光电成像原理及技术

光电成像原理及技术（通用7篇）

光电成像原理及技术 篇1

《光电成像系统实践》教学大纲

课程编号：OPT04042 英文名称：Practice of Photo-electronic imaging System 学

分：3

学时：3周

先修课程：应用光学，光电成像原理与技术，精密机械基础等

一、目的与任务

本环节为电子科学与技术专业（光电子方向）实践教学必修环节，安排在第7学期进行。本教学实践环节旨在通过对典型光电成像系统结构的认识和设计，进一步巩固、加深学生对光电成像系统的构成、各技术环节的作用和工作原理的认识和理解，明确系统总体性能与各部分参数的关系，使学生掌握光电成像系统的总体设计的思路、步骤和关键环节部件选配方法等。通过本实践教学环节，可达到提高学生动手能力和在实际工作中独立发现问题、分析问题和解决问题的能力，增强学生对科学性、合理性、经济性、可行性、可靠性、可维护性等工程概念的理解，以及提高学生解决实际工程问题水平的目的。

本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。

二、教学内容及学时分配（3周）

课程设计题目分类：

设计1 直视微光成像（观瞄）系统设计（关键部件选型应包括：物镜系统、像管＋高压电源、目镜系统的选型等）；

设计

2电视型微光成像（如车载夜视仪、星光级电视瞄具）系统设计（关键部件选型应包括：物镜系统、像管＋高压电源、摄像系统、信号传递方式及显示系统的选型等）；

设计

3主动照明微光／红外成像（如车牌抓拍系统、闯红灯违章记录系统、车号识别系统、露天场景全天候监视系统、水下成像系统）系统设计（关键部件选型应包括：光源、滤光镜、物镜系统、像管＋高压电源、目镜系统的选型等）；

设计

4医用内窥镜电视成像（如胃镜系统、工业内窥镜）系统设计（关键部件选型应包括：专用镜头、光源、传光系统、支撑机构、信号传递方式、显示方式与显示系统等）；

设计5 高速工业在线视频检测成像（如钢丝直径在线检测、路面瑕疵或不平整度检测系统、轨道参数测量系统、印刷品质量检测系统、电路板故障检测系统）系统设计（关键部件选型应包括：光源、滤光镜、物镜系统、摄像系统、信号传递方式、信息记录或显示系统的选型及图像处理方案等）；

设计6 特种光电成像系统设计（选择光子计数探测系统、火星车立体视觉系统、紫外指纹搜索系统、门禁体温自动探测系统、高炉炉膛测温成像系统、舰载红外警戒系统、多光谱成像系统或其他新用途、新型成像系统。关键部件选型根据具体要求进行）； 课程设计要求：

学生在以上设计选题中选做1个，根据具体设计要求的技术指标（观察条件、目标及背景特性、工作条件等其他相关技术指标）完成系统的框架设计、总体技术参数分配、关键部件的选配等；通过网络检索、查询相关设计手册等手段，完成关键部件详细参数的了解和市场调研，完成关键部件选型，参数验算，并利用实验室已有试验条件，开展部分模拟性验证实验和计算机仿真；对诸如专业处理电路等非成熟产品，要求能够给出功能框图，数据输入输出格式及要求等；使用绘图软件画出系统总体结构图，撰写设计论证报告、计算书、模拟实验报告（或软件仿真实验报告），对设计结果进行初步的性能评估。课程设计内容及时间分配：

第一周集中讲课：以教师对既往科研中开展过的某个光电成像系统设计过程为例，让学生了解系统设计的基本思路，要求学生理解光电成像系统总体设计方法和设计原则、技巧及完整的设计过程。同时，介绍常用的结构设计方法与应用软件、电子电路的设计方法和应用软件。

演示与操作实验：通过实验室内对实物解剖、展示，让学生亲自观察、使用和分析实验室现有的夜视仪、电视摄像系统（黑白／彩色）、显示器（黑白／彩色），视频发射接收器等光电成像系统及关键部件，了解实际光电成像系统的共性和特性。

