第九章光电探测系统的典型应用

1、2022-3-71第九章第九章 光电探测系统的典型应用光电探测系统的典型应用9.1 在生活中的应用在生活中的应用 衣、食、住、行衣、食、住、行9.2 在安全及军事方面的应用在安全及军事方面的应用 安全方面的应用，安全方面的应用， 军事方面的应用军事方面的应用9.3 在工业方面的应用在工业方面的应用 光束检测，红外成像检测，光束检测，红外成像检测， 激光检测激光检测9.4 在农业方面的应用在农业方面的应用9.5 光电探测与诺贝尔科学奖光电探测与诺贝尔科学奖2022-3-72 自20世纪初以来，光电探测系统在人类生活中扮演了举足轻重的角色。有了光电探测技术，人类首次准确地测量了地月距离；随着光电探

2、测技术的发展，人类甚至可以操纵单个原子。光电子技术的每一次突破，都对人类的生活或科学研究带来了冲击性的影响。没有光电探测技术，就不会有复印机和数码相机的诞生；没有光电探测技术，我们甚至连有声电影都看不到。 光电探测技术作为现代信息技术的前端，它的发展依赖新的探测原理、并靠不断创新的工艺和材料来实现。光电探测技术直接推动了光电子材料的发展，促进了先进制造技术的发展，创造了亚微米、深亚微米集成电路，对地球科学和人居环境也有一定的影响。 在过去的二十年中，光电探测系统在科学研究、工业、农业、国防和军事、资源与环境、林牧渔业等行业中，都取得了长足的发展。 2022-3-739.1 在生活中的应用在生活

3、中的应用本节将对光电探测技术在我们生活中的各个方面，衣、食、住、行、环境、医疗卫生等方面的应用做一个简要的介绍。 9.1.1 在服装方面的应用 从棉花到服装主要由纺纱、印染、服装设计、裁剪等环节构成。光电技术在这些环节的应用，促生了新的工艺、机械设备和技术手段，大大推动了服装行业的发展。（1）棉花分级评定主要依据棉花的颜色、杂质含量、水分、纤维长度等特征。（2）纤维检测纤维检测仪器利用光电手段检测棉纤维中短绒含量纤维打结以及其中灰尘、杂质等情况。2022-3-74（3）红外光谱纺织纤维鉴别和配纱 纤维鉴别的原理是不同成分、含量的纺织纤维具有不同的红外吸收光谱。通过与纺织纤维光谱图库对比，可以实

4、现纺织纤维鉴别和含量分析，相关数据可用于纺机配纱，甚至实现对混纺织物比例的定量分析。（4）激光检测纱线 激光器反射的光束经扩束后投射到被测纱线上，被测纱线挡住一部分光通量，其余部分由后面配置的光电池接收，转换成光电流与光电压。（5）光电清纱光电清纱器可以更精确探测纱线的粗细变化，得到粗节、细节、棉结等纱疵和纱支支数错误信息，同时可检测出异色、异质纤维，清除化纤、毛发、异色纤维等杂质，提高纱线品质、监测纺纱工艺及设备运转情况。（6）激光疵点分析用光电方法寻找织物表面疵点，主要是根据疵点部位的织物表面反射系数与没有疵点的织物表面反射系数不同。 2022-3-75（7）激光检测起球织物 用激光检测法

5、对起球织物进行客观评价，是根据织物起球数目、球粒高度与单位面积上球粒总投影面积来建立球粒分级标准的，将样品与其进行对比来评定织物起球等级。（8）图像处理技术用于布匹印染检验和花样设计目前计算机图像信息处理技术已经广泛应用于在布匹印染检验；另一方面用在织物仿真CAD系统中，利用织物仿真模拟技术开发新产品。（9）人体三维结构数据自动测量系统人体三维结构数据自动测量系统，其目的在于提供配合“三维服装CAD设计”及“计算机模拟试衣”的人体结构三维数据，用于制作重现人体结构特征的服装。 其特点是采用非接触式测量，具有测量速度快、误差小、测量数据多的特点。 2022-3-769.1.2 在食品、保健品、药

6、品方面的应用 食品、保健品、药品方面的问题可以分为危害性安全问题、真伪问题、数量问题。（1）食品安全质量监督近红外区域是指波长在7802526nm范围内的电磁波，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团C-H、O-H、N-H、S-H、P-H等振动的倍频和合频吸收。近红外光谱分析技术的这些特点使得它很适合于测量食品中的水分、蛋白质、淀粉、脂肪、糖分、纤维等成分含量。应用近红外光谱分析技术，可以快速方便的确定食品的成分含量，检测出其中的有害物质，区分假冒伪劣产品，从而最大限度的保证食品安全。（2）农药残留检测根据目前我国果蔬相关标准和进出口检验要求常验

