第九章光電探測系統(tǒng)的典型應用§9.1在生活中的應用

衣、食、住、行 §9.2在安全及軍事方面的應用 安全方面的應用，軍事方面的應用 §9.3在工業(yè)方面的應用 光束檢測，紅外成像檢測，激光檢測

在農業(yè)方面的應用§9.5光電探測與諾貝爾科學獎5/12/20231自20世紀初以來，光電探測系統(tǒng)在人類生活中扮演了舉足輕重的角色。有了光電探測技術，人類首次準確地測量了地月距離；隨著光電探測技術的發(fā)展，人類甚至可以操縱單個原子。光電子技術的每一次突破，都對人類的生活或科學研究帶來了沖擊性的影響。沒有光電探測技術，就不會有復印機和數(shù)碼相機的誕生；沒有光電探測技術，我們甚至連有聲電影都看不到。光電探測技術作為現(xiàn)代信息技術的前端，它的發(fā)展依賴新的探測原理、并靠不斷創(chuàng)新的工藝和材料來實現(xiàn)。光電探測技術直接推動了光電子材料的發(fā)展，促進了先進制造技術的發(fā)展，創(chuàng)造了亞微米、深亞微米集成電路，對地球科學和人居環(huán)境也有一定的影響。在過去的二十年中，光電探測系統(tǒng)在科學研究、工業(yè)、農業(yè)、國防和軍事、資源與環(huán)境、林牧漁業(yè)等行業(yè)中，都取得了長足的發(fā)展。

5/12/20232§9.1在生活中的應用本節(jié)將對光電探測技術在我們生活中的各個方面，衣、食、住、行、環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生等方面的應用做一個簡要的介紹。

9.1.1在服裝方面的應用

從棉花到服裝主要由紡紗、印染、服裝設計、裁剪等環(huán)節(jié)構成。光電技術在這些環(huán)節(jié)的應用，促生了新的工藝、機械設備和技術手段，大大推動了服裝行業(yè)的發(fā)展。（1）棉花分級評定主要依據(jù)棉花的顏色、雜質含量、水分、纖維長度等特征。（2）纖維檢測纖維檢測儀器利用光電手段檢測棉纖維中短絨含量纖維打結以及其中灰塵、雜質等情況。5/12/20233（3）紅外光譜紡織纖維鑒別和配紗纖維鑒別的原理是不同成分、含量的紡織纖維具有不同的紅外吸收光譜。通過與紡織纖維光譜圖庫對比，可以實現(xiàn)紡織纖維鑒別和含量分析，相關數(shù)據(jù)可用于紡機配紗，甚至實現(xiàn)對混紡織物比例的定量分析。（4）激光檢測紗線激光器反射的光束經擴束后投射到被測紗線上，被測紗線擋住一部分光通量，其余部分由后面配置的光電池接收，轉換成光電流與光電壓。（5）光電清紗光電清紗器可以更精確探測紗線的粗細變化，得到粗節(jié)、細節(jié)、棉結等紗疵和紗支支數(shù)錯誤信息，同時可檢測出異色、異質纖維，清除化纖、毛發(fā)、異色纖維等雜質，提高紗線品質、監(jiān)測紡紗工藝及設備運轉情況。（6）激光疵點分析用光電方法尋找織物表面疵點，主要是根據(jù)疵點部位的織物表面反射系數(shù)與沒有疵點的織物表面反射系數(shù)不同。

5/12/20234（7）激光檢測起球織物用激光檢測法對起球織物進行客觀評價，是根據(jù)織物起球數(shù)目、球粒高度與單位面積上球?？偼队懊娣e來建立球粒分級標準的，將樣品與其進行對比來評定織物起球等級。（8）圖像處理技術用于布匹印染檢驗和花樣設計目前計算機圖像信息處理技術已經廣泛應用于在布匹印染檢驗；另一方面用在織物仿真CAD系統(tǒng)中，利用織物仿真模擬技術開發(fā)新產品。（9）人體三維結構數(shù)據(jù)自動測量系統(tǒng)人體三維結構數(shù)據(jù)自動測量系統(tǒng)，其目的在于提供配合“三維服裝CAD設計”及“計算機模擬試衣”的人體結構三維數(shù)據(jù)，用于制作重現(xiàn)人體結構特征的服裝。其特點是采用非接觸式測量，具有測量速度快、誤差小、測量數(shù)據(jù)多的特點。5/12/202359.1.2在食品、保健品、藥品方面的應用

