分布式光纤温度-应变-振动传感器性能参数测定方法(T-GDCKCJH 025—2020).pdf

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1、 ICS 17.180.99 L 85 团体标准 T/GDCKCJH 0252020 分布式光纤温度/应变/振动传感器性能参数测定方法 Determination method for performance parameters of distributed fiber temperature/strain/vibration sensor 2020-8-21 发布 2020-10-01 实施 广东省测量控制技术与装备应用促进会 发 布 T/GDCKCJH 0252020 I 目 次 前言.II 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 3.1 分布式光纤传感器 distri

2、buted optical fiber sensor.1 3.2 传感距离 sensing distance.1 3.3 空间分辨力 spatial resolution.1 3.4 测量范围 measuring range.1 3.5 测量准确度 accuracy of measurement.1 3.6 测量重复性 accuracy of measurement.2 3.7 多位置同时测量 multiple positions simultaneous measurement.2 3.8 单通道测量时间 single-channel measurement time.2 4 质量保证程序.

3、2 5 试验和测试程序.2 5.1 标准测试条件.2 5.2 传感距离.3 5.3 空间分辨力.4 5.4 测量范围.5 5.5 准确度.7 5.6 重复性.7 5.7 多位置同时测量判定.8 5.8 单通道测量时间.9 6 测试报告.9 T/GDCKCJH 0252020 II 前 言 本标准按照GB/T 1.12009标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写给出的规则起草。本标准由广东省测量控制技术与装备应用促进会提出。本标准由广东省测量控制技术与装备应用促进会归口。本标准起草单位：华南理工大学、广州海关技术中心、黄埔海关技术中心。本标准主要起草人：甘久林、杨中民、王斌、宋武元。本标准为

4、首次发布。T/GDCKCJH 0252020 1 分布式光纤温度/应变/振动传感器性能参数测定方法 1 范围 本标准规定分布式光纤温度/应变/振动传感器性能参数的术语和定义、测试条件及要求、测试方法。本标准适用于分布式光纤传感器温度/应变/振动传感器的性能参数测试。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 7424.1 光缆总规范 第1部分：总则 GB/T 7424.2 光缆总规范 第2部分：光缆基本试验方法 GB/T 7665-2005 传感器通用

5、术语 GB/T 13992 金属粘贴式电阻应变计 GB/T 33779.2 光纤特性测试导则 第2部分：OTDR后向散射曲线解析 IEC 61757 光纤传感器通用规范标准 IEC QC 001001 IEC电子元件质量评定体系（IECQ）基本章程 IEC QC 001002 IEC电子元件质量评定体系（IECQ）程序规则 3 术语和定义 GB/T 7424.1、GB/T 7424.2、GB/T 7665-2005和IEC 61757确立的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 分布式光纤传感器 distributed optical fiber sensor 利用光纤本身作为传感敏感元件和信

6、号传输介质，以一定的空间分辨力获取被测量沿光纤长度方向的信息分布，主要包括分布式光纤传感器主机和传感光纤。目前可测量的信息主要包括温度、应变和振动。3.2 传感距离 sensing distance 沿光纤长度方向实现有效测量的光纤物理长度，在此长度范围内，光纤任意位置处均可实现有效测量。3.3 空间分辨力 spatial resolution 沿光纤长度方向实现有效测量时，能区分识别最小的受到扰动（温度、应变或振动）的光纤长度。此空间分辨力特指传感过程中光纤长度上的有效空间间距。在扰动位置处，分布式光纤传感器测得该扰动信息阶跃变化值的10%到90%之间对应的光纤距离长度即为空间分辨力。3.4

7、 测量范围 measuring range 在允许误差限内由被测量的两个值确定的区间。注：被测量的最高、最低值分别称为测量范围的“上限值”、“下限值”。3.5 测量准确度 accuracy of measurement 测量结果与被测量的真值之间的一致程度。T/GDCKCJH 0252020 2 3.6 测量重复性 repeatability of measurement 保持测量条件不变，进行多次重复连续测量，所得多次测量结果之间的一致程度。3.7 多位置同时测量 multiple positions simultaneous measurement 沿光纤长度方向，多个位置同时发生扰动事件

