【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，尤其涉及一种基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统。
技术介绍
1、近几十年来，随着科学技术的不断进步，光纤传感技术在过去几十年中得到了飞速的发展，广泛应用于高速远距离通信、光学成像、超快激光和光学传感等领域。光纤传感一直是一个备受关注的研究领域，早期，光纤传感技术主要应用于测量光纤本身的物理性质，例如光纤长度、衰减等。自20世纪70年代中期以来，光纤传感技术在电力、化工、医疗保健、环境等许多领域均有着广泛的应用。在传统的传感器中，由于传感信号需要通过电缆传输，这会导致许多的局限，而光纤传感技术具有包括信号传输距离远、抗电磁干扰性能好、信噪比高在内的许多优势。其中，各种光纤传感技术都有其独特的优点和适用范围。例如，基于布里渊散射的光纤传感技术被广泛用于结构健康监测领域；基于拉曼效应的光纤传感技术则可以用于化学成分检测和气体传感领域；而基于单根连续光纤沿空间分布测量的分布式光纤传感器由于具有如超高精度、快速响应、多路复用能力和分布式传感能力等优势，代表了光学传感领域的最高水平。在光纤传感技术的应用方面，温度传感是最早应用光纤传感技术的领域之一。光纤传感技术可以实现对温度的高灵敏度测量，并且具有快速响应、低噪声、抗干扰等优点。此外，光纤传感技术还可以用于测量应变、压力、位移、加速度、振动等多种物理量。
2、然而，当前的光纤传感仍有着许多局限性，其中之一就是无法在极短时间内对光信号进行快速和高精度的测量，以满足高速运动或超快事件的检测需求。例如在振动传感的应用中，传统的光学干涉技术依赖于对一
3、在现代科学技术中，对物质的精细控制和精确测量无疑是至关重要的。尤其在诸如光电子学、精密工程、生物医学等领域，力和应变的精确测量和控制已经成为了一种迫切的需求。然而，尽管在力的测量上取得了巨大的进步，但在对于微小力的精确测量方面，尤其在1mn以下的精确测量上，仍然有许多值得做的事。近年来，光色散时域干涉技术的快速发展为拉力测量提供了新的可能。光纤传感器因其高度的灵敏度、较小的尺寸以及良好的免电磁干扰性等优点，在许多应用中都展示出了其强大的潜力。尤其是色散时域干涉仪(dti)，作为一种利用光时域干涉原理进行精密测量的设备，利用dti制成的拉力传感器在许多方面的性能都十分优良。
4、研究拉力传感对于多个领域具有重要意义，包括工程结构监测、机器人技术、运动生物力学等。准确测量拉力有助于确保安全和优化各种器件的性能。当下较为主流的高精度拉力传感器包括应变片传感器，负荷电子秤传感器，光线布拉格(fbg)传感器等，其中应变片传感器是一种基于电阻应变技术的传感器，其工作原理是将应变片粘贴在受力物体表面，通过测量材料上的应变导致的电阻变化来测量力，量程可达到5000n，精度最高可以达到0.1％fs，但其容易受温度、湿度和电磁变化等环境因素干扰；负荷电子秤传感器是基于电容式或电磁式原理的拉力传感器，通过测量受力后的位移来计算拉力。量程可达到20000n，精度可以达到0.02％fs；fbg传感器利用光纤内的布拉格光栅对光的反射特性进行测量，可以检测拉力、温度、应力等物理量，量程可达500000n，大量程下的精度一般在0.1％fs。前两种传感器的分辨率一般可达mn量级，fbg传感器由于量程过大，一般分辨率在n量级。基于dti的拉力传感器的理论最高精度可达3×10-7fs，分辨率可以达到0.025mn，也即25μn，远比上述传感器更精确。且得益于光纤的材质以及光信号传输的稳定，其抵抗环境干扰因素的能力很高，加上它优异的精度和分辨率，基于dti的力传感器也有着巨大的潜力。拉力传感器在量程上不大，不过该问题可以通过增加杠杆装置来解决。理论精度可达3×10-7fs，分辨率可以达到0.025mn，远比上述传感器精确。
5、根据电磁波时空双重性质，空间域和时间域中的波动方程具有相似特征。近年来出现的时间拉伸技术(dispersive fourier transformation,dft)便可以将超短脉冲扩展到纳秒级巨啁啾脉冲，将光谱信息编码至时域波形中，这也可以视为时域中空间单缝衍射的类比。
6、如图1所示，首先，将一个超短脉冲光分为两路，并在经过不同的光程后再次合并成一个脉冲。随后，令这道光通过一段光纤传输，由于光纤的色散特性，不同波长的光速存在微小差异，这会导致脉冲包络在光纤中的形状被展宽。
7、考虑脉冲的包络线为e0(t)，脉冲包络角频率为ω0，脉冲间距为τ，假设输入的超短脉冲信号在经过两路不同的光程后汇合可以表示为两个脉冲的叠加形式：
8、e(t)＝e0(t)+e0(t+τ)exp(iω0τ)
9、实验中采用了10km长的光纤来提供大色散β，而又由前述可知，当脉冲通过色散介质传输时，其频谱会被展宽，且展宽后脉冲的宽度是远大于两脉冲间距的，可以通过作近似处理得到下式，考虑i0(t)＝|e0(ω)|2/β，结合非线性光纤光学的理论，代入化简，可以得到时域干涉谱的形状表达式为
