光纤、光缆及其通信系统的测量

10.1测量的基础知识10.1.2测试分类10.1.3误差理论10.2光纤传输特性的测量10.2.1光纤损耗的测量10.2.2色散的测量10.2.3偏振模色散的测量10.3光纤的机械性能与环境性能测量10.3.1光纤机械性能的测量10.3.2光纤带机械性能测量10.3.3光纤的环境性能测量10.4光纤尺寸及带尺寸参数的测量10.4.1光纤几何尺寸参数的测量10.4.2光纤带尺寸参数装置第十章光纤、光缆及其通信系统的测量10.5光缆的性能测试10.5.1光缆的机械性能测试10.5.2光缆的环境性能测试10.6光端机的测量10.6.1光接口指标与测试10.6.2电接口指标与测试10.7光纤通信系统测量10.7.1误码性能参数的测量10.7.2抖动性能参数的测量第十章光纤、光缆及其通信系统的测量310.1测量的基础知识10.1.1测量的基本概念测量过程一般包括：准备、测量和数据处理三个阶段准备阶段工作是明确被测量对象的性能及测量所要求达到目的，然后来选定合适的测量方法，进而选择相应的测量仪器。测量阶段的工作是按照测量仪器所要求具备的测量条件，仔细地按试验程序进行操作，认真记录试验数据。数据处理阶段任务是根据记录的数据，结合实验条件，运用误差理论和数据处理方法计算出测量结果和测量误差。1．测量过程测量结果的表示形式有数据、曲线和图形等。不论用哪种形式表示测量结果，其内容都应该包含数值、单位和误差。我们在此要强调的是，在表示测量结果时，既要表示量值，又要注明测量误差的数值或范围。2．结果表示43．测量手段任何测量都要通过量具、仪器、试验装置或测量系统来实现。量具是体现计量单位的器具。量具中有少数量具可直接参与比较，例如，利用钢尺可直接测量受试光纤光缆试样长度。但是多数一具要借助专门的设备才能发挥比较的功能。例如，利用标准电阻测量电阻，需要通过电桥。由于使用量具测量操作比较麻烦，所以在实际工程测量中应少用量具测量，尽量使用直读式仪器。仪器是泛指一切参与测量工作的设备。它包括直接读仪器、仪表、测试信号源、电源及辅助设备。常用的光纤光缆测量仪表有：光功率计、光时域后向反射和色散仪等。测量装置上由几台测量仪器及有关设备组成的，是用来完成某种具体测量任务的整体组合。例如，国内广泛彩光缆机械性能测试装置。测量系统是由若干个不同用途的测量仪器及有关辅助设备所组成，用来进行多种性能参数的综合测试系统。例如：光纤性能综合测量仪，它可以用来测试光纤的多种性能参数，如衰减系数、衰减谱、截止波长和模场直径等。10.1测量的基础知识510.1.2测试分类光纤通信系统是由系统、有源器件、无源器件和光缆线路共同组成的复杂系统。整个系统以及各组成部分的测试项目繁多，为有助于从事测试的人员学习和掌握各种测试技术，按照不同特点，将测试分类介绍如下1．实体测试按被测实体的特征，可将光纤通信系统发为系统测试、器件测试和光纤光缆测试。系统测试的例子有光端机、数字复用设备的测试等。器件测试例子有光纤放大器、衰减器等的测试等。光纤光缆测试例子有光纤衰减、光纤色散、光纤偏振模色散及光缆机械性能、光缆环境性能及光缆线路断点位置测试等。2．运行状态测试按被测试实体运行状态，可将光纤通信系统分为停业务测试和不停业务测试。在当前条件下，有些测试只能是在停业务时才能进行，例如光接收机灵敏度和动态范围测试。另外一些测试可以在暂停业务下进行，也可在不停业务下进行，例如，光缆线路的衰减系统测试。6根据测试工作的目的的不同，又可将测试分为原料测试、产品测试、工程测试和维护测试等。原料测试是景鉴定进厂原料的性能合格与否，是保证产品质量优良关系重要的测试。产品测试是为了保证出厂产品质量的测试。工程测试是保证工程质量的测试。维护测试是为确保可靠运行和维护质量的测试。3．工程项目的测试测量是指借助于仪表来确定测量的值。例如，用光时域反射仪来确定某根光纤的衰减系统数是多少dB/km。检验是在给一个指标值和一个容许界限的前提下，确定被测值是否保持在容许界限内。例如，用游标卡尺观测光缆外径，检验光缆外径是否在其规定尺寸的容许范围。校准是一种日常进行的的使两个或多个量之间保持恒定的关系。