食品品质无损检测新技术4

第四章利用光学特性的检测技术第一节物理光学基础第二节可见光的检测技术第三节紫外光的检测技术

第四节近红外光特性的检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备第六节应用实例2023/6/151当前第1页\共有145页\编于星期二\15点2023/6/152第四章利用光学特性的检测技术利用紫外、可见、红外等光线与物体的相互作用而产生的反射和吸收现象，对物料进行非接触式检测的方法是上世纪用于食品与农产品质量检验的新方法。

根据物料的反射和吸收光谱可以鉴定物质的性质；

以紫外作为激励光源，根据荧光的强度可以判别食品上附着的微生物及其代谢产物，如蛋品中的霉菌、花生类干果上的黄曲霉素；

当前第2页\共有145页\编于星期二\15点用可见光做光源，加上代替人眼的色彩传感器，测定对象的反射光和透射光，用于判定果品的成熟度和谷物种子、稻米、水果的等级；

利用对象物的延时发光，可以对水果和蔬菜的叶绿素含量做判定，识别新茶和陈茶；

波长0.8~2.5微米的近红外光，可在40s内实时测定多种食品主要成分；当前第3页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第一节物理光学基础第一节物理光学基础

很久以前，人们就对光学现象进行了研究，认识到光直线传播的特点，结合对光在介质面反射与折射性质的了解，掌握了成象的基本规律。这些都属于几何光学的范围。

B、波动说惠更斯所提出的光波动说，认为光是在媒质中传播的一种波动，但到底是一种什么波动，概念还是不清楚，该观点可解释光的干涉、衍射及偏振等现象。

一、光的本质A、粒子说牛顿所主张的微粒说，认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间传播的一种微粒，并用这种观点对反射和折射定律作了解释；2023/6/154当前第4页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第一节物理光学基础D、波—粒两重性（光量子）：电磁波理论不解释光与物质相互作用等方面的一些现象，如：物质对光的吸收、色散和散射、光电效应等等。爱因斯坦在解释光电发射现象时提出了光量子的概念，从而使人们对光的本性有了进一步的认识，认识到光具有波粒二重性。C、电磁波说：

1860年麦克斯韦电磁理论建立后，才认识到光是一种电磁波，从而本质上证明了光和电磁波的统一性，并很好地说明光在传播过程中的发射、偏振以及光在各向异性介质中的传播现象。

当然上述认识仍然是近似的，但它更接近实际了，当然我们不敢断言，现在对光的概念已是最后的定论。2023/6/155当前第5页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础光的波长分布2023/6/156当前第6页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础二、光的单色性、偏振性与相关性

1.光的单色性

具有单一波长的光称为单色光，不同波长的单色光通过人的视觉器官反映出不同的颜色。从长段波长开始分别为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。具体的波长对应的颜色关系下图所示。

340400500600700紫蓝绿黄红波长（nm）2023/6/157当前第7页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础人眼对不同波长的可见光的感受是不同的，同样功率的辐射在不同波长表现为不同的明亮程度，用高能量辐射照射眼睛，视觉范围可扩大到312~

nm及1150nm,取平均实验的结果是在明视觉条件下用不同波长单色光匹配一定亮度所需的相对辐射量，人的感觉如图所示。实线为明视觉曲线，虚线为暗视觉曲线。明视觉与暗视觉等能光谱亮度曲线2023/6/158当前第8页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础

光是横波，光矢量和光的传播方向相垂直。如果光矢量在一个固定平面内只沿着一个固定方向作振动，这种光称作线偏振光或面偏振光（简称为偏振光）。自然光是非偏振的，在所有可能的方向上的振幅都可看作完全相等。2.偏振性2023/6/159当前第9页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础

波动是具有叠加性的。光是一种波动，所以两束单色自然光在空间相遇处的振动，将是各自的振动的矢量和。因为正如物理学中有关机械波动中讨论的，相干波必须满足同频率、同振动方向、同周相或有恒定周相差等条件时才能发生的干涉现象，只有从同一部分发出的光通过某些特殊装置后，才能获得符合相干条件的两束光。3.相干性2023/6/1510当前第10页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础4.光源

发光的物体称为光源。

光源的种类繁多，形式多样。在光电技术中经常见到的有以下四类：（1）热辐射光源由物体温度升高而发光的光源，如太阳、黑体、白炽灯和卤钨灯等；（2）气体放电光源电流通过气体（包括金属蒸气）而发光的光源，如荧光灯、汞灯、氙灯等；（3）固体发光光源如场致发光灯，半导体发光二极管等；（4）激光器。2023/6/1511当前第11页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础三、光在介质表面的反射、折射及光的吸收

1.光的反射、反射定律

反射定律指出：入射光线与反射光线及法线同在一平面内，并且入射角与反射角相等。反射光能量和入射光能量之比称作反射率R：R=Ef／E0

式中R为反射率；Ef是反射光的能量；E0是入射光的能量。光与介质的相互作用γ2023/6/1512当前第12页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础

对于不同频率的光，同样的物体表面的反射率是不同的，用数学语言表示就是物体的发射率是波长的函数，这就是人们在日常生活中所看见的物体表面总带有不同颜色的道理。2023/6/1513当前第13页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础2.折射、折射定律一束平行光由一介质进入另一介质时，将改变进行方向，这种现象称光的折射。2023/6/1514当前第14页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第一节物理光学基础

绝对折射率、相对折射率

如果我们以光在真空中的速度为标准，则光在其他介质中的相对速度定义为：光在真空中的速度/光在介质中的速度。此比值称为绝对折射率，通常用n表示。

当光线由一介质进入另一介质，例如由空气进入玻璃，由玻璃进入水等，以该两介质中的光速比值表示其速度的改变更为方便，如：

光在空气中的速度／光在玻璃中的速度=angang称为相对折射率。2023/6/1515当前第15页\共有145页\编于星期二\15点2.折射、折射定律面内，入射光线与折射光线各在法线的一侧，入射角正弦与折射角正弦之比，对任意两介质及任意波长的光而言为一常数。Sini/Sini’=n’/n式中n’／n为第1介质到第2介质的相对折射率，对两介质和某波长光而言，此值为常数。

