振弦、光纖光柵應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)規(guī)范-征求意見(jiàn)稿

JJFxxxx-xxxx1振弦、光纖光柵應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)規(guī)范GBT3408.2—2008大壩監(jiān)利用光纖傳感的原理，例如，光纖布拉格光柵(FBG)的柵距，會(huì)因光纖軸向長(zhǎng)度的JJFxxxx-xxxx2應(yīng)變傳感器在量程范圍內(nèi)的輸出量變化值與應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)的振幅和相位受頻率變化而變（a）電阻應(yīng)變傳感器示意簡(jiǎn)圖1-基底；2-線纜；3-封裝材料；4-電阻敏感柵；5-固定孔（b）振弦應(yīng)變傳感器示意簡(jiǎn)圖 1-固定端；2-外殼；3-線圈保護(hù)殼；4-激勵(lì)與接收線圈；5-鋼弦；6-線（c）光纖應(yīng)變傳感器示意簡(jiǎn)圖1-光纖包層；2-封裝基底；3-光纖；4-光柵；5-焊點(diǎn)纜圖1應(yīng)變傳感器外形示意圖表1振弦應(yīng)變傳感器計(jì)量特性項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)JJFxxxx-xxxx3標(biāo)距(mm)10~300靈敏度(Hz2/(μm/m))-溫度補(bǔ)償系數(shù)((μm/m)/℃)-綜合誤差(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0線性度(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0回程誤差(%FS)0.20.52.0重復(fù)性(%FS)0.20.52.0表2光纖光柵應(yīng)變傳感器計(jì)量特性項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)標(biāo)距(mm)3~500應(yīng)變靈敏度(pm/(μm/m))0.8~3.0溫度補(bǔ)償系數(shù)(pm/°C)-綜合誤差(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0線性度(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0回程誤差(%FS)0.20.52.0重復(fù)性(%FS)0.20.52.0動(dòng)態(tài)指標(biāo)參考靈敏度(%)3.0（k=2）頻率響應(yīng)(Hz3db)（0~5000）幅值線性度(%)±10注：校準(zhǔn)工作不判斷合格與否，上述計(jì)量特性要求僅供參考。6.1.2校準(zhǔn)前，被校準(zhǔn)的應(yīng)變傳感器表3校準(zhǔn)項(xiàng)目及校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器序號(hào)校準(zhǔn)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)1標(biāo)距(mm)游標(biāo)卡尺：MPE：±0.02mm2綜合誤差（%FS）1）振弦頻率采集儀：MPE：0.1%2）振弦應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置：標(biāo)距范圍（5～300）mm，MPE：±3μm3線性度（%FS）4回程誤差（%FS）5重復(fù)性（%FS）JJFxxxx-xxxx表4校準(zhǔn)項(xiàng)目及校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器序號(hào)校準(zhǔn)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)1標(biāo)距影像測(cè)量?jī)x：測(cè)量范圍0~100）mm測(cè)量不確定度U=3μm，k=2。2應(yīng)變靈敏度1）FBG解調(diào)儀：波長(zhǎng)測(cè)量范圍不小于1510~1590）nm；波長(zhǎng)測(cè)量不確定度：U≤5pm，k=2。2）應(yīng)變校準(zhǔn)裝置：A.方法1：彎矩?fù)隙确☉?yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置：應(yīng)變測(cè)量范圍-1500~1500）μm/m；應(yīng)變測(cè)量不確定度：U≤10μm/m，k=2。B.方法2：位移拉壓法應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置：位移測(cè)量范圍：不小于5mm當(dāng)標(biāo)距=100mm）形成的應(yīng)變測(cè)量范圍不小于-20000~20000）μm/m；位移測(cè)量不確定度：U=0.1μm，k=2，形成的應(yīng)變測(cè)量不確定度：U=1μm/m，k=2。3）溫度計(jì)：溫度測(cè)量范圍：不小于（15~30）°C；溫度測(cè)量不確定度：U=0.2°C，k=2。3綜合誤差4線性度5回程誤差67溫度補(bǔ)償系數(shù)1）FBG解調(diào)儀：波長(zhǎng)測(cè)量范圍不小于1510~1590）nm；波長(zhǎng)測(cè)量不確定度：U≤5pm，k=2。2）溫度補(bǔ)償系數(shù)校準(zhǔn)裝置：A.方法1：黑體加熱撓度法應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置：應(yīng)變測(cè)量范圍-1500~1500）μm/m；應(yīng)變測(cè)量不確定度：U=10μm/m，k=2；溫度測(cè)量范圍：不小于（20~500）°C；溫度測(cè)量不確定度：U=0.2°C，k=2。