8、（如温度、应变或振动），分布式光纤传感器可实现多个位置扰动信息的同时定位和测量。3.8 单通道测量时间 single-channel measurement time 分布式光纤传感器的单个通道完成一次传感距离范围内的所有位置处的信号测量所需的时间。4 质量保证程序 分布式光纤传感器的生产厂家负责保证传感器结构中采用的各种分立元器件，符合 IEC 电子元件质量评定体系 IEC QC 001001、IEC QC 001002。遗漏某特定的测试参数并不能免除制造商对设备安全性的最后责任，即制造商要通过合理的设计保证设备在预期环境中的功能。5 试验和测试程序 5.1 标准测试条件 分布式光纤传感器可

9、测量温度、应变和振动信息中的一种或几种。应根据量值溯源要求校准试验、测量设备，用于试验、测量设备准确度指标应满足对分布式光纤传感器测试的要求。除有特殊要求外，试验应在下列环境条件下进行：a)温度：15C35C；b)湿度：45%75%RH；c)大气压强：86 kPa106 kPa。温度测量主要试验设备有：a)恒温槽（工作温度-40C200C，均匀性：0.02C，稳定性：0.04C/10min）b)标准水银温度计（测温范围-30C300C，允差：(0.150.25)C）大应变测量主要试验设备有：a)应变标定架（应变范围：1010m）b)移动装置（分辨力：0.01mm）小应变和振动测量主要试验设备有

10、：a)光纤应变拉伸仪（振动频率范围：DC10kHz，应变范围：1n10，可采用 Optiphase 公司提供的 PZ 系列光纤拉伸器）b)高电压信号发生器（输出电压：0200 V，频率：DC1MHz，可采用普通信号发生器加高压放大器实现）用于测试的传感光纤：普通单模光纤（长度100 km）。光纤长度及定位主要试验设备有：光时域反射仪OTDR（测量范围：80km，定位分辨力：1m，使用参照GB/T 33779.2中的规定，可采用横河公司OTDR光时域反射仪AQ7282A）。在进行大应变测量时，如下图1所示，可采用环氧树脂或其他特定胶水将传感光纤粘贴在机械结构件表面，粘接工艺按照GB/T 1399

11、2的规定进行，粘接完成后应尽快进行应变的测试试验，避免长时间造成的胶粘性能下降。T/GDCKCJH 0252020 3 图1 光纤大应变测量测试安装图 图2 分布式光纤传感器性能参数测试图 5.2 传感距离 5.2.1 温度传感距离 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置附近，取不少于1m长度光纤，放入预先加热到60C的恒温槽装置中；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)在主机上读取温度施加位置处的温度测量值T1，标准温度计测量恒温槽实际温度值T0；e)当12|3TTC时，L即为有效温度传感距离。5.2.2 应变传感距离 应变

12、传感范围为1010m场合时，应变传感距离测试按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取不少于1m长度光纤；c)按图1将这一段光纤接入试验应变施加装置中，施加1000到此段光纤上；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；e)在主机上读取应变施加位置处的应变测量值i，读取施加的试验应变值0；f)当0|60i时，L即为有效应变传感距离。应变传感范围为1n10场合时，应变传感距离测试按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；c)

13、按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)给光纤应变拉伸仪施加直流电压并调整幅度大小，使得光纤应变拉伸仪产生试验应变500n；T/GDCKCJH 0252020 4 e)在主机上读取应变施加位置处的应变测量值i，读取施加的试验应变值0；f)当0|100in时，L即为有效应变传感距离。5.2.3 振动传感距离 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)给光纤应变拉伸仪施加100Hz正弦交流电压，调整电压幅度使光纤应变拉伸仪产生在100n1范围内的试验振动幅度；e)在主

14、机上读取振动施加位置处的振动信号频率if、振动幅度i，读取光纤应变拉伸仪施加的振动信号频率0f、振动幅度0；f)当00|/1%ifff和0|100in时，L即为有效振动传感距离。5.3 空间分辨力 5.3.1 温度测量空间分辨力 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取一段一定长度光纤，放入预先加热到60C的恒温槽装置中；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)测量室温为T0，在温度施加位置处，在主机上读取温度T0到60C阶跃变化10%90%的光纤长度L；e)步骤（b）中设定不同的恒温槽温度，循环完成不少于6组上述测试过程；