折射定律指出：入射光线、折射光线与法线三者同在一平

光与介质的相互作用γ当前第16页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础3.光的吸收、吸收定律

光的吸收现象一束光线与介质发生作用时，除发生光的反射现象和折射现象，还将发生光的吸收现象。对大多数介质当光在介质中经过一段距离后，部分光能转化为热能、电能或化学能形式。换言之，光已被物质吸收。光在均介质中的传播2023/6/1517当前第17页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础

光在均匀物质中通过一距离时，到达该处的光能中将有同样比例的能量被该层物质所吸收，数学表达式为：

光在均介质中的传播…物质的光吸收系数

…入射光强

…到达距离l处的光强

…

光透过物质的距离

吸收定律（朗伯Lambr）2023/6/1518当前第18页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础

考虑物质的不均匀性和光的现射想象，朗伯定律可改写成：

……称作散射系数，它是物体组成和波长的函数；……称作物体的衰减系数。2023/6/1519当前第19页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础吸收定律（比尔定律Beer）

对液体溶液而言，吸光度A

除了与纯物质的消光系数有关外，还与溶质的浓度C有关，比尔研究了这一吸光情况，导出了如下的关系式：

……入射光强

……到达距离l处的光强

…光透过溶液的距离

……比例系数，与溶液的性质有关A……

吸光度也叫光密度OD

2023/6/1520当前第20页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础四、辐射度的基本物理量

立体角的计算与平面角的定义相似，我们定义球面的立体角为4

rOR立体角的计算以O点为中心画出以R／Cos为半径的球面，计算出由Ad切截的球面面积，除以

求得立体角值。若以探测器面积代替球面积，于是有：2023/6/1521当前第21页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础2．辐射度学的基本物理量（3）辐[射]强度Ie

（4）辐[射]照度Ee

（5）辐[射]出[射]度Me

（6）辐[射]亮度Le

辐射能是一种发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见或红外辐射）能量，当辐射能被物质吸收时，可以转换成其他形式的能量，如电能、热能等。（1）辐[射]能单位为J（焦耳）（2）辐[射]通量

单位时间内通过面积元dA的辐射能被定义为通过此面积元的辐[射]通量Φe，即：Qe以J表示，t以S（秒）表示单位为W（瓦）2023/6/1522当前第22页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础

辐射源所发射的能量由很多不同波长所组成，因此需要对各种波长间隔内的单色辐射量做出相应的规定。在单位波长间隔内的辐射量定义为光谱辐射量。对于具体的辐射量又可分别定义。

（7）光谱辐射量（辐射量的光谱密度）＝＝如果连续辐射源，其总辐通量是：

不连续辐射源具有线光谱或带光谱特征，其总辐通量为：

2023/6/1523当前第23页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础五、光度学的基本物理量

光度学所有单位由发光强度的基本单位推导出来的，1979年由CIPM规定为坎德拉。“一个光源发出频率为540×1012Hz（555nm）的单色辐射，若一定方向上辐射强度为1／683W/Sr，则该光源该方向上的发光强度为1cd（坎）”。光通量单位lm（流明），是发光强度为1cd的均匀光源在单位立体角内发出的光通量，或在所有方向上以1cd的发光强度均匀发射的点光源，它的光通量为4lm。光亮度的单位是cd/m2（坎/米2），相当与1m2表面积沿法线方向发出1cd的发光强度的亮度。

光照度的单位是lx（勒克斯），它相当与1lm的光通量均匀地照射在1m2面积上产生的光照度。2023/6/1524当前第24页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节光特性的内容与检测原理辐射度量符号单位光度量符号单位辐[射]能光量辐[射]通量或辐[射]功率光通量辐[射]照度[光]照度辐[射]出度[光]出射辐[射]强度发光强度辐[射]亮度[光]亮度光谱光视效率

辐射度量和光度量的对照表当前第25页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础六、光谱的能量

辐射物质中具有带电的线性谐振子（如分子、原子的振动可视为线性谐振子），由于带电的关系，线性谐振子不能与周围的电磁场交换能量，这些谐振子与古典物理中所说的不同，只可能处于某些特殊的分立状态，在这些状态中，相应的能量是某一最小能量（叫做能量子）的整数倍，即：

，2，3，4，5，…，n

n为正整数。

光子的假说：光在发射或吸收时具有粒子性，在空间传播时也具有粒子性，这些光粒子称为光量子，也称光子，每个光子的能量是=h，不同频率的光子具有不同的能量。按能量的顺序依次为：紫外线光谱、可见光谱、红外光谱。

2023/6/1526当前第26页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第一节物理光学基础七、光与食(农产)品物料的相互作用特点光与水果的相互作用（1）体反射Iρ1；（2）镜面反射Iρ2；

（3）吸收Ia；（4）透射Iτ（5）发射Ie。

Io=Iρ1+Iρ2+Ia+Iτ+IeOD=log（Io/Iτ）2023/6/1527当前第27页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础八、光学特性常用检测模式

