不确定度等。C.2.3测量不确定度评定C.2.3.1可调谐激光源波长稳定性引入的不确定度分量可调谐激光源引入的标准不确定度分量由其稳定性决定。按B类方法进行评定,的不确定度分量可调谐激光源的波长稳定度为±1.0pm,按均匀分布,包含因子k=,则该项引入的不确定度分量C.2.3.2被校光纤光栅传感长的不确定度分量按B类方法进行评定。被校光纤光栅传感网络分析仪波长分辨力为1pm,按均匀分布,包含因子k=,则该项引入的不确定度分量C.2.3.3被校光纤光栅传感量的不确定度分量按A类方法进行评定(在1490nm~1640nm范围内选择3个典型值进行评定)。被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度u3,重复测量6次,测量结果见表C.3。表C.3中心波长示值测量数据测量次数中心波长/nm11515.03411550.05651585.033121515.03431550.05661585.033031515.03421550.05671585.033041515.03401550.05671585.0331JJF1804—202014表C.3(续)测量次数中心波长/nm51515.03381550.05681585.033161515.03381550.05661585.0323平均值/nm1515.03401550.05671585.0330实验标准偏差/pm0.210.110.20不确定度/pm0.090.050.08测量重复性最大值为0.21pm,该项引入的不确定度分量u3=0.21pmC.2.3.4标准光波长计引入的标准不确定度分量B类定定度为U=0.5pm(k=2),按u4=0.25pmC.2.4不确定度合成C.2.4.1标准不确定度评定表表C.4标准不确定度评定表序号ui不确定度来源标准不确定度u(xi)/pm概率分布灵敏系数ci不确定度分量ui(y)/pm1u1可调谐激光源波长稳定性引入的不确定度0.58均匀10.582u2被校光纤光栅传感网络分析仪的波长分辨力引入的不确定度0.29正态10.293u3被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度0.21正态10.214u4标准光波长计引入的标准不确定度0.25正态10.25C.2.4.2以上各项标准不确定度分量之间独立不相关,重复性引入的不确定度分量小于分辨力引入的不确定度分量,避免重复计算,因此计算时仅取分辨力引入的不确定度分量进行计算。合成标准不确定度uc==0.74pm≈0.8pmC.2.5扩展不确定度取包含因子k=2,则U=2uc=1.6pm≈2pmJJF1804—202015C.3动态范围的不确定度评定C.3.1动态范围的测量模型D=2RIL+2Ra