食品、保健品、藥品方面的問題可以分為危害性安全問題、真?zhèn)螁栴}、數(shù)量問題。（1）食品安全質量監(jiān)督近紅外區(qū)域是指波長在780~2526nm范圍內的電磁波，主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產生的，記錄的主要是含氫基團C-H、O-H、N-H、S-H、P-H等振動的倍頻和合頻吸收。近紅外光譜分析技術的這些特點使得它很適合于測量食品中的水分、蛋白質、淀粉、脂肪、糖分、纖維等成分含量。應用近紅外光譜分析技術，可以快速方便的確定食品的成分含量，檢測出其中的有害物質，區(qū)分假冒偽劣產品，從而最大限度的保證食品安全。（2）農藥殘留檢測根據(jù)目前我國果蔬相關標準和進出口檢驗要求常驗的農殘項目及限量，參考有關多殘留分析文獻，采用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）電子轟擊源（EI）的選擇離子（SIR）檢測方式，可以實現(xiàn)對部分果蔬中107種殘留有機農藥（包括異構體）進行快速篩選與鑒定。

5/12/20236（3）多通道手持式食品安全檢測儀基于光電監(jiān)測原理的多通道手持式食品安全檢測儀能同時進行有機磷和氨基甲酸酯類農藥、硝酸鹽、亞硝酸鹽、鉛、氰化物、甲醛與吊白塊等多種檢測指標、多個樣品的現(xiàn)場測定，且具有數(shù)據(jù)存儲、查詢、結果打印等功能。（4）大型光電式谷物分選機大型光電式谷物分選機如大米分選機，它能從大米中剔出發(fā)黃、發(fā)黑的霉變大米。它由振動系統(tǒng)、光電辨析、氣動除雜等三個主要模塊構成。如圖5/12/20237（5）瓜果成熟度檢測儀在待檢瓜果不必采摘下來的情況下，手持式瓜果成熟度檢測儀可用于方便地檢測瓜果的成熟度。（6）保健品真?zhèn)螜z測保健品是一類特殊的食品。市場上很多保健品有精美的包裝，并吹噓奇特功效，欺騙渴望健康的群眾。在利益的驅使下，不法商人常常制造的是名不副實的假貨，很多假冒保健品實際上僅僅是普通食品。

5/12/202389.1.3居住、環(huán)境、環(huán)保方面的應用

（1）光電測試技術在建筑物施工過程中的應用光電經緯儀、光電天頂儀、激光重力錘等光電探測設備在建筑勘察及施工過程中質量監(jiān)控方面中得到了廣泛應用。（2）建筑材料及結構件內部缺陷的檢測材料內部缺陷的檢測是無損檢測中的重要內容，目前有東南大學、北京航空航天大學、清華大學等單位的研究人員分別對玻璃鋼內部脫粘、復合材料內部分層缺陷、炭纖維混凝土基體界面層缺陷等多種材料內部缺陷進行了紅外檢測試驗研究。美國的勞倫斯立夫莫爾實驗室開發(fā)了雙頻紅外熱像檢測系統(tǒng)，將3~5μm波長熱像圖和8~12μm波長熱像圖進行對比處理，去除由于表面混亂引起的溫度異常，從而得出真實的缺陷位置形狀、大小和深度等參數(shù)5/12/20239（3）建筑外墻面飾面層粘貼質的檢測屋面防水層失效和墻面微裂，造成雨水滲漏，紅外熱像檢測技術可以檢出水分滲入隱匿部位。由于室內熱擴散，陽光被吸收和傳導均可使暴露滲漏部位與周邊溫度分布的差異，因而可采用紅外熱像技術加以檢測、分析判斷。（4）建筑節(jié)能檢測與評價作為輔助手段，紅外熱像技術通過檢測建筑圍護結構的傳熱缺陷，進而對圖上的保溫缺陷的統(tǒng)計可進行外墻的保溫性能綜合評價。（5）在用建筑隱蔽泄漏的探測如果建筑物深層相對于周圍的材料表現(xiàn)出熱或涼，則其表面的溫度也相應地表現(xiàn)出高或低，借助紅外熱像儀可探測出這一深層熱或涼的位置（熱源法）。