1.透射法测定

透射测定法漫透射测定法

2023/6/1528当前第28页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础2.反射法测定

样品对光的漫反射示意图(a)光随入射深度衰减(b)光和样品相互作用2023/6/1529当前第29页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础三种反射方式常用的3种反射光谱检测方法2023/6/1530当前第30页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础反射法检测技术（1）绝对漫反射率（2）相对漫反射率（3）漫反射吸光度2023/6/1531当前第31页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第一节物理光学基础九、食品与农产品的光特性应用（1）缺陷检测食品与农产品的光学特性已经被成功用于残、次、劣质物料的检测和判别、分选等加工操作工序，如挑剔米粒中的石子和黄黑米粒等。（2）成分分析快速检测食（农产）品的水分、脂肪、蛋白质、氨基酸、糖分、酸度等化学成分的含量，用于品质的监督和控制。（3）成熟度与新鲜度分析在成熟度和新鲜度检测方面应用最多也最成功的是果蔬产品，它们的成熟阶段总是与某种物质的含量有密切关系，并表现出表面或内部颜色的不同。2023/6/1532当前第32页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

第二节

可见光的检测技术

（1）既能检测表面品质，又能检测内部品质，而且检测为非接触性的，因而是非破坏性的，经过检测和分选的产品可以直接出售或进行后续工序的处理；（3）劳动强度低，自动化程度高，便于实现在线检测；优点（2）排除主观因素的影响，对产品全数（100%）检测；

（4）机械的适应能力强，通过调节背景光或比色板，即可以处理不同的物料，生产能力大。在利用可见光的特性对食品与农产品的品质进行快速无损检测中，常用的方法主要有折射法、反射法、透射法和延时发光等。

2023/6/1533当前第33页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

一、反射法检测技术

绝大多数的农产品是在自然条件下生长的，它们的叶、茎、杆、果实等在阳光的抚育下，形成了各自固有的颜色。这些颜色受到辐照、营养、水分、生长环境、病虫害、损伤、成熟程度等诸因素的影响，会偏离或改变其固有的颜色。换言之，人们可以通过农产品的颜色变化，识别、评价植物或果实及它们的品质特性（包括内部的成分含量，如糖度、酸度、淀粉、蛋白质等）。2023/6/1534当前第34页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

1．色度学基础知识（1）颜色的分类和特性

颜色可分为非彩色和彩色两大类。颜色是非彩色和彩色的总称。非彩色是白色、黑色和各种深浅不同的灰色。它们可以排列成一个系列，由白色渐渐到浅灰，再到中灰，再到深灰，直到黑色，叫做白黑系列。

白黑系列中由白到黑的变化可以用一条垂直线表示，一端是纯白，另一端是纯黑，中间有各种过渡的灰色。彩色是指白黑系列以外的各种颜色。2023/6/1535当前第35页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术纯白是理想的完全反射的物体，其光反射率等于1；纯黑是理想的无反射的物体，其光反射率等于零。在现实生活中，并没有纯白和纯黑的物体。白黑系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，反之，愈接近黑色，明度愈低。2023/6/1536当前第36页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术彩色有三种特性：明度、色调、饱和度。明度彩色光的亮度愈高，人眼愈觉得明亮，或者说有较高的明度。彩色物体表面的光反射率愈高，它的明度就愈高。

色调

色调是彩色彼此相互区分的特性。可见光不同波长的辐射在视觉上表现为各种色调。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射（透射）的各种波长辐射的比例。饱和度

饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分愈多时，就愈不饱和。2023/6/1537当前第37页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术

格拉斯曼将颜色混合现象总结成颜色混合定律：

(A)人的视觉只能分辩颜色的3种变化：明度、色调、饱和度。

(B)在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也也连续变化。

(C)

颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。既在视觉上相同的颜色都是等效的。

(2)颜色方程

以（C）代表被混合的颜色，以（R），（G），（B）代表产生混合色的红、绿、蓝原色，又以R，G，B代表三原色的数量（三原色的数量称为三刺激值），则可写出颜色方程：（C）=

R（R）＋G（G）＋B（B）式中“=”号表示匹配，即视觉上相等。2023/6/1538当前第38页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术补色律每种颜色都有一个相应的补色。如果某一颜色与其补色以适当的比例混合，便产生白色或灰色；如果二者按其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。

颜色方程的三个基本定律代替律相似色混合仍相似。如果颜色A＝颜色B；颜色C＝颜色D，那么：颜色A＋颜色C＝颜色B＋颜色D

中间色律任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两颜色的相对数量，其饱和度决定于二者在色调顺序上的远近。2023/6/1539当前第39页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术

当用红、绿、蓝三种基本颜色可以混合出其它的各种颜色。组成各种颜色的三个基本色我们称为三原色。实验同时还证明：三原色不一定必须是红、绿、蓝，也可以是其它的三种基本颜色，只要在三个基本颜色中的任何一种颜色不能由另外两种颜色混合得到。而红、绿、蓝三原色产生其它颜色最为方便，所以红、绿、蓝是最优选的三原色。（3）三原色定律2023/6/1540当前第40页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术2．色坐标与色度图

在色度学中，不直接用三原色数量来表示颜色，而用三原色各自在R＋G＋B总量中的相对比例表示颜色。三原色各自在R＋G＋B总量中的相对比例叫做色度坐标。某一特定颜色的色度坐标r，g，b为：（G）（B）（R）W0.330.332023/6/1541当前第41页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术

由于r＋g＋b＝1，所以只用r和g即可表示一个颜色。某一特定颜色（C）的方程可写成：（C）≡

r（R）＋g（G）＋b（B）在颜色匹配实验中，常用一特定的白光作为标准，另外选择三个特定波长的红、绿、蓝三原色进行混合，直到三原色光以适当比例匹配标准白光。标准白光（W）的色度坐标：因而：（W）≡0.333（R）＋0.333（G）＋0.333（B）2023/6/1542当前第42页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术3．CIE标准色度学系统（1）CIE1931-RGB系统

三刺激值的函数(莱特和吉尔德两项视觉实验结果)叫做“CIE1931-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE1931-RGB系统标准观察者”。

2023/6/1543当前第43页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术（1）CIE1931-RGB系统