安排课程设计题目并根据提出具体要求：学生自愿选题，每个题目可以有最多5名成员组成小组共同完成，在教师的指导下明确组内各成员的分工，进而指导其完成总体技术指标的确定，确定系统总体方案。要求学生在本周末提交设计论证报告（初稿），完成成像器件性能指标的确定和选型及总体技术指标计算书。

第二周 指导学生通过查询相关设计手册、网络检索完成对其他关键部件详细参数的了解和市场调研，完成部件选配，参数验算；并结合细化的设计过程，对上周指定的设计论证报告中提到的相关技术指标进行必要的修正。利用实验室已有试验条件，设计并搭建局部性能的模拟性验证实验系统，或编制小规模的计算机仿真程序（如模拟成像系统的图像探测、采集、存储、传输的功能、验证相关照明条件与滤光系统对成像系统的影响、编制图像预处理及特征提取等特定需要的功能软件以验证图像处理算法选择的科学性、可行性等），对诸如专业处理电路等非成熟产品，要求能够给出功能框图，数据输入输出格式及要求等；学习并使用绘图软件画出系统总体结构图。本周末对各组设计工作的阶段性进展进行考核。

第三周 开展部分模拟性验证实验和计算机仿真；根据小组内各成员的设计结果和问题，结合所设计系统的工作条件，开展工程化的论证和修正。按照小组分工，结合每个人的工作内容，有重点地撰写设计论证报告，并对设计结果进行初步的性能评估分析。以小组为单位，以答辩的形式，进行设计工作总结与考核。

三、考核与成绩评定

成绩评定根据创新性情况、设计论证报告、系统参数计算书、系统指标完成情况及设计是否达到要求并综合纪律、出勤情况给出。成绩分为优秀、良好、中等、及格和不及格五等。具体标准如下：

1.2.3.4.5.所设计的系统应满足应用的基本分辨力、灵敏度、动态范围等基本要求； 各关键部件在性能指标，结构及操作性等方面应满足适配性要求； 所设计系统中的部件成本应有一定的经济合理性；

对关注到环境适应性、可操作性，可维护性和可靠性的设计在评分时予以倾斜；

提交的设计论证报告时，需将所有选用关键部件的调研情况、局部功能模拟验证实验报告及相关功能性软件程序仿真结果作为附件一起提交。

四、大纲说明

1.本大纲是根据我校电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。

2.在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。3.本大纲适合光电类相关专业。

五、教科书、参考书

教科书：

自编讲义 典型光电成像系统综合设计――待编

参考书：

白廷柱，金伟其编著．光电成像原理与技术[M]．北京：北京理工大学出版社，2006.1

编写教师： 曹峰梅

责任教授：

教学院长：

《Practice of Photoelectric Imaging System》

Course Code: OPT04042 Course Name: Practice of Photoelectric Imaging System Class Hour: 3 weeks Credit: 3 Course Description:

The objective of this course is to familiarize students with basic photo-electronic imaging devices, system architecture and its application, train the students’ ability of designing the integrated system, analyzing the relationship between the system’s whole performance with the parameters of basic models or devices.Through the course, students should learn how to calculate the parameters of the key elements, select the proper devices, practice the design method and design procedure of the photo-electronic system.The main contents of the course include analyzing several typical photoelectric systems as examples, introducing the frequently-used architectural or electronic design method and software, showing the students the night vision system and devices, color/mono CCD and other typical imaging devices.After introduction and practicing mounting the typical system, students should design the specific system and practice some basic parts.Students should work in groups and have clear division for a specific photoelectric imaging system.Then, from the system design, they need to implement part of the system to verify their design method and submit the design report.

