西安电子科技大学：《光电探测技术与系统》课程电子教案（PPT课件讲稿）第09章 光电探测系统的典型应用

第九章光电棵测素镜的典型应用 §9.1在生活中的应用 衣、食、住、行 §9.2 在安全及军事方面的应用 安全方面的应用，军事方面的应用 §9.3 在工业方面的应用 光束检测，红外成像检测，激光检测 §9.4 在农业方面的应用 §9.5光电探测与诺贝尔科学奖 2022/10/7

2022/10/7 1 第九章 光电探测系统的典型应用 §9.1 在生活中的应用 衣、食、住、行 §9.2 在安全及军事方面的应用 安全方面的应用， 军事方面的应用 §9.3 在工业方面的应用 光束检测，红外成像检测， 激光检测 §9.4 在农业方面的应用 §9.5 光电探测与诺贝尔科学奖

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源理、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。 2022/10/7 2

2022/10/7 2 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

§91在生活中的应用 本节将为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。 2022/10/7 3

2022/10/7 3 §9.1 在生活中的应用 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

(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

2022/10/7 4 （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

(7)激光检测起球织物 用激光检测法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己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。 2022/10/7

2022/10/7 5 （7）激光检测起球织物 用激光检测法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

9.1.2在食品、保健品、药品方面的应用 食品、保健品、药品方面的间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CH、OH、NH、SH、PH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▣检验要求常验的农残项目及限量， 参考有关多残留分析文献，采用气相色谱质谱联用仪(GCMS)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1O7种 残留有机农药（包括异构体）进行快速筛选与鉴定。 2022/10/7 6

2022/10/7 6 9.1.2 在食品、保健品、药品方面的应用 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780~2526nm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

(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 (3）多通道手持 中剔出发黄、发黑的霉变大米。它由振动系统、光 式食品安全检测仪 电辨析、气动除杂等三个主要模块构成。如图911 基手光电监测 原理的多通道手持 式食品安全检测仪 放 振动机 能同时进行有机磷 大 控制 电 和氨基甲酸酯类农 滑槽 探头 光源 药、硝酸盐、亚硝 光箱 光传感器 酸盐、铅、氰化物、 甲醛与吊白块等多 背景板 驱动器 杂质 种检测指标、多个 气动电磁阀 样品的现场测定， 且具有数据存储、 气源 查询、结果打印等 废弃箱 功能。 图9.1-1大米分拣机结构原理图 2022/10/7

2022/10/7 7 （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成。如图9.1-1

(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。 2022/10/7 8

2022/10/7 8 （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

91.3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 3~5μm波长热像图和8~12m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，从面得出真实的缺陷位置形状、大小和深度等参 数 2022/10/7 9

2022/10/7 9 9.1.3 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 3~5μm波长热像图和8~12 μm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

(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)。 2022/10/7 10

2022/10/7 10 （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）