上图是根据CIE1931-RGB系统标准观察者光谱三刺激值所绘制的色度图。光谱三刺激值与光谱色坐标的关系式为：

；；

色度图中，偏马蹄形曲线是光谱轨迹。应注意，光谱轨迹很大一部分的r坐标都是负值。CIE1931-RGB系统采用700nm，546.1nm和435.8nm作为（R），（G），（B）三原色，是因为700nm是可见光谱的红色末端，546.1nm和435.8nm是两个较为明显的汞亮线谱，三者都比较容易精确地产生出来。

2023/6/1544当前第44页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术（2）CIE1931-XYZ

系统1931年CIE在RGB系统的基础上，用3个设想的原色（X），（Y），（Z）建立了一个新的色度图—CIE1931-XYZ色度图。建立CIE1931-XYZ系统主要基于3点考虑。X

r=

1.2750,

g=-0.2778,

b=0.0028Y

r=-1.7392,

g=2.7671,

b=-0.0279Z

r=-0.7431,g=0.1409,

b=1.6022

2023/6/1545当前第45页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术（2）CIE1931-XYZ系统

为了使用方便，XYZ三角形经过转换成为麦克斯韦直角三角形，即目前国际通用的CIE色度图。在CIE1931-XYZ色度图中仍然保持RGB系统的基本性质和关系。对某一波长的光谱刺激，r，g，b与x，y，z色度坐标的关系式为：

2023/6/1546当前第46页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术（3）CIE1964-XYZ

补充色度系统

在大视场观察条件下（>4o），颜色视觉发生一定的变化。主要表现为饱和度的降低，以及颜色视场出现不均匀的现象。因此，为了适合10o大视场的色度测量，另规定一组“CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值（颜色匹配函数）”和相应的色度图。

2023/6/1547当前第47页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术2023/6/1548当前第48页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术4．反射法在食品与农产品检测中的应用光电分选机可看成是按尺寸大小进行选别的装置，因能进行非接触的测量，减少了物料的机械损伤，且有利于实现自动化。

（1）光电分选机

2023/6/1549当前第49页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术（2）色选机光电色选机是一种利用物料的光学特性，将颜色不正常、表面有缺陷或内部变质的疵品及杂质从大批物料中无损检出，并自动分选剔除的食品机械，它可以用于在合格品与疵品因粒度或密度十分接近，无法用传统的筛选或比重分选机械分离的场合。2023/6/1550当前第50页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术

果皮色分选装置1-反射镜；2—果实；3—背景板；4—集光器；5—透镜

果皮色分选装置的工作原理图

水果依次下落至色检箱，在通过的过程中，受到上下光线的照射。对于不同的物料，为得到适宜波长的光，可更换背景板3。从果皮反射的光借箱内相隔1200配置的镜子1反射入3个透镜5，通过集光器4混合，然后分成两路，分别通过带有不同波长滤光片的光学系统，得到不同波长的反射率，从而判别水果的颜色。2023/6/1551当前第51页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术

物料由振动喂料器送入通道成单行依次落入检测室，在探测器与比色板间通过。被选颗粒对光的反射率及比色板的反射率用光电探测器相比较，颜色的差异使光电探测器的电压改变。

光电色选机系统示意图当前第52页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术（3）茶鲜叶的叶绿素检测

茶鲜叶的叶绿素随生长期的不同发生变化，表面颜色逐渐由淡色向深色过渡，叶绿素在可见光区域会发生选择性反射现象，通过测量茶鲜叶的光谱反射特性，可间接求出它的叶绿素含量。

光电检测系统方框图2023/6/1553当前第53页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光检测技术

右图是茶鲜叶在上述系统下的反射光谱曲线。为减少反射光谱特性检测时的系统漂移等一些其他影响因素，一般在数据分析时常使用相对输出值，即需要对实测的数据进行归一化处理。2023/6/1554当前第54页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

二、透射法检测技术

透射法检测的理论基础都是建立在朗伯—比尔定律的基础之上。值得注意的是朗伯—比尔定律是建立在许多假设条件上的，实际上只是自然界客观规律的一种近似，对透射法检测得到的数据在精度要求不太严格时一般采用线性回归的数学方法来处理，对精度要求比较高或采用线性回归的数学方法不能获得比较满意的检测结果时，可采用非线性的数学方法加以处理。

可见光（包括紫外光）透射法检测技术的主要应用有：定性分析纯度检查结构测定定量分析2023/6/1555当前第55页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

1.定性分析采用可见光（包括紫外光）的透射法定性分析的物质一般多为液体物质。由于可见光（包括紫外光）吸收光谱谱带数目少，比较简单，多数谱带的特征性不强，大多数简单官能团在可见和紫外光区只有微弱吸收或无吸收，具有同一基团的不同物质具有相似的吸收光谱，此外，某些成分的吸收常常掩盖某些弱吸收带。（1）与标准物、标准图谱对照

（2）比较最大吸收波长及吸收系数的一致性2023/6/1556当前第56页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

2.纯度检测

可见或紫外吸收光谱能测定化合物中含有的具有可见或紫外吸收的杂质。如果化合物在可见或紫外光区没有明显的吸收峰，而它的杂质在可见或紫外光区有较强的吸收峰，就可检测出化合物中所含的杂质。3.结构测定

利用可见或紫外对未知物质的结构进行测定的方法是可见或紫外光谱分析的主要应用内容之一。4.定量分析

对单一成分的定量分析相对来说比较简单，通常采用和标准样品进行对照的方法得出结果。如果要进行多次重复定量分析，使用工作曲线法是很方便的。2023/6/1557当前第57页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第二节可见光的检测技术