15、f)所有L数据中取最大值为有效温度空间分辨力。5.3.2 应变测量空间分辨力 应变传感范围为1010m场合时，应变空间分辨力测试按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取一段一定长度光纤；c)按图1将这一段光纤接入试验应变施加装置中，施加1000到此段光纤上；d)按图2将传感光纤接入连续分布式光纤传感器主机；e)在主机上读取试验位置处应变从0到1000阶跃变化10%90%的光纤长度L；f)在步骤（c）中设定不同的试验应变施加值，循环完成不少于6组上述测试过程；g)所有L数据中取最大值为有效应变空间分辨力。应变传感范围为

16、1n10场合时，应变空间分辨力测试按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；T/GDCKCJH 0252020 5 c)给光纤应变拉伸仪施加直流电压并调整幅度，产生500n试验应变值；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；e)在主机上读取试验位置处应变从0n到500n阶跃变化10%90%的光纤长度L；f)在步骤（c）中设定不同的试验应变施加值，循环完成不少于6组上述测试过程；g)所有L数据中取最大值为有效应变空间分辨力。5.3.3 振动测量空间分辨力 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光

17、纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)给光纤应变拉伸仪施加频率100Hz的正弦交流电压，调整电压幅度使得光纤应变拉伸仪产生振动幅度0达到100n1范围内；e)在主机上读取试验位置处振动幅度从0到0阶跃变化10%90%的光纤长度L；f)在步骤(d)中设定不同的试验振动幅度值，循环完成不少于6组上述测试过程；h)所有L数据中取最大值为有效振动空间分辨力。5.4 测量范围 5.4.1 温度测量范围 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取不少于1m长度光

18、纤，放入预先设置为20C的恒温槽装置中；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器；d)在主机上读取试验位置处温度测量值T1，标准温度计测量恒温槽实际温度值T0；e)当12|3TTC时，判定此温度处为有效温度测量点；f)在步骤(b)中设定不同的试验温度，宜从-20C+120C每间隔10C测量一次，宜测不少于10组温度点数据试验，每个温度点宜重复测量不少于6次，循环完成上述测试过程；g)所有有效温度测量点覆盖的温度范围即为有效温度测量范围。5.4.2 应变测量范围 应变传感范围为1010m场合，应变测量范围测试按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感

19、器传感距离L的99%位置处，取不少于1m长度光纤；c)按图1将这一段光纤接入试验应变施加装置中，施加1000到此段光纤上；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；e)分布式测应变数据上读取试验位置处的应变测量值i，读取施加的试验应变值0；f)当0|60i时，判定此应变处为有效应变测量点；T/GDCKCJH 0252020 6 g)在步骤(c)中设定不同的试验应变施加值进行测试，宜从03000每间隔200测量一次，宜测不少于10组应变点数据，每个应变点宜重复测量不少于6次，循环完成上述测试过程；h)所有有效应变测量点覆盖的应变范围即为有效应变测量范围。应变传感范围为1n10场合时，应变测量

20、范围测试按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；c)给光纤应变拉伸仪施加直流电压并调整幅度，使得光纤应变拉伸仪中的光纤产生500n；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；e)在主机上读取试验位置处的应变测量值i，读取光纤应变拉伸仪施加的试验应变值0；f)当0|100in时，判定此应变处为有效应变测量点；g)在步骤(c)中设定不同的试验应变施加值进行测试，宜从03000n每间隔200n测量一次，宜测不少于10组应变点数据，每个应变点宜重复测量不少于6次，循环完成上述测试过程；h)所有有效应变测

21、量点覆盖的应变范围即为有效应变测量范围。5.4.3 振动频率测量范围 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)给光纤应变拉伸仪施加频率100Hz的正弦交流电压，调整电压幅度使得光纤应变拉伸仪产生振动幅度达到100n1范围内；e)分布式测振动数据上读取试验位置处的振动频率测量值if，读取光纤应变拉伸仪施加的试验振动频率值0f；f)当00|/1%ifff时，判定此振动频率为有效振动频率测量点；g)在步骤（d）中设定不同的试验振动频率进行测试，宜从0.1Hz1000Hz每间