5/12/202310（6）光電火災探測器光電感煙式火災探測器體積小，超薄、重量輕，便于安裝在室內天花板上。它根據(jù)煙霧的濃度、煙霧濃度的變化量、煙霧濃度的變化速率等參數(shù)判定火災，從而減少了誤報。性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。大的方面講，光電測試技術在廢氣監(jiān)測、大氣質量評估等方面也有重要應用，有效保障了我們生活環(huán)境、生存空間的潔凈、安全。

5/12/2023119.1.4在交通方面的應用

5/12/2023125/12/202313（6）太陽能交通指示燈太陽能交通指示燈是一種綠色能源，是光電檢測技術在交通監(jiān)管系統(tǒng)中的應用。光電檢測技術在交通監(jiān)管系統(tǒng)中的應用還有視頻監(jiān)視等。（7）超高亮、大功率的LED信號燈超高亮、大功率的LED信號燈以其高亮度、高可靠性、低使用成本、長壽命等特點，得到城市交通管理部門的青睞。

5/12/202314§9.2在安全及軍事方面的應用9.2.1在安全方面的應用（1）夜間及惡劣氣候條件下目標的監(jiān)控（2）防火監(jiān)控（3）偽裝及隱蔽目標的識別（4）光纖感溫探測系統(tǒng)在隧道中的使用5/12/2023159.2.2在軍事方面的應用

（1）偵察與遙感光電偵察設備廣泛用于從空間到水下的各個領域。（2）夜視或觀瞄由于紅外成像和夜視技術的發(fā)展，野戰(zhàn)已成為一種重要的作戰(zhàn)方式。（3）火力控制各種火炮采用光電火控系統(tǒng)，即以紅外光電跟蹤瞄準目標，以激光測距來獲得目標位置和速度信息，經計算機處理后進行火力控制，從而大大提高火炮射擊命中率。（4）精確制導精確打擊是現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭中最重要的攻擊方式。（5）近爆引信導彈、炮彈和炸彈的近爆引信對能否有效摧毀目標至關重要，必須具有很高的可靠性和安全性。

5/12/202316（6）外形隱身外形隱身技術主要有以下幾個方面：

①

仿生學隱身技術。在自然界中，許多動物都有天生的隱身本領，為隱身研究提出了一些②

等離子體隱身技術。③

微波傳播指示技術。④

有源隱身技術。（7）視頻隱身實現(xiàn)視頻隱身的主要技術途徑有：①

特殊的涂料。②

奇異的蒙皮。③

變色的材料。④

特殊的照明。⑤

煙霧的屏蔽。

5/12/202317（8）通信野戰(zhàn)光纜兩端配以快速連接器。（9）慣性導航激光陀螺和光纖陀螺將廣泛用于飛機、艦船和航天器的慣性導航系統(tǒng)。（10）光電對抗和激光武器光電制導、光電火控、光電引信等的使用，構成對各種軍事目標的嚴重威脅，已成為電子戰(zhàn)的不可分割部分。（11）靶場測量各種新型武器裝備都要通過靶場試驗來檢測、改進和完善。（12）模擬訓練同實彈訓練相比，模擬訓練可以節(jié)省大量的物力財力。