人们发现所有的光合作用生物都能发生一种“后发光”。例如植物被光照一段时间后放到暗处，能继续发出微弱的红光，这种后发光叫做叫做“延时发光”，也叫“滞后荧光”，它与激发光去掉之后就停止的“瞬发荧光”是有相区别的。三、延时发光法检测技术2023/6/1558当前第58页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

第三节紫外光的检测技术紫外分光法（比色法）检测各种液体中某些成分的含量；

将紫外光直接用于检测的直接检测方法和可见光以及红外光的检测方法相似，主要有折射检测方法、透射检测方法和反射检测方法等。

根据不同物质（如各种宝石、玉以及钱币的防伪印刷）在紫外光下的反射状态不同进行的物质性质的鉴定。

从原理上讲利用紫外光的直接检测法与利用可见光的检测方法是一样的，故在此不再做介绍。

2023/6/1559当前第59页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

一、利用紫外光的检测技术应用

花生仁中被黄曲霉菌污染产生的黄曲霉素通常指4种黄曲霉，即黄曲霉素B1、B2、G1、G2。这4种物质可以根据其在紫外光激发下产生的荧光的颜色加以区别。B（Blue）指蓝色荧光，G（Green）指绿色荧光。其中B1的毒性最大，对花生等食品与农产品的污染最严重。

1.利用荧光检测花生的黄曲霉素

由于被黄曲霉菌污染产生的黄曲霉素B1在紫外光激发下可产生荧光，所以可以使用荧光分析的方法对其进行快速检测。荧光越强，表明黄曲霉素的含量越高，污染越严重。

2023/6/1560当前第60页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

汞灯发出的线光谱经聚焦后通过一组激光滤光片，得到波长为334～365nm的紫外光束，该光束经两向镜和聚焦镜投射在水平放置的花生仁上，其表面被激发出的荧光经450nm的截止滤光片和目镜，进入观察者眼中，得到清晰的荧光成像。在目镜处观察到的是蓝色荧光，黄曲霉素B1发出的荧光。2023/6/1561当前第61页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

（1）随花生仁变色变质程度的发展，表面荧光强度增强；（2）花生仁的最佳激发波长，即产生荧光最强的波长约为300nm。但要得到此激发光较难，特别是在实际生产中现场检测，而普通高压汞灯很容易产生波长365nm的激发光。

在365nm激发波长的条件下,荧光峰值在430～480nm之间，荧光颜色为蓝光。正常仁的荧光强度低于霉变严重仁（I类）和霉变较轻仁（II类），而峰值波长基本相同。

2023/6/1562当前第62页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

当前第63页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

2.利用紫外线检测柑橘的损伤

柑橘果皮的细胞里含有精油，当该物质从破损的细胞中漏出果皮表面受到紫外光照射时，在波长560nm处发出很强的荧光，正常部的荧光强度很弱。这样产生了正常部与损伤部的辉度差，利用荧光强度的不同可以进行柑橘的分级。

柑橘损伤部位的荧光光谱2023/6/1564当前第64页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

柑橘正常部分和损伤部分之间的荧光强度差是进行损伤果检测的重要参数之一，该荧光强度差越大越容易区分。左图是正常部分和损伤部分的荧光检测得到的光谱图，在波长500~600nm范围，损伤部分比正常部分的荧光强度起伏大，特别是在550~570nm间更为明显。

2023/6/1565当前第65页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第三节紫外光的检测技术

柑橘发出的荧光的强度按成熟果、半成熟果、未成熟果依次减弱，且峰值波长逐渐变小。其原因可以被认为随着柑橘的成熟，精油逐渐增多，果皮一旦破损，露出表面的也多，荧光也随之变强。另外，成熟度不同，峰值波长也随之变化，反映出光的颜色也在变化。2023/6/1566当前第66页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

第四节近红外光的检测技术

近红外是波长在780～2526nm范围内的电磁波，是最早发现的非可见光，已有200多年历史。20世纪初，人们有了机化合物的近红外光谱，并对基团的光谱特征进行了解释，预示着近红外光谱可能作为分析技术的一种手段得到应用。

一、近红外光谱检测技术的进展

20世纪80年代以后，随着计算机技术的迅速发展，带动了分析仪器的数字化和化学计量学学科的发展，化学计量学方法在解决光谱信息的提取及减少背景干扰方面取得良好效果，使它在各领域中的应用研究陆续开展，这个阶段堪称是一个分析巨人由苏醒到成长的时期。

2023/6/1567当前第67页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

20世纪90年代，在工业中的应用全面展开，由于近红外光在光导纤维中的传输特性，使在在线分析中得到应用，取得极好的社会和经济效益，从此步入一个快速发展的时期。

现代近红外光谱分析是从农业分析研究开始的。

我国对该技术的研究及应用起步较晚，20世纪70年代年后期引进近红外光谱仪器。从1995年来已受到多方面的关注，在仪器的研制、软件开发、基础理论研究和应用研究等方面取得了可喜的成果。特点：直接测量颗粒状、粉末状、糊状、不透明试样、流动试样、完整样品，无需严格的预处理，分析成本低、速度快、精度高、数据可靠和无化学污染，便于实时监测和在线分析等。

2023/6/1568当前第68页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

二、近红外光谱检测原理

1900年普朗克提出了量子假说：辐射物质中具有带电的线性谐振子（如分子、原子的振动可视为线性谐振子），由于带电的关系，线性谐振子不能与周围的电磁场交换能量，只可能处于某些特殊的分立状态，即：，2，3，4，5……n

…………

n为正整数，对于频率为的谐振子来说，最小能量为：=h

式中h是普朗克常数，在辐射或吸收能量时，振子从这些状态中跃迁。1、原子、分子的能量级2023/6/1569当前第69页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

分子是由原子组成的，而原子是由原子核和围绕它的电子所构成的。根据量子力学理论，分子中存在电子能级和振动—转动能级。当电子能级和振动—转动能级发生跃迁时，就会产生分子吸收光谱或分子发射光谱，表现为带状光谱。分子吸收或发射的频率可用Bohr频率方程式描述：