光电成像原理及技术 篇2

1.3D成像技术原理分析

现阶段,电视行业中应用最为广泛的是4K、8K技术,其目的是进一步提高电视画面的分辨率,同时对电视节目的一些细节内容进行一定的改善,增加观众的视觉感受,而3D成像技术与这些传统的电视技术相比具有一定的优势,即3D技术的应用极大地提高了观众在观看电视节目过程中的观感体验,使观众有一种身临其境的感觉。3D成像技术在最近几年应用于影视产业中,而它基本原理内容如下。

3D成像技术的基础来自于20世纪初科学家发明的“视差产生立体”原理。而“视差产生立体”的基本原理是人在对一个事物进行观察的过程中,两眼所看到的画面是存在着细微差异的,这是因为两眼观察事物过程中其位置和角度是存在一定不同的,由此产生的这种细微差异也称之为视差位移,而我们的大脑会对这种差异进行一定的处理,最终会让我们产生一种立体视觉感。通过以上对“视差产生立体”基本原理的分析可知,立体感的产生主要是因为“视差”的存在,因而3D成像技术的关键是“视差”的制造。从相关理论方面分析,“制造视差”主要有色差式、主动快门式及偏光式三种。其中偏光式3D成像技术是当下主流3D技术,其核心原理为偏振分光技术。偏振分光技术其实质上是在特殊光学结构(如偏光膜)的作用下将一些无用的光波滤除,只有特定振动方向的光波可以通过的一种光波选择技术。单从理论方面分析,图像可以分为两组画面,即垂直向偏振和水平向偏振,而光线在经过滤光片之后会将所得的两组画面分别投射至左右眼,但是左右眼仅可以观看到两组画面的中的一组,即产生了视差。之后的立体感形成工作则由大脑完成。在这一过程中特别注意的是,我们的两只眼睛只能观看到屏幕一半的画面,因此画面的清晰度和3D效果也会在一定程度上减弱。但是偏振式技术与其他两种成像方式相比仍占据一定的优势。首先偏正式技术在应用过程中不会发生画面闪烁的现象,即使观看者长时间的观看也不会发生头晕恶心等不良症状。其次,在同一时间段内,偏振式技术的应用不会因刷新慢而发生画面拖拉的现象。最后偏振式3D技术操作简单,成本较低,综上这些偏振式成为了主流3D技术应用技术,观众只要在观影过程中佩戴相应的眼镜就可以获得立体感的观影体验,但是3D成像技术在电视节目中的应用存在着一定的问题,如观众在家中观看电视节目中时刻佩戴眼镜有一定的不便之处,同时电视节目的时间较长,观众对观看舒适度的要求也比较高,仅凭电影中3D成像技术在电视节目中的运用远远不能满足观众的观看要求,因此3D成像技术在电视产业中的具体应用仍旧面临着诸多的问题。

2. 浅析3D成像技术在电视产业中的应用

通过以上的介绍分析可知,3D成像技术在电影领域中的成功运用给电视产业立体观看体验的发展及实现提供了一定参考,但是3D电影与3D电视相比存在着一定的不同之处,照搬3D电影的3D技术实现很难满足观众对电视节目的观看要求,因此3D技术在电视产业中的应用具有其独特的地方。

2.1 眼镜式的3D显示技术在电视产业应用分析

现阶段从实用角度分析,眼镜式3D显示技术在电视产业中应用具有一定的局限性。目前眼镜式3D成像技术主要以红蓝滤光技术、主动快门式3D技术和偏振式3D技术为主,其中前两种3D技术由于成像效果差、成本高,同时观众在观影过程中容易产生视觉疲劳等缺陷并未得到了实际的推广及应用,而当下电影3D技术发展中主要以偏振式3D技术应用为主,在实际的应用过程中电影观看者仍旧需要佩戴被动式的偏光眼镜,且这种眼镜的成本比较高,在电视产业发展中是用具有一定的弊端。首先人们在家观看电视节目时间比较长,佩戴眼镜进行电视节目不方便。其次偏光眼镜的成本较高,在推广过程中会遇到了一定的瓶颈。因此眼镜式的3D显示技术在电视产业中应用还不成熟。