7、的农残项目及限量，参考有关多残留分析文献，采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）电子轰击源（EI）的选择离子（SIR）检测方式，可以实现对部分果蔬中107种残留有机农药（包括异构体）进行快速筛选与鉴定。 2022-3-77（3）多通道手持式食品安全检测仪 基于光电监测原理的多通道手持式食品安全检测仪能同时进行有机磷和氨基甲酸酯类农药、硝酸盐、亚硝酸盐、铅、氰化物、甲醛与吊白块等多种检测指标、多个样品的现场测定，且具有数据存储、查询、结果打印等功能。 （4）大型光电式谷物分选机大型光电式谷物分选机如大米分选机，它能从大米中剔出发黄、发黑的霉变大米。它由振动系统、光电辨析、气动除杂等三个主要模块构

8、成。如图9.1-12022-3-78（5）瓜果成熟度检测仪在待检瓜果不必采摘下来的情况下，手持式瓜果成熟度检测仪可用于方便地检测瓜果的成熟度。（6）保健品真伪检测保健品是一类特殊的食品。市场上很多保健品有精美的包装，并吹嘘奇特功效，欺骗渴望健康的群众。在利益的驱使下，不法商人常常制造的是名不副实的假货，很多假冒保健品实际上仅仅是普通食品。 2022-3-799.1.3 居住、环境、环保方面的应用 （1）光电测试技术在建筑物施工过程中的应用光电经纬仪、光电天顶仪、激光重力锤等光电探测设备在建筑勘察及施工过程中质量监控方面中得到了广泛应用。（2）建筑材料及结构件内部缺陷的检测材料内部缺陷的检测是无

9、损检测中的重要内容，目前有东南大学、北京航空航天大学、清华大学等单位的研究人员分别对玻璃钢内部脱粘、复合材料内部分层缺陷、炭纤维混凝土基体界面层缺陷等多种材料内部缺陷进行了红外检测试验研究。美国的劳伦斯立夫莫尔实验室开发了双频红外热像检测系统，将35m波长热像图和812 m波长热像图进行对比处理，去除由于表面混乱引起的温度异常，从而得出真实的缺陷位置形状、大小和深度等参数2022-3-710（3）建筑外墙面饰面层粘贴质的检测屋面防水层失效和墙面微裂，造成雨水渗漏，红外热像检测技术可以检出水分渗入隐匿部位。由于室内热扩散，阳光被吸收和传导均可使暴露渗漏部位与周边温度分布的差异，因而可采用红外热像

10、技术加以检测、分析判断。（4）建筑节能检测与评价作为辅助手段，红外热像技术通过检测建筑围护结构的传热缺陷，进而对图上的保温缺陷的统计可进行外墙的保温性能综合评价。（5）在用建筑隐蔽泄漏的探测如果建筑物深层相对于周围的材料表现出热或凉，则其表面的温度也相应地表现出高或低，借助红外热像仪可探测出这一深层热或凉的位置（热源法）。 2022-3-711（6）光电火灾探测器光电感烟式火灾探测器体积小，超薄、重量轻，便于安装在室内天花板上。它根据烟雾的浓度、烟雾浓度的变化量、烟雾浓度的变化速率等参数判定火灾，从而减少了误报。性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。大的方面讲，光电测试技术在废气监测、大气质量评估

11、等方面也有重要应用，有效保障了我们生活环境、生存空间的洁净、安全。 2022-3-7129.1.4 在交通方面的应用 2022-3-7132022-3-714（6）太阳能交通指示灯太阳能交通指示灯是一种绿色能源，是光电检测技术在交通监管系统中的应用。光电检测技术在交通监管系统中的应用还有视频监视等。（7）超高亮、大功率的LED信号灯超高亮、大功率的LED信号灯以其高亮度、高可靠性、低使用成本、长寿命等特点，得到城市交通管理部门的青睐。 2022-3-7159.2 在安全及军事方面的应用在安全及军事方面的应用9.2.1 在安全方面的应用在安全方面的应用（1）夜间及恶劣气候条件下目标的监控（2）防

12、火监控（3）伪装及隐蔽目标的识别（4）光纤感温探测系统在隧道中的使用2022-3-7169.2.2 在军事方面的应用 （1）侦察与遥感光电侦察设备广泛用于从空间到水下的各个领域。（2）夜视或观瞄由于红外成像和夜视技术的发展，野战已成为一种重要的作战方式。（3）火力控制各种火炮采用光电火控系统，即以红外光电跟踪瞄准目标，以激光测距来获得目标位置和速度信息，经计算机处理后进行火力控制，从而大大提高火炮射击命中率。（4）精确制导精确打击是现代高技术战争中最重要的攻击方式。（5）近爆引信导弹、炮弹和炸弹的近爆引信对能否有效摧毁目标至关重要，必须具有很高的可靠性和安全性。 2022-3-717（6）外形