双原子分子振动模型2023/6/1570当前第70页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

分子运动所具有的能量称为分子的能级。分子不同类型的运动都有相应的能级，按能级从大到小的顺序依次为：电子能级、振动能级、转动能级等。

对称伸缩s：2853反对称伸缩as：2926剪式：1465面内摇摆：720面外摇摆：1300扭曲：1250单位：波数（cm-1）亚甲基的简正振动形式2023/6/1571当前第71页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

分子振动除了有基频振动外，还存在着倍频振动、合频振动等形式。近红外光谱的吸收

分子的近红外光谱吸收是分子的倍频或合频吸收。

分子的中红外光谱吸收是基频吸收；

合频振动以两不同的基频的和或差的频率振动；

倍频振动以基频的整数倍的频率振动；2023/6/1572当前第72页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第四节近红外光的检测技术

2．近红外光谱检测中的测样器件

样品的物态、形状各式各样，如何将各种样品快速、准确地进入仪器的检测位置，以获得可靠的近红外光谱，这便是近红外光谱检测分析测样器件所要解决的问题。(1)透射分析的测样器件

样品池与常规光谱仪器所采用的样品池没有差别，有时配有恒温装置或带有恒温附件。(2)漫反射分析的测样器件

采用漫反射方法检测时由于样品形态差别较大，不同样品在测样器件的选用上不相同，有些甚至是专用的测样器件。为了获得更多的各个方向漫反射光，常用积分球附件。2023/6/1573当前第73页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第四节近红外光特性的检测技术(3)光纤测样器件2023/6/1574当前第74页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

第五节光学特性检测的常用仪器与设备

一个完整的光学特性检测系统由光源（辐射源部分）、光学光路、光电检测单元、电子电路、数据采集和数模转换单元、数据处理单元、计算机控制、数据输出和存贮单元等组成。不管是分析研究型光谱检测仪器，还是应用于生产实际的专用光学特性检测仪器，光源、分光部件和探测器都是不可缺少的3个主要的单元，选择时需要关注的内容较多。一、光源（辐射源）

发射可见光的器件称为光源，但是使用时常把发射紫外和红外线的器件也泛称指为光源。2023/6/1575当前第75页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

1.辐射源或光源的特征参数（1）辐射效率和发光效率

任一光源所发出的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的发光效率，即:

在给定的波长范围内，任一辐射源发出的辐通量与产生这些辐通量所需的电功率之比，即为该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率，于是：

2023/6/1576当前第76页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（2）辐通量的光谱分布（3）辐射强度分布

在实际使用中常采用辐通量的“相对光谱分布”，这是因为离光源的远近变化会改变辐通量的绝对值，但它的相对值基本不变，因此用相对光谱分布更能说明问题。相似地，可用光通量的光谱分布或相对分布来说明在光源可见光区的光谱分布情况。

一般说来，点辐射光源的辐射强度分布是均匀的；与方向无关，其他形式的辐射源的辐射强度与角（中心垂线与方向的夹角）存在一定的关系，该关系曲线称为辐射源的辐射强度分布。2023/6/1577当前第77页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（4）分布温度

任一辐射体在某一波段范围内辐射的相对光源分布，等于或近似黑体在某一温度辐射的相对光源分布，这一温度就称为该辐射体的分布温度。

色温是指黑体在发射出与辐射体有相同色表时的温度，由于某色表可以由不相同的光谱产生，所以它不说明光谱分布。

（5）色温（6）显色指数（7）色表用眼睛直接观测光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如白炽灯的色表呈红黄色，氙灯的色表呈白色等等。把太阳光的显色指数定为100，其他人造光源的显色指数均与之比较而定，其显色指数均小于100。2023/6/1578当前第78页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

2.热辐射源

热辐射源主要是靠物体加热（主要用电能加热）到白炽状态而发光，只要物体的温度高于绝对零度，它就能发射热辐射。（1）太阳太阳大气层外的辐照度：1390W/m2，平均地—日距离上；1438W/m2，在近日点上；1345W/m2，在远日点上。

2023/6/1579当前第79页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（2）白炽灯

由灯丝和抽成真空或充有惰性气体的玻璃泡组成的。光辐射通量是由电加热的钨丝发出的，分布温度在2000～3000K范围内。白炽灯的光通量和使用寿命取决于电压。白炽灯的发光效率低，约为10～20lm/w，发射效率在50%以下。辐通量的光谱分布为连续分布。

2023/6/1580当前第80页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（3）卤钨灯

卤钨灯是利用1959年发现的卤钨循环原理制成的新型光源，它的发光原理与白炽灯是一样的。一般充入灯泡内的是卤族元素的化合物。卤素和钨的这种反应是循环进行的，即：化合—分解—化合。

与白炽灯相比，体积小、重量较轻、造价低的优点，它的分布温度可高达3400K，发光效率可提高到30lm/W。卤钨灯的辐通量的光谱分布与白炽灯的辐通量的光谱分布相似，也为连续光谱分布。

卤钨灯目前有管形照明卤钨灯（5～20kW），电影、电视照明卤钨灯，低压中小功率卤钨灯（20～500W）、微型卤钨灯（5～50W）、定向照明卤钨灯和红外卤钨灯等。2023/6/1581当前第81页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

3．气体放电光源

利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。在灯中充入发光用的气体，也可以是液体或固体，高温时为气态。在电场作用下激励出电子和离子，变成导电体。当离子、电子运动时从电场中得到能量，发生原子或分子碰撞时，激励出新的电子和离子，受激发原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。

