基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统及方法与流程

技术特征：

1.基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：包括宽带激光光源、电压传感器参考单元、电压传感器传感单元、传输光纤、光电探测器和末端信号显示处理系统；

所述宽带激光光源输出激光，所述激光通过传输光纤将光信号送入电压传感器参考单元的输入端，所述电压传感器参考单元的输出端与电压传感器传感单元连接；所述电压传感器传感单元上设置有外加电压；所述电压传感器传感单元输出携带待测电压信号信息的光强信号；所述光强信号输入到光电探测器中；所述光电探测器将输出的光强信号转换为电压信号，所述电压信号通过末端信号显示处理系统生成所测外加电压数值。

2.如权利要求1所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述电压传感器参考单元包括第一光环形器、第一光栅和第一压电陶瓷；所述电压传感器传感单元包括第二光环形器、第二光栅和第二压电陶瓷；

所述第一光栅设置于第一压电陶瓷上；所述第一光环形器的一端通过光纤与宽带激光光源的输出端连接；所述第一光环形器的另一端与第一光栅连接；

所述第二光栅设置于第二压电陶瓷上；所述第二光环形器的一端与所述第一光环形器的一端连接；所述第二光环形器的另一端与第二光栅连接；

所述第二光环形器的光输出端与光电探测器的光输入端连接；所述第二压电陶瓷上施加待测电压值；

所述第二光环形器与光电探测器连接。

3.如权利要求2所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述第一光栅或第二光栅为反射型布拉格光栅。

4.如权利要求2所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述第一压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层；第二压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层。

5.如权利要求2所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述光电探测器得到电压传感器传感单元输出的光强信号，所述光强信号公式如下：

$M_{PD}\left(\mathrm{\λ}\right)=0.95\×{(1-k)}^2{\∫}_{aa}^{bb}S\left({\mathrm{\λ}}_B\right)F_1\left(\mathrm{\λ}\right)F_2\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ};$

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为第一光栅的反射率，F2(λ)为第二光栅的反射率。

6.如权利要求2所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述末端信号显示处理系统按照以下公式获得电场强度：

$\begin{array}{c}{M}_{PD}\left(\mathrm{\λ}\right)=0.95\×{(1-k)}^2{I}_{peak}\exp \[-4\left(\ln 2\right){\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_B-{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}\right)}^2\]{R_0}^2\exp \[-8\left(ln2\right)\]\\ {\∫}_{aa}^{bb}\exp \[{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\right)}^2\]\exp \[{\left(\frac{\mathrm{\λ}-\left(1549.767+88.65\×\mathrm{\Δ}U\right)}{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\right)}^2\]d\mathrm{\λ}=f\left(\mathrm{\Δ}U\right)\end{array};$

式中，M_PD表示传感器输出光强；I_peak表示宽带激光光源的峰值功率；λ_B表示宽带激光光源的波长；λ₀表示宽带光源的中心波长；R₀表示光纤光栅的最大反射率；Δλ₀表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；Δλ₁表示第一光纤光栅GA的半峰值全脉宽(FWHM)；Δλ₂表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；λ₁表示第一光纤光栅GA的中心波长；ΔU为待测电压。

7.基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至电压传感器的输入端；

2)激光光束在电压传感器中经过两次反射，输出携带待测电压信号信息的光强信号通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)末端信号显示处理系统通过电压信号获得待测电压强度。

8.如权利要求7所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

$M_{PD}\left(\mathrm{\λ}\right)=0.95\×{(1-k)}^2{\∫}_{aa}^{bb}S\left({\mathrm{\λ}}_B\right)F_1\left(\mathrm{\λ}\right)F_2\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ};$

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅GA的反射率，F2(λ)为光栅GB的反射率。

9.如权利要求7所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

$\begin{array}{c}{M}_{PD}\left(\mathrm{\λ}\right)=0.95\×{(1-k)}^2{I}_{peak}\exp \[-4\left(\ln 2\right){\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_B-{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}\right)}^2\]{R_0}^2\exp \[-8\left(ln2\right)\]\\ {\∫}_{aa}^{bb}\exp \[{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\right)}^2\]\exp \[{\left(\frac{\mathrm{\λ}-\left(1549.767+88.65\×\mathrm{\Δ}U\right)}{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\right)}^2\]d\mathrm{\λ}=f\left(\mathrm{\Δ}U\right)\end{array};$

式中，M_PD表示传感器输出光强；I_peak表示宽带激光光源的峰值功率；λ_B表示宽带激光光源的波长；λ₀表示宽带光源的中心波长；R₀表示光纤光栅的最大反射率；Δλ₀表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；Δλ₁表示第一光纤光栅GA的半峰值全脉宽(FWHM)；Δλ₂表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；λ₁表示第一光纤光栅GA的中心波长；ΔU为待测电压。