[发明专利]基于多纵模自混合效应的电压传感测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于多纵模自混合效应的电压传感测量装置，其特征在于：包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括圆柱形压电陶瓷和传感光纤，所述压电陶瓷由被测的电压源控制，所述传感光纤缠绕在压电陶瓷上；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得传感单元压电陶瓷的电压。

2.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的电压传感测量装置的电压测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中压电陶瓷的电压发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元压电陶瓷的电压，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为电压变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测电压时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为电压变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当施加在压电陶瓷上的电压改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得电压变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，压电陶瓷上的电压变化引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(8)

对于圆柱形压电陶瓷，由于施加在压电陶瓷上的电压变化导致的应变变化可表示为其中，U为施加在压电陶瓷上的电压，r为圆柱形压电陶瓷的半径，d₃₃为压电系数，则由压电陶瓷上的电压引起的相位延迟可表示为：

利用补偿光程并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、压电系数d₃₃、传感光纤应变系数ξ和压电陶瓷半径r进行计算，可得施加在传感单元压电陶瓷上的电压。