13、隐身外形隐身技术主要有以下几个方面： 仿生学隐身技术。在自然界中，许多动物都有天生的隐身本领，为隐身研究提出了一些 等离子体隐身技术。 微波传播指示技术。 有源隐身技术。（7）视频隐身实现视频隐身的主要技术途径有： 特殊的涂料。 奇异的蒙皮。 变色的材料。 特殊的照明。 烟雾的屏蔽。 2022-3-718（8）通信野战光缆两端配以快速连接器。（9）惯性导航激光陀螺和光纤陀螺将广泛用于飞机、舰船和航天器的惯性导航系统。（10）光电对抗和激光武器光电制导、光电火控、光电引信等的使用，构成对各种军事目标的严重威胁，已成为电子战的不可分割部分。（11）靶场测量各种新型武器装备都要通过靶场试验来检测、改

14、进和完善。（12）模拟训练同实弹训练相比，模拟训练可以节省大量的物力财力。 2022-3-7192022-3-7202022-3-7212022-3-7222022-3-7231902年荷兰物理学家塞曼，于1896年发现钠的D谱线出现了谱线分裂，获物理学奖。1911年德国维恩，因发现热辐射规律维恩位移定律和建立黑体辐射的维恩公式，获物理学奖。1914年德国科学家劳厄，因发现晶体的X射线衍射，获物理学奖。1915年英国科学家威廉亨利布拉格和威康劳伦斯布拉格父子，在1912年，用 X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史，获物理学奖。1917年英国科学家巴克拉，发现X

15、射线对元素的特征发射，获诺贝尔物理学奖。2022-3-7241918年德国科学家普朗克因创立量子论、发现基本量子获诺贝尔物理学奖。1919年德国科学家斯塔克，因发现正离子射线的多普勒的效应和光线在电场中的分裂，获物理学奖。1921年美籍德裔科学家爱因斯坦，阐明光电效应原理，获诺贝尔物理学奖。1922年丹麦科学家玻尔，因研究原子结构及其辐射，获诺贝尔物理学奖。1923年美国密立根，因测量电子电荷、并研究光电效应，获诺贝尔物理学奖。1924年瑞典科学家西格班，因研究 X射线光谱学，获诺贝尔物理学奖。1927年美国康普顿，因发现散射X射线的波长变化；英国威尔逊，因发明可以看见带电粒子轨迹的云雾室，而

16、共同获得诺贝尔物理学奖。1928年英国科学家理查森，因发现电子发射与温度关系的基本定律，获诺贝尔物理学奖。 2022-3-7251930年印度科学家拉曼，因研究光的散射、发现拉曼效应，获诺贝尔物理学奖。1932年德国科学家海森堡，因提出量子力学中的测不准原理，获诺贝尔物理学奖。1936年奥地利赫斯，因发现宇宙辐射；美国安德林，因发现正电子，而共同获诺贝尔物理学奖。1943年匈牙利赫维西，因在化学研究中用同位素作示踪物，获诺贝尔化学奖。1948年英国布莱克特，因核物理和宇宙辐射领域的一些发现，获诺贝尔物理学奖。1953年荷兰塞尔尼克，因发明相位差显微镜，获诺贝尔物理学奖。1954年德国玻恩，因对

17、粒子波函数的统计解释；德国博特因发明符合计数法，而共同获得诺贝尔物理学奖。1955年美国兰姆，因研究氢原子光谱的精细结构；美国库什，因精密测量出电子磁矩，而共同获得诺贝尔物理学奖。 2022-3-7261964年美国家汤斯，苏联巴索夫、普罗霍罗夫因制成微波激射器和激光器而共同获得诺贝尔物理学奖。1966年法国卡斯特勒，因发现、研究原子中赫兹共振的光学方法，获诺贝尔物理学奖。1971年英国加博尔，因发明全息照相技术，获诺贝尔物理学奖。1974年英国赖尔，因对射电天文学观测技术方面的创造；英国赫威斯，因研究射电望远镜发现脉冲星，而共同获得物理学奖。1978年苏联卡皮察，因发明并利用氦的液化器；美国

18、彭齐亚斯、威尔逊因发现宇宙微波背景辐射，而共同获得物理学奖。1979年美国科马克、英国豪斯费尔德，因发明CT扫描，而共同获得生理学或医学奖。1981年瑞典西格班，因发明用于化学分析的电子能谱术；非线性光学的奠基人美国布洛姆伯根、肖洛因在光谱术中应用激光器，而共同获得物理学奖。 2022-3-7271982年英国克卢格，因以晶体电子显微镜和X射线衍射技术研究核酸蛋白复合体，获诺贝尔化学奖。1986年德国鲁斯卡、比尼格，瑞士罗勒，因研制出扫描式隧道效应显微镜，而共同获得物理学奖。1994年美国赫希巴赫、美籍华裔李远哲，因发现交叉分子束方法；德国波拉尼，因发明红外线化学研究方法，而共同获得化学奖。1997年美国朱棣文（华裔）、科恩、飞利浦，因首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度