2.2 裸眼式3D成像技术

裸眼式3D成像技术与眼镜式3D显示技术相比在电视产业中应用及推广具有一定的优势,如裸眼式3D成像技术让观看者在欣赏电视节目的过程中摆脱了偏光眼镜的束缚,提高了观看者的观看舒适度,三维立体影像也比较真实。就现阶段而言,裸眼3D成像技术主要有三种,即光屏障式技术、柱状透镜技术及指向光源技术。但是从其原理方面分析,裸眼式3D成像技术在画面分辨率、可视角度、可视距离等方面存在着一定的问题。

2.2.1 光屏障式3D成像技术

光屏障式3D成像技术的原理是在电视屏上有一层光栅层,且这种光栅层是由偏振膜和高分子液晶层搜形成的。在观看电视节目的过程中人的左右眼的视角是存在微小差别的,而在这种光栅层的影响下进入到人左右眼的光线也会发生一定的偏差,进而导致人的左右眼产生不同的电视画面,3D视感由此产生。从其3D成像原理可以发现,光屏障式技术与偏光式3D技术的成像原理是类似的,其不同主要集中在前者是以电视屏幕为产生视差的媒介,因此在实际的应用过程中仅需对用户原来的电视屏进行改造即可,但是它的应用也有一定的缺陷,如电视画面的亮度不足,导致其分辨率较低,影响电视画面的效果。

2.2.2 柱状透镜式3D成像技术

柱状透镜式3D成像技术在具体的应用过程中是在用户电视液晶显示屏的前面增加了一层柱状透镜,这样做的目的是让电视液晶屏像平面置于透镜焦平面之上,进而使每个柱状透镜下的像素得到分成多个子像素,而这些子像素又被投射至到不同的方向,继而产成了视差,使观看者获得3D视觉体验。柱状透镜式3D成像技术在应用过程中金使用透镜就可以达到3D视觉效果,因此电视液晶屏面的亮度不会受到过多的影响,但是由于柱状透镜具有一定的曲光特异性,造成电视画面的分辨率较差。另外这种3D成像技术电视液晶屏幕的生产与传统液晶屏幕的生产具有一定的差异,因此在实际生产中必须对电视屏幕生产线进行一定的改造,生产成本较高,很难在实际应用中得到应用及推广。

2.2.3 指向光源3D成像技术

目前指向光源3D成像技术在电视产业中还处于实验阶段,其基本原理为利用两组LED光源,同时在LCD面板和驱动方法的作用下,使3D电视显示内容以排序的方式投射至观看者的眼睛中,这样以来观看者眼睛会产生一定的视差,并最终获得3D视觉体验。该种3D成像技术无论是在分辨率还是在透光率方面都可以满足观看者的视觉要求,但是该项技术还处于试验阶段,并未得到实际的应用及推广。

3.3D成像技术在电视技术应用发展分析

据统计调查发现,3D成像技术在电视产业中也得到了一定的推广及应用,如部分家庭为了享受3D视觉效果购买了3D视频设备,但是从电视产业整体方面分析,3D成像技术发展仍旧处于研究起步阶段。就我国3D成像技术水平分析,在历经多年研究和技术更新后,3D成像技术在社会生活中得到了一定程度的使用,但是在电视产业中只有少部分电视节目制造商拥有3D节目制造的基本条件。另外通过对现阶段3D视频采集、传输、回放以及存储设备等市场价格分析,发现其生产成本与普通电视节目相比高出许多,这也是限制其在电视节目中应用的主要因素之一。因此我国电视节目制造企业应当转变电视节目制作的传统观念,对自身电视频道的实际情况进行一定的调查分析,利用有限的资源确立高技术、高起点、专业性较强的电视节目定位,另外我国相关部门也应当加大对3D电视显示技术的重视及投入力度,为3D电视技术的推广制定一系列的鼓励政策,并利用现有的各种资源对其进行宣传及推广,为今后3D电视节目的推广奠定坚实的基础。另外3D电视技术制造厂家应当加大对裸眼3D成像技术的研究力度,突破技术瓶颈,降低生产成本,为3D电视技术的发展、普及、推广提供必要条件