B.方法2：溫度測(cè)量裝置：溫度測(cè)量范圍：（-30~105）°C；溫度測(cè)量不確定度：U≤0.05°C，k=2。8動(dòng)態(tài)參考靈敏度1）FBG高速解調(diào)儀：波長(zhǎng)測(cè)量不確定度：U≤5pm，k=2。波長(zhǎng)解調(diào)頻率0～1000）HzJJFxxxx-xxxx9頻率響應(yīng)2）彎矩?fù)隙确☉?yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置：應(yīng)變測(cè)量范圍不小于-1500~1500）μm/m；應(yīng)變測(cè)量不確定度：U≤10μm/m，k=2。頻率響應(yīng)范圍不小于：（0~10）kHz幅值線性度注：允許采用滿足測(cè)量不確定度要求的其它測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器7.2振弦應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法采用游標(biāo)卡尺對(duì)標(biāo)距L進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量三次取振弦頻率采集儀讀取應(yīng)變傳感器的輸出頻率P=K(fi2-f02)+C+d(Tt-Ti)（1）式中：Pi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變值，單位為微米每米(μm/mK為應(yīng)變傳感器的靈敏度，單位為微米每米每二次方赫茲((μm/m）/Hz2f0為初始輸出頻率，單位為赫茲（Hz）；fi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)的輸出頻率值，單位為赫茲（Hz）；C為應(yīng)變傳感器初始位置時(shí)應(yīng)變值，單位為微米每米(μm/md為應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償系數(shù)，單位為微米每米每攝氏度((μm/m）/℃);Tt為測(cè)試時(shí)的溫度，單位為攝氏度(℃);T通過(guò)對(duì)振弦應(yīng)變傳感器的拉伸或壓縮來(lái)產(chǎn)生應(yīng)P=xiL（2）xi為振弦應(yīng)變傳感器產(chǎn)生應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的位移量fi2-f02=-C（3）令JJFxxxx-xxxxyi=fi2-f02a=b=-jiji）， (xi-x)2L(xi-x)(yj-y)(|(xi-x)(yj-y))|i=1(xi-x)2x-y振弦應(yīng)變傳感器固定在與被測(cè)結(jié)構(gòu)物相同材料試件上，其溫ftmax-ftminTt,Tt,maxJJFxxxx-xxxxftmax為經(jīng)溫度修正后振弦應(yīng)變傳感器在Ttmax環(huán)境的輸出頻率，單位為赫茲（Hz或）；ftmin為經(jīng)溫度修正后振弦應(yīng)變傳感器在Ttmin環(huán)境的輸出頻率，單位為赫茲（Hz或）；'Tt,max'T為振弦應(yīng)變傳感器最高工作溫度，單位為攝氏度(℃);為振弦應(yīng)變傳感器最低工作溫度，單位為攝氏度(℃);fn為振弦應(yīng)變傳感器頻率或頻率模數(shù)的滿量程輸出。Y小二乘法進(jìn)行擬合，得到截距為g；同理可知，測(cè)量根據(jù)三個(gè)循環(huán)的測(cè)量數(shù)據(jù)，由正、反同向行程在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)三次測(cè)量輸出值，求出同向行程中相互間的最大差值，取各點(diǎn)同向行程中差值最大的為Δi，按式（16）計(jì)rJJFxxxx-xxxx8應(yīng)變傳感器在某校準(zhǔn)點(diǎn)處的重復(fù)性為ξR，可計(jì)算該校準(zhǔn)點(diǎn)處的一組測(cè)量值的樣u,iu,u,iu,iRSd,idR按式（21）計(jì)算應(yīng)變傳感器在第j次行程中第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差，取測(cè)量循環(huán)中絕對(duì)值7.3光纖光柵應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法采用影像測(cè)量?jī)x對(duì)標(biāo)距進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量三次或五（22）式中：Kε為應(yīng)變靈敏度，pm/(μm/m)，Δλ為波長(zhǎng)變化量，pm。校準(zhǔn)時(shí)，在FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測(cè)量范圍內(nèi)大致均勻分布取至少5個(gè)點(diǎn)，根據(jù)JJFxxxx-xxxxK=Y=Y+Kεiεijλij-ελijε-εεij0Y=0-mnmnλε-εεijλijε-εεijK為參比直線斜率；Yλij為FBG解調(diào)儀在第j次行程中第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的波長(zhǎng)輸出值；ε為第j次行程中第i個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值；ε為各校準(zhǔn)點(diǎn)輸入標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變平均值；）；j為第j次測(cè)量行程次序數(shù)，j=1,2,…,n下εijλij-ελijKεε-εεij光纖光柵應(yīng)變傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)FBG應(yīng)變傳感器）固定在基于等強(qiáng)度懸臂梁應(yīng)變測(cè)量原理的撓度法應(yīng)變校準(zhǔn)裝置，產(chǎn)生并測(cè)量梁表面某測(cè)量點(diǎn)處的撓度值，依據(jù)計(jì)算公式），JJFxxxx-xxxx εx=(Lx)2yb（27）L為梁的有效長(zhǎng)度，mm；x為載荷加載點(diǎn)到撓度測(cè)量點(diǎn)的距離，mm；yb為撓度測(cè)量點(diǎn)處的撓度，mm。