超连续谱激光气体传感系统不确定度的结果与分析

本节给出了超连续谱激光气体传感系统的不确定度评定方法，明确了系统中测量不确定度的来源。通过分析，其来源包括以下6个方面：标准浓度气体稀释产生的不确定度、超连续谱激光器引起的不确定度、LLTF滤波器扫描时产生的不确定度、光电探测器接收光信号时引起的不确定度、数据采集卡采集数据时导致的不确定度、重复性测量引起的不确定度。

1.标准浓度气体稀释产生的不确定度

气体稀释产生的不确定度主要来源于两个方面，分别为气体出厂前由于生产偏差导致的不确定度以及动态稀释校准仪中两个质量流量计配比气体时产生的不确定度。查阅实验室所用CO2和N2的标准物质证书，确定气体的允许生产偏差为0.1%，按照均匀分布计算，则实验中所用两种气体的不确定度分别为u11=动态稀释校准仪配比气体主要靠两个质量流量计来实现，其流量测量精度为±1.0%FS。其中，流量计1最大通过量为10 L/min，则流量计1的引用误差Y1=10×1%/10=1%，最大允许误差为δ=1%×10=0.1，根据均匀分布，计算不确定度为流量计2最大通过量为1 L/min；则流量计2的引用误差Y2=1×1%/1=1%，最大允许误差为δ=1%×1=0.01，根据均匀分布，计算不确定度为四个分量互不相关，采用方和根法进行计算，则标准浓度气体稀释产生的不确定度

2.超连续谱激光器引起的不确定度

激光器是系统的核心部分，实验系统中激光器的波长和光强的变化直接影响系统测量结果的准确性。本系统中超连续谱激光器的重复精度为±5%，按均匀分布计算，包含因子k取则激光器的不确定度为

3.LLTF滤波器引起的不确定度

系统中光学滤波器的不确定度来源于其波长调谐分辨率。经查阅滤波器分辨率D为0.1 nm，以分辨率作为整个区间宽度D，以分辨率的一半D/2作为半宽区间，按均匀分布计算，则滤波器产生的不确定度为

4.光电探测器引起的不确定度

探测器进行探测的信号的灵敏度对测量结果带来一定的不确定度，查看仪器相关说明书等资料，得到探测器偏差百分比为0.35%，同样取k取3，得到的不确定度为(www.xing528.com)

5.数据采集卡引起的不确定度

数据采集卡主要作用是实现数据的A/D转换，其换转精度对实验结果会产生一定影响。数据采集卡的A/D转换精度为0.003%，满量程±1。实验中选择的量程为Er=30 V（范围为-15~+15 V）。采样的位数BD=16位。量化误差位Q=Er/2BD=0.045 8%。

则由数据采集卡A/D转换精度导致的最大偏差的变化范围为[-a，a]，因此对a进行计算，a=0.003%×Er+Q=0.001 4。得到数据采集卡产生的不确定度为

6.测量结果重复性引起的不确定度

选取浓度为9%的CO2连续进行10次重复测量，以考察测量重复性。扫描波长为1 425~1 445 nm，对主吸收峰信号强度的10次测量结果进行计算，得到信号强度的平均值为0.128 4，由贝塞尔公式计算得到实验的标准差S（xi）=因此由测量重复性导致的标准不确定度为u6=S（xi）/

综上所述，系统的测量不确定度包括以上6个，前5个主要为系统自身具有的不确定度，属于B类不确定度，测量重复性引起的不确定度为A类不确定度。它们之间彼此独立，则合成不确定度为

选取p=95%，v=8，查表得到包含因子kp=2.31，则扩展不确定度为up=2.31×uc=0.621 6。综上所述，可以得出u5数据采集卡引起的不确定度最小，u4光电探测器引起的不确定度最大，因此，减小u4可显著减小系统整体的测量不确定度，从而提高系统测量结果的可靠性。