4. 结论

综上所述,通过以上的探讨分析可知,3D成像技术的基本原理就是“制造视差”,其中眼镜式3D成像技术在电视产业应用中具有一定的局限性,而裸眼式3D成像技术发展还不成熟,因此相关电视产业制造商应当加大研究和投入力度,为电视产业中3D成像技术的应用打下坚实的基础。

参考文献

[1]刘颖林.3D电视的原理与发展现况[J].通讯世界,2016(03).

凸透镜成像规律及原理演示器 篇3

1 构造与规格

①长方形木板（80 cm×30 cm），如图，中央画凸透镜符号（直径15 cm）；

②铁丝一根（直径4 mm、长70 cm），两端固定在木板上，和凸透镜主光轴重合，光心位置钻一小孔，在透镜两侧木板上的对应位置分别标出一倍焦距（f=10 cm）、二倍焦距点；

③小木棒（直径1 cm、长4 cm），两端分别固定小铁环，下端的铁环套在作为主光轴的铁丝上；

④ 铁丝（直径4 mm、长70 cm），如图固定在木板上，透镜右侧的部分穿过木棒上端的铁环且平行于主光轴，使小木棒垂直于主光轴；透镜左侧的部分过焦点固定，模拟平行于 主光轴的光线经凸透镜折射后过另一侧的焦点；

⑤ 铁丝（直径4 mm、长75 cm），中央钻一个小孔，和主光轴铁丝的光心小孔同轴可旋转，铁丝右端穿过木棒上端的鐵环；

⑥ 木板上画虚线，和铁丝④透镜左侧部分在同一条直线上，表示光线的反向延长线；

2 操作方法

（1）让木棒③位于凸透镜右侧两倍焦距外一点，此时两根铁丝④和⑤在透镜左侧相交于一点，该点位于主光轴下方、一倍焦距到二倍焦距之间、距主光轴的距离小于木棒的高度，如图，可得到或验证此时的成像规律；

（2）将木棒③向透镜靠近，随时观察透镜左侧铁丝④和⑤的交点位置及交点到主光轴的距离，比较像距和像的大小变化；

（3）演示几个转折点：木棒③位于二倍焦距处时，透镜左侧铁丝④和⑤的交点也恰好位于二倍焦距点下方，且距主光轴的距离和小木棒③的高度相同；木棒③位于焦点处时，透镜左侧铁丝④和⑤平行，没有交点；

（4）木棒③位于一倍焦距以内时，透镜左侧铁丝④和⑤将不会相交，但铁丝⑤和透镜右侧的④的延长线⑥会相交，即成虚像，且交点位于主光轴上方；

该装置简单易操作，对于学生理解凸透镜成像规律及原理有很大帮助.使用时要注意铁丝的硬度，检查铁丝是否笔直.

3 尊重兴趣差异，鼓励自选学法

学生在学习兴趣上也显示出不同的差异，有的学生语言表达好，有的学生喜欢运算，有的绘画能力出色，有的喜欢音乐，有的特偏爱自然，有的运动协调能力强……，因而他们解决问题的思路和方法也各有异，因此在物理学习中可以利用学生的特长和优势，引导他们选择适合自己的学习方法.让学生各尽所能，各施其长，使学生学得轻松、学得快乐.