10、i(t)＝2i0(t)[1+cos(τt/β+ω0τ)]
11、其中i0(t)为e0(t)经过长光纤大色散后的形状表达式。从i(t)的表达式中可以看出，cos项导致了图中的周期性波动，进而产生干涉条纹。其中，条纹的间距是一致的，称为t，干涉谱的相位称作从cos函数的表达式中可以得到下面两式
12、t＝2πβ/τ
13、
14、从示波器读取到的时域干涉谱数据中，通过对其进行傅里叶变换，可以得到时域干涉谱的条纹间距t和相对应的相位通过t可以求得关键数据τ，注意到这里是可以通过条纹间距t和相位这两个维度来获取时间信息的，满足这里可以根据τ和确定k后，再进一步求出精细的通过的方式求出的τ会比通过式中的t求出的τ要更加精确，在传感器上的体现即为灵敏度更高。后面，将第一步根据ω求出的τ称为τ1，将最后通过确定k和t0后求出的τ称为τφ。
15、一般的干涉仪仅仅基于相位测量是无法得到中整数k的值的，也即单次测量的情况下，一般干涉仪的量程是无法超过半个周期的，相位上的量程无法超过π，只有半个光学周期。而本文所提到的超快激光脉冲色散时域干涉仪只需要满足τ1的分辨率小于t0即可确定式中整数k的值，再由前述方法即可得到更为精确的的值。它的量程理论上可以达到光纤断裂的级别，远远大于一般光学干涉仪的量程，可以达到几百甚至上千个光学周期，且其精度在相位精度量级，在后续实验中对其测量得到的最高精度可以达到6as。
16、因此，通过对干涉谱进行适当的信号分析处理，最终可以得到精确的时间延迟信息，后续可以通过进一步的计算，得到本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，包括第一光耦合器、第二光耦合器，第一光路、第二光路；光进入第一光耦合器分为第一光路、第二光路；第一光路、第二光路除光路间的特殊位置外均紧密贴合；在光路间的特殊位置，第二光路绷紧，第一光路保持弧形自然放松状态；光经过第一光路、第二光路后，通过第二光耦合器汇合。
2.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述光路间的特殊位置由第一固定点、第二固定点通过热缩管结构固定。
3.如权利要求2所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述热缩管结构包括光纤、热缩管内通道，光纤穿过热缩管内通道后放入热熔机热熔，将光纤在热缩管内通道固定。
4.如权利要求2所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述热缩管结构包括热缩管内的金属针，防止光纤受弯折断裂。
5.如权利要求2所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述第二固定点后，有施力处可施加拉力，只使绷紧的第二光路受力变
6.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，包括掺铒光纤激光器，产生光源。
7.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，包括十公里长的光纤、示波器；第二光耦合器将光汇合再均分为2路，一路通过十公里长的光纤获得色散，另一路不作处理，进入示波器。
8.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，基于光的色散时域干涉技术。
9.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，采用光纤的杨氏模量应变公式。
10.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，采用高采样率示波器进行数据采集。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，包括第一光耦合器、第二光耦合器，第一光路、第二光路；光进入第一光耦合器分为第一光路、第二光路；第一光路、第二光路除光路间的特殊位置外均紧密贴合；在光路间的特殊位置，第二光路绷紧，第一光路保持弧形自然放松状态；光经过第一光路、第二光路后，通过第二光耦合器汇合。
2.如权利要求1所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述光路间的特殊位置由第一固定点、第二固定点通过热缩管结构固定。
3.如权利要求2所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述热缩管结构包括光纤、热缩管内通道，光纤穿过热缩管内通道后放入热熔机热熔，将光纤在热缩管内通道固定。
4.如权利要求2所述的基于超快激光脉冲时域干涉的高采样率拉力传感系统，其特征在于，所述热缩管结构包括热缩管内的金属针，防止光纤受弯折断裂。
5.如权利...
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