22、隔100Hz测量一次，宜测不少于10组振动点数据，每个振动点宜重复测量不少于6次，循环完成上述测试过程；h)所有有效振动频率测量点覆盖的频率范围即为有效振动频率测量范围。5.4.4 振动幅度测量范围 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，接入光纤应变拉伸仪；c)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；d)给光纤应变拉伸仪施加频率100Hz的正弦交流电压，调整电压幅度使得光纤应变拉伸仪产生500n振动幅度；e)在主机上读取试验位置处振动幅度测量值i，读取光纤应变拉伸仪施加的试验振动幅度值0；f)当0|100in时，判定此振动幅度为有效

23、振动幅度测量点；T/GDCKCJH 0252020 7 g)在步骤（d）中设定不同的试验振动幅度进行测试，宜从03000n每间隔200n测量一次，宜测不少于10组振动幅度点数据，每个振动幅度点宜重复测量不少于6次，循环完成上述测试过程；h)所有有效振动幅度测量点覆盖的幅度范围即为有效振动幅度测量范围。5.5 准确度 在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取一段三倍空间分辨力长度的光纤进行有效测定。读取分布式光纤传感器的解调输出信号，记录分析解调输出信号与试验设备所施加信号的差值，其最大差值取为测量误差，即有效准确度。5.5.1 温度测量准确度 执行“5.4.1温度测量范围”测量过程，所有

24、有效温度测量点中，传感温度测量值与试验施加温度值对应的最大差值，即为有效温度测量准确度。5.5.2 应变测量准确度 执行“5.4.2应变测量范围”测量过程，所有有效应变测量点中，传感应变测量值与试验施加应变值对应的最大差值，即为有效应变测量准确度。5.5.3 振动测量准确度 执行“5.4.3振动频率测量范围”测量过程，所有有效振动频率测量点中，传感振动频率测量值与试验施加振动频率值对应的归一化最大差值，即为有效振动频率测量准确度。执行“5.4.4振动幅度测量范围”测量过程，所有有效振动幅度测量点中，传感振动幅度测量值与试验施加振动幅度值对应的最大差值，即为有效振动幅度测量准确度。5.6 重复性

25、 在分布式光纤传感器传感距离范围内，在传感距离99%附近位置处，取一段三倍空间分辨力长度光纤进行有效测定。保持测量条件不变，宜重复6次以上准确度的测量过程，记录分布式光纤传感器的解调输出信号，重复性误差s应按式（1）计算：211()1=niixxnsA=.(1)式中：s：实测重复性；n：试验次数；x：n次传感测量值的算数平均值；ix：第i次传感测量结果值；A：分布式光纤传感器的测量范围。5.6.1 温度测量重复性 执行“5.4.1温度测量范围”测量过程，所有有效温度测量点中，传感温度测量值均按照公式（1）计算处理，所有重复性数据中的最大值取为有效温度测量重复性。5.6.2 应变测量重复性 执行

26、“5.4.2应变测量范围”测量过程，所有有效应变测量点中，传感应变测量值均按照公式（1）计算处理，所有重复性数据中的最大值取为有效应变测量重复性。5.6.3 振动测量重复性 T/GDCKCJH 0252020 8 执行“5.4.3振动频率测量范围”测量过程，所有有效振动频率测量点中，传感振动频率测量值均按照公式（1）计算处理，所有重复性数据中的最大值取为有效振动频率测量重复性。执行“5.4.4振动幅度测量范围”测量过程，所有有效振动幅度测量点中，传感振动幅度测量值均按照公式（1）计算处理，所有重复性数据中的最大值取为有效振动幅度测量重复性。5.7 多位置同时测量判定 在测试过程中，选定两个位置

27、，同时施加事件（如温度、应变或振动）扰动，分布式光纤传感器完成传感光纤所有位置处的测量，读取分布式光纤传感器的解调输出信号，记录分析解调受扰动位置处的输出信号与试验设备所施加信号的差值，根据差值是否在误差范围内，判定其是否具备多位置同时测量能力。5.7.1 温度多位置同时测量判定 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取两段不少于1m长度的光纤，此两段光纤的间距大于两倍空间分辨力；c)将两段光纤分别放入两个预先加热至一定温度的恒温装置中；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；e)在主机上读取两个扰动位置处温度测量值，标准温度计