5/12/2023185/12/2023195/12/2023205/12/2023215/12/2023221902年荷蘭物理學家塞曼，于1896年發(fā)現(xiàn)鈉的D譜線出現(xiàn)了譜線分裂，獲物理學獎。1911年德國維恩，因發(fā)現(xiàn)熱輻射規(guī)律——維恩位移定律和建立黑體輻射的維恩公式，獲物理學獎。1914年德國科學家勞厄，因發(fā)現(xiàn)晶體的X射線衍射，獲物理學獎。1915年英國科學家威廉·亨利·布拉格和威康·勞倫斯·布拉格父子，在1912年，用X射線衍射測定了NaCl晶體的結構，從此開創(chuàng)了X射線晶體結構分析的歷史，獲物理學獎。1917年英國科學家巴克拉，發(fā)現(xiàn)X射線對元素的特征發(fā)射，獲諾貝爾物理學獎。5/12/2023231918年德國科學家普朗克因創(chuàng)立量子論、發(fā)現(xiàn)基本量子獲諾貝爾物理學獎。1919年德國科學家斯塔克，因發(fā)現(xiàn)正離子射線的多普勒的效應和光線在電場中的分裂，獲物理學獎。1921年美籍德裔科學家愛因斯坦，闡明光電效應原理，獲諾貝爾物理學獎。1922年丹麥科學家玻爾，因研究原子結構及其輻射，獲諾貝爾物理學獎。1923年美國密立根，因測量電子電荷、并研究光電效應，獲諾貝爾物理學獎。1924年瑞典科學家西格班，因研究X射線光譜學，獲諾貝爾物理學獎。1927年美國康普頓，因發(fā)現(xiàn)散射X射線的波長變化；英國威爾遜，因發(fā)明可以看見帶電粒子軌跡的云霧室，而共同獲得諾貝爾物理學獎。1928年英國科學家理查森，因發(fā)現(xiàn)電子發(fā)射與溫度關系的基本定律，獲諾貝爾物理學獎。

5/12/2023241930年印度科學家拉曼，因研究光的散射、發(fā)現(xiàn)拉曼效應，獲諾貝爾物理學獎。1932年德國科學家海森堡，因提出量子力學中的測不準原理，獲諾貝爾物理學獎。1936年奧地利赫斯，因發(fā)現(xiàn)宇宙輻射；美國安德林，因發(fā)現(xiàn)正電子，而共同獲諾貝爾物理學獎。1943年匈牙利赫維西，因在化學研究中用同位素作示蹤物，獲諾貝爾化學獎。1948年英國布萊克特，因核物理和宇宙輻射領域的一些發(fā)現(xiàn)，獲諾貝爾物理學獎。1953年荷蘭塞爾尼克，因發(fā)明相位差顯微鏡，獲諾貝爾物理學獎。1954年德國玻恩，因對粒子波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；德國博特因發(fā)明符合計數(shù)法，而共同獲得諾貝爾物理學獎。1955年美國蘭姆，因研究氫原子光譜的精細結構；美國庫什，因精密測量出電子磁矩，而共同獲得諾貝爾物理學獎。

5/12/2023251964年美國家湯斯，蘇聯(lián)巴索夫、普羅霍羅夫因制成微波激射器和激光器而共同獲得諾貝爾物理學獎。1966年法國卡斯特勒，因發(fā)現(xiàn)、研究原子中赫茲共振的光學方法，獲諾貝爾物理學獎。1971年英國加博爾，因發(fā)明全息照相技術，獲諾貝爾物理學獎。1974年英國賴爾，因對射電天文學觀測技術方面的創(chuàng)造；英國赫威斯，因研究射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星，而共同獲得物理學獎。1978年蘇聯(lián)卡皮察，因發(fā)明并利用氦的液化器；美國彭齊亞斯、威爾遜因發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射，而共同獲得物理學獎。1979年美國科馬克、英國豪斯費爾德，因發(fā)明CT掃描，而共同獲得生