1、发光效率高比同瓦数的白炽灯发光效率高2～10倍；2、

结构紧凑由于没有灯丝，电极可以做得牢固紧凑，耐震，抗冲击；3、

寿命长该光源比白炽灯寿命长2～10倍；4、光色适应性强该光源的光色可以在很大范围内变动。

2023/6/1582当前第82页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（1）汞灯

(A)低压汞灯

主要发射2条共振辐射线：253.7和185.0nm。(B)高压汞灯

发射可见光区的4条谱线（404.7、435.8、546.1和577.0～579.0nm），并发射少量的紫外辐射。

(C)超高压汞灯

超高压汞灯使汞蒸气的谱线加宽，出现如图（c）所示的连续光谱,从而得到高亮度的一种光源。

2023/6/1583当前第83页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（2）荧光灯

荧光灯（俗称日光灯）是利用低压汞蒸气放电辐射出的短波紫外光激发荧光粉发光的光源。

荧光灯的功率在40～80W范围内。光色分三种：日光（色温6500K）、冷白光（色温4500K）和暖白色（色温2900K）。

荧光灯是室内照明的最佳光源。效率高，寿命10000h，效率高白炽灯4倍，寿命10倍，显色性好，一般在45～95之间。

2023/6/1584当前第84页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（3）钠灯

钠灯的发光机制同汞灯，也可以分成低压和高压两种。

低压钠灯589.0nm和589.6nm的两条共振辐射线,因此常作为单色光源应用于偏振计,旋光计和折光仪中。

高压钠灯发射的谱线有比高压汞灯更明显的展宽。已成为道路、机场等的重要照明光源。这种灯虽然显色性差，但能透过雾，可作港口照明用灯和汽车的防雾灯。

高压钠灯的缺点是要求大于2000V的点燃电压，启动电压高，使点灯装置的成本增加。此外，高压钠灯重复点燃困难，熄灭以后要待冷却后才能再点燃。2023/6/1585当前第85页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（4）氙灯

氙灯是由充有惰性气体氙的石英灯泡构成。用高压点火，产生弧光放电。高气压氙灯的辐射光谱是连续的，这在放电光源中已是很难得的，而更为难得是它同太阳的光谱极相似。2023/6/1586当前第86页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（5）金属卤化物灯

金属卤化物灯是20世纪60年代初在高压汞灯的基础上发展起来的。当时为改善高压汞灯的光色，而把某些金属充入灯内，结果汞的谱线不见了，而出现了许多金属特征线，灯的光色和亮度都得到了改善。以后又发现在灯内充金属不仅使蒸气压降低，而且还会腐蚀灯泡，改用金属卤化物充入灯内，则可以提高蒸气气压，又不腐蚀灯泡，所以后来均充入金属卤化物，故这类灯也被称为“金属卤化物灯”。2023/6/1587当前第87页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

4．半导体发光二极管（LDE）

半导体发光二极管是在半导体p-n结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光、紫外或红外辐射的器件。由于它发射准单色光，尺寸小、寿命长和价廉，被广泛用作仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源。

（1）效率发光二极管的效率可以用电光源的常用术语表征，即对紫外和红外光采用辐射效率，对可见光则用发光效率。

（2）光的光谱分布

GaAs半导体发射的红光为700nm左右，半宽度100nm。通过一定的措施可使半导体发射的半宽度减少10倍，由此可见发光二极管提供的是半宽度较大的单色光。

2023/6/1588当前第88页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（3）发光强度分布

GaAsP的发光二极管的发光分布强度如图所示，谱线宽度为40nm，发射的角度约为220，辐强度为500µm/Sr。发光二极管的辐通量是集中在一定角度内发射出来的，具有较强的方向性。

2023/6/1589当前第89页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术

第五节光特性检测的常用仪器与设备(4)响应时间发光二极管的响应时间是表示反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得十分重要。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似地成指数地衰减。响应时间仅几个ns~100ns。(5)寿命寿命一般是很长的，在电流密度小于1A/cm2的情况下，可达小时106，即可连续点燃一百余年。目前限于工艺水平，发光二极管发射的辐通量（功率）只有μW，mW级，几十mW的已很少见。随着大功率器件的出现，其应用的领域将会日益扩大。2023/6/1590当前第90页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

二、分光（色散）器件在光学特性检测中，许多场合需要使用单色光源（单一波长的辐射），将复合光分解成单色光的器件称为分光器件。常用的色散器件有滤光片、棱镜、光栅、迈克尔逊干涉仪和声光可调（AOTF）滤光器等器件。

1.滤光片

能够过滤掉某波长段光谱的器件叫做滤光片。按作用原理可分吸收式、干涉式、反射式、组合式等多种；按光谱特性，可分为带状滤光片和截止滤光片两类。

2023/6/1591当前第91页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

2．棱镜

利用棱镜作为色散元件的光谱仪器已经不生产和使用了。棱镜色散的原理是利用不同波长的光谱的相对折射率不同的原理制成的。波长分辨率太低。3．光栅

光栅有透射式和反射式光栅两种形式，目前透射式光栅在光谱仪器中已不再使用。图为反射式平面衍射光栅分光的光路示意图。2023/6/1592当前第92页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

傅立叶变换分光的原理如图所示，光学系统的核心部分是一台迈克尔逊干涉仪。

4．迈克尔逊干涉仪2023/6/1593当前第93页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

5．声光可调滤光器（AOTF）

声光可调滤光器是20世纪90年代光谱仪器最突出的进展。它利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。

当改变射频信号的频率时，光学通带的中心也将相应改变，因此，连续改变超声波频率就能实现衍射光波长的快速扫描，

2023/6/1594当前第94页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

三、探测器

1．探测器的分类和品质因素

光电管光电二极管（1）探测器的分类

光辐射探测器光电探测器（光电器件）热探测器光电发射器件充气光电管

光电倍增管半导体光电器件光敏电阻光电池光电三极管辐射热电偶和热电堆热释电探测器测辐射热计高莱管光辐射探测器的分类2023/6/1595当前第95页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