28、测量两个恒温槽实际温度值；f)两个试验位置处传感温度测量值与温度计测量值对应差值均小于3C时，即可判定具备温度多位置同时测量能力。5.7.2 应变多位置同时测量判定 应变传感范围为1010m场合时，应变多位置同时测量判定按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，取两段不少于1m长度的光纤，此两段光纤的 间距大于两倍空间分辨力；c)按图1将这两段光纤接入两个试验应变施加装置中，分别施加500、1000到此两段光纤上；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器主机；e)在主机上读取两个扰动位置处应变测量值，读取施加的两个试验应

29、变值；f)两个试验位置处传感应变测量值与试验施加应变值对应差值均小于60时，即可判定具备应变多位置同时测量能力。应变传感范围为1n10场合时，应变多位置同时测量判定按照以下步骤进行：a)将传感光纤接入OTDR设备，测量传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，级联接入两个光纤应变拉伸仪，此两个光纤应变拉伸仪的间距大于两倍空间分辨力；c)给光纤应变拉伸仪施加直流电压并调整幅度，使得两个光纤应变拉伸仪分别施加500n、1000n应变；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器；e)在主机上读取两个扰动位置处应变测量值，读取两个光纤应变拉伸仪施加的试验应变值；f)两个试验位置处传感

30、应变测量值与试验施加应变值对应差值均小于100n时，即可判定具备应变多位置同时测量能力。5.7.3 振动多位置同时测量判定 T/GDCKCJH 0252020 9 a)将传感光纤接入OTDR设备，测量和定位传感光纤长度；b)在分布式光纤传感器传感距离L的99%位置处，级联接入两个光纤应变拉伸仪，此两个光纤应变拉伸仪的间距大于两倍空间分辨力；c)给光纤应变拉伸仪1施加频率100Hz的正弦交流电压，调整电压幅度使得光纤应变拉伸仪1产生振动幅度500n，给光纤应变拉伸仪2施加频率200Hz的正弦交流电压，调整电压幅度使得光纤应变拉伸仪2产生振动幅度1000n；d)按图2将传感光纤接入分布式光纤传感器

31、主机；e)在主机上读取两个扰动位置处的振动频率和振动幅度测量值，读取两个光纤应变拉伸仪施加的试验振动频率值和振动幅度值；f)两个试验位置处，传感振动频率测量值if与试验振动频率0f的归一化差值00|/ifff均小于1%，传感振动幅度测量值与试验振动幅度的差值均小于100n时，即可判定具备振动多位置同时测量能力。5.8 单通道测量时间 在测试过程中，选定某一通道，在其传感距离99%位置处施加试验信号，记录分布式光纤传感器完成传感光纤所有位置处的测量时间，需不少于3组数据。5.8.1 温度单通道测量时间 执行“5.2.1温度传感距离”测量过程，记录传感器完成光纤所有位置处温度测量所花的时间，需不少

32、于3组数据，取其中的测量时间最大值为有效单通道测量时间。5.8.2 应变单通道测量时间 执行“5.2.2应变传感距离”测量过程，记录传感器完成光纤所有位置处应变测量所花的时间，需不少于3组数据，取其中的测量时间最大值为有效单通道测量时间。5.8.3 振动单通道测量时间 执行“5.2.3振动传感距离”测量过程，记录传感器完成光纤所有位置处振动测量所花的时间，需不少于3组数据，取其中的测量时间最大值为有效单通道测量时间。6 测试报告 作为测试数据记录载体的资料，测试报告应包括以下内容：a)测试单位的名称及相关测试人员姓名；b)分布式光纤传感器型号；c)传感器测试过程中，传感光纤的安装及固定工艺；d)检测和记录仪器说明；e)具体测试结果应填写如下的数据表格 T/GDCKCJH 0252020 10 表1 分布式光纤传感测试结果数据表格 序号 检验项目 温度 应变 振动 1 传感距离试验 2 空间分辨力试验 3 测量范围试验 频率 幅度 4 准确度试验 频率 幅度 5 重复性试验 频率 幅度 6 多位置同时测量判定（是或否）7 单通道测量时间试验 针对不同传感量，如温度、应变和振动，根据需求可只测试一种或几种 _