《光栅与光电传感器》课件：原理与应用.ppt

*************************************土木工程应用桥梁监测光纤光栅传感器网络被安装在桥梁的关键结构部位，如主梁、索塔和拉索，形成全桥监测系统。这些传感器长期监测桥梁的应变、位移、振动和温度变化，评估结构健康状况。与传统传感器相比，FBG系统具有使用寿命长、抗雷电和电磁干扰等优势，特别适合长期监测。大坝安全监测在大坝本体和基础中埋设光纤光栅传感器，监测内部应变和温度场，检测渗漏和结构变形。分布式光纤传感技术可以提供沿整个大坝长度的连续监测数据，及早发现安全隐患。这些系统通常与自动化数据采集和分析软件结合，形成智能监测预警系统。隧道和地铁工程光纤传感系统用于隧道施工过程监测和运营期安全管理。传感器监测隧道衬砌的应变和裂缝发展，评估结构安全性。光栅位移传感器还用于监测地表沉降，保护周边建筑物安全。在地铁系统中，光纤传感网络与消防系统集成，提供温度异常和火灾探测功能。医疗领域应用生物传感器微纳光栅结构被用作高灵敏度生物传感器，通过检测生物分子与光栅表面的相互作用引起的光学特性变化，实现对特定分子的检测。这类传感器可用于蛋白质、DNA和抗体等生物分子的快速检测，具有灵敏度高、响应快、样品用量少等优点。基于光子晶体的生物传感器可以检测血液中的肿瘤标志物、病毒颗粒和细菌，为临床诊断提供快速准确的结果。相比传统检测方法，光栅生物传感器不需要荧光标记，操作简便，适合便携式设备和即时检测应用。医疗设备中的应用精密光栅传感器被广泛应用于各类医疗设备中，如CT扫描仪、MRI设备、放射治疗设备和手术机器人等。这些传感器提供高精度位置和角度测量，确保设备的精确操作和患者安全。在微创手术机器人中，微型光栅编码器用于关节位置反馈，实现亚毫米级的定位精度。光纤光栅传感器还被用于智能导管和医疗器械中，测量组织压力、温度和位置。这些传感器体积小、柔韧性好、电绝缘，可以安全地插入人体。例如，心脏导管中的FBG传感器可以测量心脏腔内压力和温度，指导心律失常的射频消融治疗。环境监测应用大气污染监测光电传感器和光谱分析技术结合，实现对大气中多种污染物的实时监测。差分光学吸收光谱(DOAS)系统使用光栅光谱仪，检测大气中的SO2、NO2、O3等气体浓度。激光雷达(LIDAR)系统利用光的散射和吸收特性，实现对空气质量的远程感测和三维分布测量。水质监测系统基于光纤和光栅技术的水质监测系统能够检测水中的浊度、有机物含量、重金属离子等参数。光纤化学传感器可以连续监测水体pH值、溶解氧和特定离子浓度。分布式光纤传感技术还可以监测长距离输水管道的泄漏和水温分布，保障水源安全。地质环境监测光纤光栅传感网络被应用于地质灾害监测，如滑坡、泥石流和地面沉降。埋入土壤或岩层的光纤传感器可以检测微小的应变变化，预警潜在灾害。在矿山安全监测中，分布式光纤传感系统监测巷道变形和瓦斯泄漏，保障矿工安全。安全防护应用安全光幕由发射器和接收器组成的光栅帘，在危险区域周围形成保护屏障。当有人或物体穿过光栅时，系统立即切断机器电源，防止事故发生。广泛应用于机械设备、生产线和危险区域周边防护。区域入侵检测基于光栅和光电传感的周界防护系统，在围墙或边界周围设置电子围栏。当入侵者干扰光束时，系统触发警报。相比传统方法，这种系统误报率低、全天候可靠工作。火灾探测系统光纤光栅传感网络用于大型建筑和长距离隧道的分布式温度监测和火灾探测。相比点式烟感，可提供连续温度分布图，快速定位火源，适合保护关键基础设施。通信领域应用光纤通信系统光栅是光纤通信中的关键器件，应用于波长选择、信号滤波和分路复用。光纤布拉格光栅(FBG)作为波长选择滤波器，可以从混合信号中提取特定波长通道。阵列波导光栅(AWG)是密集波分复用(DWDM)系统中的核心组件，能同时处理数十个波长通道，极大提高了光纤通信容量。光开关和光调制器基于光栅技术的光开关和调制器控制光信号的传输路径和特性。这些器件在全光通信网络中发挥关键作用，实现信号路由、波长转换和光信号处理，无需光电转换。电控可调谐FBG和液晶光栅调制器能够动态调整光信号特性，为可重构光网络提供技术支持。光纤传感网络光纤通信和光纤传感技术的结合产生了智能光纤传感网络。这种网络利用光纤既作为传感元件又作为通信媒介，实现分布式和多参数监测。光纤传感信号可以通过现有通信网络传输，实现远程监测和数据共享，为智慧城市和物联网应用提供基础设施支持。能源领域应用能源领域对光栅与光电传感器技术的需求不断增长，特别是在监测、控制和安全保障方面。在风力发电领域，光纤光栅传感器网络监测风机叶片的应变、振动和温度分布，评估叶片健康状况和寿命。这些数