探测器的品质因数可用来表征探测器的性能，同时又能用来比较同类探测器或不同类探测器的性能参数。

（A）光谱响应率（光谱灵敏度）光谱响应率是探测器的输出电压（电流）与入射到探测器上的单色光辐通量（光通量）之商，即：

[单位：V/W]

或

[单位：A/W]

（B）量子效率量子效率是探测器输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之商，也就是单个光子产生的光电子数，它应小于1。2023/6/1596当前第96页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（B）量子效率（C）光谱响应率函数

光谱响应率表示该探测器的响应率与波长的关系。图是两种典型的光谱响应率函数曲线。

0.40.80.20.63.02.52.01.51.00.5热电堆Si波长λ/μmS’(λ)s(λ)S(λ)V/W两种典型的光电探测器的光谱响应函数0.60.32023/6/1597当前第97页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（D）线性（E）时间常数从零上升到63%峰值所需的时间为上升时间常数，而把从峰值下降到37%峰值所需的时间称为下降时间常数，因此统称为探测器的时间常数。

定义：在规定范围内探测器输出电量精确地正比于输入量的性能。线性也可以理解为在规定的范围内探测器的响应率是常数。这一规定范围内被称为线性区。

ττ’0.370.631.00（a）011探测器时间常数的定义2023/6/1598当前第98页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

2．光电倍增管光电倍增管在下列领域保持绝对的优势，即探测弱光信号和探测高频或脉冲的弱信号，因此它是一个重要的探测器件。

2023/6/1599当前第99页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

3．光敏电阻

半导体光电导是指半导体受辐照后电导率变化的现象。具有光电导效应的物体称为光电导体。光电导体两端镀上电极就成为光敏电阻，又称光导管。

光敏电阻具有体积小，偏置电压低，光谱响应范围宽的特点。它的时间常数一般为10-2~10-7s，特制的可达10-10s。

在紫外和可见光区，光敏电阻的优点不突出。在红外区它的响应率较高、机械性能好，因此得到广泛应用，是一种很重要的红外探测器。

2023/6/15100当前第100页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

4.p-n光电二极管

p-n光电二极管属于结型光电器件。结型光电器件是以内光电效应为基础，由p-n结构成的光辐射探测器，光电二极管的特性曲线

图是光电二极管的电压电流特性，由于辐通量的不同构成曲线族。

2023/6/15101当前第101页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（1）p-i-n光电二极管

又称快速光电二极管。与一般的光电二极管相比，它具有高的时间响应速度和更大的长波响应率。在高纯硅的前后两面，用外延法或扩散法制成p区及n区，在两区之间加上一层本征区（即i区）故称为p-i-n型光电二极管。

（2）紫外光电二极管

在很多领域中得到应用，要求是在紫外区有高的响应率，小的暗电流，高的响应速度和良好的稳定性等。

（3）雪崩光电二极管借助强电场作用产生载流子倍增效应的一种高速光电器件。典型数据：内部增益103；响应率100A/W；时间常数0.5ns；噪声等效功率为10-15W。因需要专用的电源，影响了推广使用。

2023/6/15102当前第102页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

5．光电三极管

光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的，它不仅能把光辐射转变为光电流，并还具有放大的作用。

2023/6/15103当前第103页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

光电二极管和光电三极管的主要差别

（A）光电流的差别光电二极管几μA到几百μA，光电三极管几mA以上，（B）响应时间的差别光电二极管的时间常数在0.1μs以内，p-i-n管和雪崩光电二极管的时间常数在ns数量级，而光电三极管的时间常数长达5～10μs。（C）输出特性的差别光电二极管在10-3~103lx的光照范围内具有良好线性。光电三极管输出特性的线性区却很窄。

一般在高精度仪器中大多数采用光电二极管类，而不大采用光电三极管类的光器件。2023/6/15104当前第104页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

6．光电池

光电池可分成两类：第一类是把光电池用作电源，即常说的太阳能电池，把取之不尽的太阳能转变为电能，这时对光电池要求效率高，成本低，寿命长，以便于火电、水电相竞争；第二类是把它作为光电探测器，称为测量用光电池。

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（1）光电池的光电转换效率

光电能转换的定义为：最大输出功率与输入光功率之比：

光电池的转换效率与其材料的禁带宽度有关。2023/6/15105当前第105页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（2）光电池的光谱响应

电池的光谱响应是指短路电流与入射光波长之间的函数关系。

2023/6/15106当前第106页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第五节光学特性检测的常用仪器与设备

（3）四象限光电池与坐标光电池激光光斑Vx=V4—V2Vy=V3—V1YXV1V3V3V42023/6/15107当前第107页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第六节应用实例第六节应用实例1.鸡蛋新鲜度的可见光谱分析

鸡蛋是一个椭球体，在钝端，并有气室存在；小头称做锐端。鸡蛋主要是由蛋壳、蛋白和蛋黄等3大部分组成，另外还有两层薄膜和系带存在，两层膜是蛋黄膜和蛋白膜。很显然鸡蛋属于非均匀质物体。2023/6/15108当前第108页\共有145页\编于星期二\15点第四章利用光学特性检测技术第六节应用实例鸡蛋新鲜度指标式中：H

…………蛋白高度，mm；

W

…………鸡蛋的重量，g。

鸡蛋的新鲜度指标一般采用哈夫单位或蛋黄指数来衡量。哈夫单位的计算公式如下：蛋黄指数的定义为：蛋黄指数（Y）=蛋黄高度（H）/蛋黄直径（D）。鸡蛋从出生到散黄，蛋黄指数的变化范围在0.50～0.00之间。2023/6/15109当前第109页\