通常这些量中有一个是参考基准，如标准光纤。光时域反射仪校准就是调整其测量长度和衰减系统数与标准光纤的长度和衰减系数相等。应该指出的是，在光纤通信工程中，一般不严格地区分不同的测试，而将每个具体技术性能指标的测试简称为测试。4．广义上测试包括测量、检验和校准三个方面的具体技术工作内容。10.1.2测试分类710.1.3误差理论任何测量和实验所得数据与被测量的真值之间都不可避免地存在着差异，这一差异在数值上即为误差。实践可证明误差存在的必然性和普遍性。为了充分认识并减小或消除误差，必须对测量过程和科学实践中存在的误差定义、误差来源和误差分类有所了解一、误差定义及表示所谓误差就是测得值与被测量的真值之间的差，可用式表示。误差=测得值—真值例如在长度计量测试中，测量某一尺寸误差公式具体形式即为：误差=测得尺寸—真实尺寸测量误差可用绝对误差来表示，也可用相对误差来表示。（10－1）（10－2）81．绝对误差某量值的测得值和真值之差为绝误差，通常简称为误差。绝对误差=测得值—真值由式(10-3)可知，绝对误差可能是正值或负值。所谓真值是指在观测一个量，该量本身具有真实大小。量的真值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在某些特定的情况下，真值以是可知的。例如：一个整圆周有为360o，安定义规定国际千克基准的值可认为真值是1kg等。为了使用上的需要，在实际测量中，常用被测量的实际值为替代真值，而实际值的定义是满足规定的精确度的用代替真值使用的量值。(10-3)在实际工作中，经常使用修正值。为消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，将测得值加上修正值后可得近似的真值，即：真值≈测得值+修正值由此得：修正值=真值—测得值修正值与误差值大小相等而符号相反，测得值加修正值后可以消降低该误差的影响，但必须注意，一般情况下难以得到真值，因为修正值本身也有误差，修正后只能得到较测得值更为准确的结果。10.1.3误差理论92．相对误差相以误差等于绝对误差与被测量的真值之比，因测得值与真值接近，故也可近似用绝对误差与测得值之比作为相对误差，即：相对误差=绝对误差/真值≈绝对误差/测得值由于绝对误差可能为正值或负值，因此相对误差了可能为正值或负值。相对误差是无名数，通常用百分数（%）来表示。例如用水银温度计测得某一温度为20.3℃，用高一待级温度计测得值为20.20℃，因后者测得值精度高，故可以认为20.20℃接近真实温度，而水银温度计测量的绝对误差为0.1℃，其相对误差为：0.1/20.20≈0.1/20.3≈0.5%10.1.3误差理论10二、误差来源在测量过程中，根据误差产生的原因可将误差来源归纳为测量装置误差、方法误差和人员误差1．测量装置误差标准量具误差指的是以固定形式复现的标准量值的器具——如标准电池、标准砝码等——本身体现的误差。仪器误差指的是被测量和已知量进行比较的仪器或仪表——如天平等比较器、温度计等指示仪表——本身所具有的误差。附件误差指的是仪器附件及附属工具，如千分尺的调整量棒等的误差。附件误差也会引起测量误差。2．环境误差由于环境因素与规定的标准状态不一致而引起的测量和被测量本身的变化所造成的误差，如温度、湿度、气压、振动、照明和电磁场等所引起的误差。10.1.3误差理论113．方法误差由于测量方法的不完善所引起的误差。如采用钢卷尺测量光缆的圆周长s，再通过计算求出光缆的直径如d=s/π，因此，近似数π取值的不同将会引起误差。4．人员误差由于测量者受分辨能力的限制，因工作疲劳引起的视觉器官的生理变化，固有习惯引起的读数误差，以及精神上的因素产生的一时疏忽等引起的误差。因此在计算测量结果的精确度时，对上述四个方面的误差来源要进行全面分析，对误差影响较大的因素要予以特别注意，力求不遗漏、不重复。10.1.3误差理论12三、误差分类按照误差的特点与性质，可分为系统误差、随机误差（也称为偶然误差）和粗大误差三类。1．系统误差在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。