4 开发情感资源，运用激励机制

情感是学习的动力保障系统.开发学生的情感资源，是学生学习的动力源泉.学生在对待学习时，表现出积极和消极两种不同的态度.教师可以利用学生好表现的心理，利用他们都希望自己的劳动成果被人发现、被人肯定的愿望，转化学生的消极态度为积极态度.因此物理教师要利用课堂中的学习活动、探究活动、课外的综合实践活动等为学生创造更多的机会、更多的途径展示劳动成果，让每个学生都能体会到“我能行”，体验到成功的快乐.这将激励学生乐于学习实践，不断奋进.

4.1 多向评价

多增加几把评价的尺子，就会有更多的学生受到鼓励，使更多的学生更加自信，走向成功.如通过一次物理知识的抢答评出“最佳答辩手”；通过物理实验操作比赛评出“最佳操作手”，通过一次解题比赛评出“最佳答题手”，通过课外的综合实践活动评出“小小活动家”……从不同的角度给学生提供展示自己特长的平台，让学生在评价中获得学习的自信心和积极的情感体验，并且看到自己的努力方向.

4.2 多层展示

增加途径、扩大展示面，让各个层次的学生都有机会、有场所展示自己的劳动成果.进步生的作品在小组、班上定期交流、展示；优秀生的作品在学校各走廊展示或张贴；特长生的作品向有关的上级部门推荐.由于各层次的同学都有展示的场所，人人获得成功的愿望得到了满足，对于形成理想、增强自信心、激励进取心都产生了正面影响，而这些心理因素对取得新的进步又起了推动作用，从而进入一个不断发展的良性循环.

平面镜成像原理它是光的反射吗 篇4

反射光线与入射光线、法线在同一平面上； 反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角 。

可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”。

平面镜中的像是由光的反射光线的延长线的交点形成的，所以平面镜中的像是虚像。虚像与物体等大，距离相等。像和物体的大小相等。所以像和物体对镜面来说是对称的。

平面镜成像的原理

平面镜成像实际上是光的反射现象，反射光线射入人的眼睛，人眼根据光的直线传播的经验，判定物体位置。认为光线就是从反射光线反向延长线交点处发出的，人们所看到实际上就是物体的像，而实际上反射光线并不是由反射光线的反向延长线的交点发出的，所以是虚像。

平面镜成像特点

(1)平面镜所成的.像与物体大小相同。

(2)平面镜所成的像与物体到镜面的距离都相等。

(3)像物的连线与镜面垂直。

(4)物和像的左右关系相反。

音响技术及声学原理 篇5

声 学 原 理(1)声学历史

当森林中有一棵树倒塌下来时，发出一阵轰然大响声音，但是没有人在这个原始森林中，所以就听不到这声音。这算不算有声音发出来呢?声音是肯定发出来了，因为当树干及树枝接触地面时，它们都会产生某些声音，但是没有人听见，但这声音对于人类或其他动物所听到的是有所不同，所以这就是声学上所说的心理(Psychoacoustics)。

我在这里讲的声学原理，最主要是让一个调音员能够了解声学的各方面，而不是进行声学研究，或是硕士、博士的声学论文，所以我在这书内讲的声学理论都是实际可以给在现场操作音响的人用得上的。

1915年，有一个美国人名叫 E． S． Pridham将一个当时的电话收听器套在一个播放唱片音响的号角上，而声音可以给一群在旧金山市庆祝圣诞的群众听时，电声学就诞生了。当第一次世界大战结束之后，在美国哈定总统(Harding)就职典礼上，美国贝尔公司把电话的动圈收听器连接在当时的唱片唱机的号角上，就能够把声音传给观看总统就职典礼的一大群群众，因此就产生了很多专业的音响研究及开发了扩声工程这门学问。音响研究人员不单纯是努力地把音响器材进行改进，也做了各类不同的实验来了解人类对听觉的反应。但最高级的音响研究人同都明白音响学是要整体的研究，要了解音响器材的每一个环节，及人类对听觉的生理反应，他们在过去多年内直至现在都作出了很大的贡献。早在1877年，英国的莱李爵士(Lord Raleigh)就已经做过声学的研究，他曾经说过：“所有不论直接或间接有关音响的问题，一定要用我们的耳朵来做决定，因为它是我们的听觉的器官，而耳朵的决定就应该算是最后决定，是不需要再接受上诉的。但这不是等于所有的音响研究都是单靠用耳朵来进行。当我们发现声音的根基是一个物理的现象时，我们探测这个音响境界就要转到另外一个领域范围，它就是物理学。重要的定率是可以从研究这方面而来，而我们的听觉感应也一定要接受这些定率。”我们可以从以上一段文字看到，就算在没有电声音响学产生的时候，老前辈科学家都认为这个是物理的领域。

