分布式光纤传感温度测试系统性能标定方法

而使仪器使用者在进行测量数据处理时，能更清楚地知道数据的可靠性并合理确定数据的准确度。因此，仪器需要通过实验进行可重复性和准确度的系统性能标定。

1.实验设计

(1)实验设备

1台分布式光纤传感温度测试仪器，1台恒温水域槽SC—5A，光纤若干，1台计算机，剪刀、胶带若干。

(2)实验步骤

将大约200m的光纤放入水槽中，水槽设定为恒温40℃，并在表1设定仪器的相关配置参数。

以上不变的参数在本实验中保持不变，变量为采样时间。实验分为4组，名称分别为T30、T60、T120、T240，相应的采样时间分别为30s、60s、120s、240s。然后启动仪器开始实验，得到实验数据。

2.实验数据处理方法

(1)重复性标定数据处理方法

计算每组实验每次计量各测点之间测值的标准差，得到100个标准差。如果100次重复测量得到的100个方差随着时间的加倍而减半，并且100个标准差足够接近，即每组实验标准差的极差比小于平均值30%，即可验证重复性。

(2)准确度标定数据处理方法

首先，证明测得的数据符合正态分布。任取其中一次测得的各点数据，以0.01为温差单位(温度精确到2位小数)，统计此温度下的实验数据值个数，作出数据值个数与温度之间的关系图(目前为散点图)，图形形状接近正态分布曲线，即可以认为是符合正态分布。

然后，运用正态分布置信区间的概念，结合正态分布表，可以求得95%保证率下的置信区间。均值±1.96σ就是置信区间，1.96σ就是准确度。

3.实验主要影响因素

在上述实验中影响因素是时间，而此实验成立的前提是其他因素对实验结果没有影响，为此，我们已经进行相关实验排除了其他可能影响的因素，即采样长度和采样间隔的影响。

(1)采样长度

在相同实验条件下，将放入恒温水槽中的光纤长度改为50m，并且采样时间设定为60s，其他的配置参数均与上述实验相同，进行实验，记录试验数据。经计算分析，当仅光纤长度变化时，试验数据的平均标准差变化极小，可忽略不计。由此可得，采样长度不是本实验的主要影响因素。

(2)采样间隔

在相同实验条件下，将采样间隔改为0.15s，并且采样时间分别设定为30s、60s、120s、240s，其他配置参数均与上述实验相同，进行实验，记录试验数据。运用同样的数据处理方法，求得各次测量的温度平均标准差和各次测量的极差比。对比可得各次测量的标准差相差不大，30s时的极差比差别较大，但极差比仍然都小于30%。由此可得，采样间隔不是本实验的影响因素。

4.小结

本实验在排除了采样长度和采样间隔对实验结果的影响后，确定实验变量只有采样时间，并通过4组对比实验，设定采样时间分别为30s、60s、120s、240s，各进行100组实验，得到原始的实验数据。

然后，通过对每组实验中的100组数据求标准差及其标准差的平均值，对比分析4个标准差的平均值验证了理论，即随着采样时间加倍，温度变化的方差减半。在此前提下，求得各组实验的极差比并且比较得到极差比均小于30%。由此，验证了仪器的可重复性。

最后，同样运用实验中的原始实验数据，通过数据分析发现每组实验测量的数据符合正态分布的规律，运用正态分布置信区间的概念，结合正态分布表，可以求得95%保证率下的置信区间。均值±1.96σ就是置信区间，1.96σ就是准确度。由此，求出4个采样时间下仪器的准确度，为今后仪器的使用提供了便利。

五、空间分辨力标定

由于受空间分辨力(0.5m)的限制，当光纤上发生小于空间分辨力长度的升温时，测得的温差将小于实际温差。本实验的目的在于探究局部升温时，温差测量值和温差实际值之间的关系。

本实验将先根据光纤测出环境温度计算出升温目标温度，再利用自制的线热源将光纤加热到目标温度。稳定一段时间后，在仪器上读出升温段测量温度，与实际温度比较后得出结论。

1.实验内容

局部升温长度:0.5m、0.3m、0.2m、0.1m、0.05m，共5种情况。

温差:5、10、15、20摄氏度，共4个等级。

表1配置参数的设置

光纤连接方案:光纤上升温段和测点的相对位置会影响测量值大小，以升温段0.5m为例:这0.5m可能恰好覆盖了一个测点所管辖的光纤长度范围，也有可能位于两个测点的中间，此时没有任何一个测点管辖的0.5m完全升温，而理论上这两种情况的测量值是不同的。通过一定连接方案的设计，可以人为控制升温段和测点的相对位置，囊括所有情况。

具体方案如图3所示。共取30个升温段，通过有规律地改变连接段的长度(每次递增0.05m，1.00m～1.45m共10个连接段，循环3次并除去最后一个，得到29个连接段)，从而改变升温段和测点的相对位置，保证测量结果的完整性和可靠性。

图3