例如标准量值不准确或仪器刻度的不准确而引起的误差。10.1.3误差理论2．随机误差在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不同预定方式变化着的误差称为随机误差(也称为偶然误差)。例如仪器仪表中传动部件的间隙和摩擦，连接件的弹性变形等引起的显示值不稳定。13超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差(也称为疏忽误差)。粗大误差值较大，明显歪曲测量结果，如测量时对错了标志、读错或记错了数，使用有缺陷的仪器以及在测量时因操作不细心而引起的过失性误差等。虽然误差分为上述三类，但是应该注意各类误差之间在一定条件下可以相互转化。对某项具体误差，在此条件下为系统误差，在彼条件下可为随机误差，反之亦然。掌握误差转化的特点，可将系统误差转化为随机误差，用数据统计方法减小误差影响，或将随机误差转化为系统误差，用修正方法减小其影响3．粗大误差10.1.3误差理论14四.测量结果的处理1.精度反映测量结果与真值接近程度的量，称为精度。精度与误差的大小相对应，因此可用误差大小来表示精度的高低，误差小则精度高，误差大则精度低。在测量技术中描述精度的有三个术语，即准确度、精密度和精确度。10.1.3误差理论准确度反映测量结果中系统误差的影响程度。系统误差越小，准确度越高。①．准确度②精密度精密度反映测量结果中随机误差的影响程度。随机误差越小，测量的精度越高。15精确度反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度，即表示测量结果与真值的一致程度，其定量特征可用测量的不确定度（或极限误差）来表示。精度在数量上有时可用相对误差来表示，如相对误差为0.01%，可笼统地设其精度为10-4若纯属随机误差引起，则说其精密度为10-4，若是由系统误差与随机误差共同引起的，那么，则说其精确度为10-4。对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的而精密度也不一定高，但精确度高，则精密度与准确度都高。③精确度10.1.3误差理论162.数据处理因为测量过程中总存在测量误差，而仪器的分辨率又有限，所以测量数据处理总是被测量真值的近似值。究竟近似到何种程度合适，读测量仪表读数时取几位数字，这些都应根据所用仪器的准确度和理论计算的需要来确定。①有效数字所谓有效数字是：规定截取得到的近似数的绝对误差不得超过其末位单位数字的一半，并称此近似数从它左边第一个不是零的数字起到右边最末一位数字止的所有数字为有效数字。有效数字通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如，用准确度为0.5级的电压表测量电压时，电压表的指针停留在7.8与7.9之间，这时电压表的读数就需要用估计法来读取最后一位数字，若估计为7.86，这是一个近似值，7.8是可靠数字，而末位数6为欠准数字（超过一位欠准数字的估计是没有意义的），即7.86为三位有效数字10.1.3误差理论17当由于计算或其它原因需要减少数据的数字位时，应按数字修约规则修约。数字修约规则规定，以所要保留数字的末位单位为单位，衡量拟舍去数字的数值情况：（1）拟舍去数字的数值大于0.5单位者，所要保留数字的末位加1。（2）拟舍去数字的数值小于0.5单位者，所要保留数字的末位不变。（3）拟舍去数字的数值恰好等于0.5单位者，则使所要保留数字的末位凑成偶数（即当所要保留数字的末位为偶数时末位不变，为奇数时则加1）。例如，将下列数据修约为四位有效数字。5.14269→5.1436.378501→6.3792.71729→2.7174.510500→4.5103.21650→3.2168.3435→8.344②数字修约规则10.1.3误差理论18（1）作加减运算时，在各数中（采用同一计量单位），以小数点后位数最少的那个数(如无小数点，则为有效位数最少者)为基准数，其余各数均为修约至比基准数多一位小数，而计算结果所保留的小数点后位