光纖光柵應(yīng)變傳感器固定在等強(qiáng)度懸臂梁表ε=Cεxb2）位移拉壓校準(zhǔn)法FBG應(yīng)變傳感器粘貼在拉壓裝置上，其實(shí)際ε=LL為滑動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)之間的距離。式中：YFS為位移至上下限時(shí)三個(gè)正、反行程 式中：gi為傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)三個(gè)循環(huán)正行程輸出量的平均值；r綜合誤差ξLHR計(jì)算公式為：k=KTKε（37）式中：Δλ為波長(zhǎng)變化量，單位為納米（nmΔT為傳感器測(cè)試過(guò)程中的溫度變化量，單位為攝氏度(℃);KT為FBG應(yīng)變傳感器溫度靈敏度，單位為皮米k為光纖光柵傳感器溫度補(bǔ)償系數(shù)，單位為微米每米每攝氏度（(μm/m)/℃);Tt為測(cè)試時(shí)傳感器的溫度，單位為攝氏度(℃);Ti為參考溫度，單位為攝氏度(℃);之比為該傳感器的動(dòng)態(tài)參考靈敏度。撓度法動(dòng)態(tài)參考靈敏度按式(38)計(jì)算，拉伸法動(dòng)態(tài)Sd=（38）Sd=（39）式中：Sd為光纖光柵傳感器的動(dòng)態(tài)參考靈敏度；δfi=20lg（40）式中：δfi為第i個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度與動(dòng)態(tài)參考靈敏度的相對(duì)偏差；Sdi為第i個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度；Sd為動(dòng)態(tài)參考靈敏度。均勻選取5個(gè)應(yīng)變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出各應(yīng)變點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度，然后按式(41)計(jì)算各應(yīng)=δdri=Sdi-SdSd式中：δdri為第i個(gè)應(yīng)變點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度與應(yīng)變傳感器動(dòng)態(tài)參考靈敏度相對(duì)偏差；Sdi為第i個(gè)應(yīng)變點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度；Sd為參考動(dòng)態(tài)靈敏度。b）實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng)和地址；）；），h）如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對(duì)抽樣程序進(jìn)行j）本次校準(zhǔn)所用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說(shuō)明；p）未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書(shū)面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書(shū)的聲明。A.2推薦的校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)頁(yè)格式見(jiàn)表JJFxxxx-xxxx表A.1校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)頁(yè)格式證書(shū)編號(hào)：校準(zhǔn)環(huán)境條件溫度：℃相對(duì)濕度：%地點(diǎn)：序號(hào)校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)結(jié)果12345校準(zhǔn)員：核驗(yàn)員：JJFxxxx-xxxx圖B-1撓度法應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖從而被測(cè)FBG應(yīng)變傳感器也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變；微變；精密撓度計(jì)用于測(cè)量梁的撓度和厚度；將FBG圖B-2納米位移拉壓法應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖臺(tái)表面，計(jì)算機(jī)控制電機(jī)工作，來(lái)使滑動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生水平JJFxxxx-xxxxK=L(fi-if02)-(fi2Cf02)（C-1）u(K)「u(L)]2「u(x)]2「u(fi2-f02u(K)「u(L)]2「u(x)]2「u(fi2-f02)]2KLL」Lxi」|Lfi-f0」|式中：K為應(yīng)變傳感器的靈敏度，單位為微米每米每二次方赫茲((μm/m）/Hz2f0為初始輸出頻率，單位為赫茲（Hz）；fi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)的輸出頻率值，單位為赫茲（Hz）；L為振弦應(yīng)變傳感器的測(cè)量標(biāo)距量程，單位為米（mxi為振弦應(yīng)變傳感器相對(duì)L的變形量，單位為微米(μm）。表1不確定度來(lái)源一覽表不確定度來(lái)源xi相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度/(%)靈敏系數(shù)Ci振弦應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置Urel10.241頻率采集儀Urel20.011重復(fù)性Urel30.101標(biāo)距Urel40.011測(cè)量的綜合誤差Urel50.481JJFxxxx-xxxxPC.4.1振弦應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量P振弦應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)裝置MPE：±3μm，位移量0.24mm，測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度C.4.2頻率讀數(shù)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel2(f2-f2Urel2=fi2-f02C.4.3重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel3Urel3C.4.4標(biāo)距引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel4（C-3）（C-4）（C-5）標(biāo)距L=150.01mm，卡尺的測(cè)長(zhǎng)誤差標(biāo)距引入的誤差MPE：±0.02mm，測(cè)量的相對(duì)不確定度Urel4C.4.5測(cè)量的綜合誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel5綜合誤差的合成相對(duì)不確定度： u(Pi)「u urel(K)=uLL2+ui2+ufurel(K)=2（C-7）(C-8)（C-9）JJFxxxx-xxxxFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度的測(cè)量不確定度評(píng)定（位移拉壓K=Δλ=Lg(λi-λ0)=LgΔλ(D-1)εεΔLΔL式中：λi為施加應(yīng)變后FBG應(yīng)變傳感器的中心波長(zhǎng)；λ0為未施加應(yīng)變時(shí)的FBG應(yīng)變傳感器的初始中心波長(zhǎng)；Δλ為FBG波長(zhǎng)變化量；ucrel(Kε)=uel(Δλ)+uel(ε)= l(Lg)+ul(Δλ)+ul(ΔL)標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源類(lèi)別相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度靈敏度系數(shù)中心波長(zhǎng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Δλ)B0.002%1標(biāo)距引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（Lg）A0.0018%1位移量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(ΔL）A0.005%1被測(cè)應(yīng)變波長(zhǎng)值重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(λ)A0.01%1JJFxxxx-xxxx標(biāo)距是由影像測(cè)量?jī)x多次重復(fù)測(cè)量取均值得到的，對(duì)FBG傳感器的標(biāo)距進(jìn)行多次利用納米拉壓位移法應(yīng)變校準(zhǔn)裝置對(duì)FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)量，多次測(cè)量后得重urel(λ)=0.01%(D-7)(D-8)2222(D-8)2222c。JJFxxxx-xxxxFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度的測(cè)量不確定度評(píng)定（撓其中，L為梁的有效長(zhǎng)度，h為梁的厚度，x為撓度測(cè)點(diǎn)距載荷點(diǎn)的距離，yucrel(Kε)= uel(Δλ)+22xuel(L-x)+uel(C)+uel(h)+uel(y(x))(E-2)i不確定度來(lái)源類(lèi)別相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度靈敏系數(shù)1梁厚度的測(cè)量誤差urel（h）A0.02%2端點(diǎn)距離測(cè)量誤差urel（L-x）A0.014%3撓度測(cè)量誤差urel（yx）A0.03%4應(yīng)變比例放大系數(shù)urel(α)A0.05%5中心波長(zhǎng)變化量引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Δλ)B0.002%6被測(cè)應(yīng)變波長(zhǎng)值重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(λ)A0.01%urel(h)=u)==0.02％(E-3)JJFxxxx-xxxxurel(a)==0.05％(E-6)依據(jù)