著名科学家英国的卡尔文勋爵常常说：“当你度量你所述的事物，而能用数字来表达它，你对这事物已有些知识。但如果你不能用数字来表达它，那么你的知识仍然是简陋的和不完满的；对任何事物而言，这可能是知识的始源，但你的意念还未达到科学的境界。”卡尔文勋爵(1824—1907)是19世纪最出色的科学家之一，后世的科学家为了要纪念这位伟人，把绝对温度—273．16摄氏度命名为0度卡尔文度。

戴维斯夫妇(Don＆ Carolyn Davis)是《音响系统工程》(Sound System Engineering)的作者。这本书被称为音响圣经，几乎是每一个外国研究音响的人必读之物。我引述他书内这一段：“具有数学和物理学的知识，是实质上了解音响工程学的必要条件。对这两种科学认识越深，越能使你跨越从感觉上所得到的意念，而达到用科学来引证事实。著名音响家占士摩亚曾经说过：„在音响学中，任何在表面看来很明显的事情，通常都是错误的‟。”

我在以上引述了几位科学家及音响学家的训言，主要是因为现在大部分做音响的人士，他们当然是对音响及音乐很有兴趣，但是以为光靠他们的听觉就可以鉴定什么是好或不好的音响，不明白这是一门专业的工程学问，是做不好音响的。远在19世纪的莱李爵士已经指出这是一个科学的境界，现代的音响工程学也像其它科学学术一样正在努力地发展，所以音响工程学是离不开数学及物理学的。

(2)现场音晌与录音室音晌的分别

在这里所讲解的现场音响地操作，它与录音技术是有很多不同的地方，有很多人以为音响的最高境界就是录音技术，这是不全面的。在录音技术上，通常基本是没有碰到反馈的情况，因为在一个录音室内进行操作时，所有的外围因数都可以得到控制，但是在现场音响重播时，我们是不可以避免有很多现场音响问题，所以现场音响和录音音响是两种不同的学问。现场音响跟录音室音响的要求是不同的，所以有很多器材也是不同的。例如在录音室内所用的调音台，它们的每路输入都有多个参数均衡，让录音师可以把每路输入的音源尽量做最精密地微调，务求达到最好的音源效果。一个用来做现场音响的调音台，通常在它的每路输入，均衡都是比较简单的。因为很多时候，现场调音师根本就没有很多时间把每路的音源做很仔细地微调，而在现场音响的调音台每路的音量控制推杆，它们除了可以把音量做衰减外，也可以增益10—14 dB。如果做录音室用的调音台，这推杆很多时候是不需要做增益的，所以这推杆的英文名称就是 fader，意思是衰减器。用在现场音响的大功率功放，它们都会有风扇作为散热用途，因为现场音响的功放是常常在最大功率输出的情况下工作，并且有很多时候是在户外做现场音响时，周围的温度可能相当高。如果在录音室内，通常都一定会有空调，温度当然不会太高，而录音室内的功放，主要是用来推监听音箱用的，当然不需要输出很大的功率，所以功放只需要用普通的散热器，就可以把很小的热量散走。如果功放装有风扇的话，风扇发出来的声音反而造成噪音，所以在录音室内的功放基本上是不需要风扇的。现场音响所用的音箱，为着要把很大的声压传播绘在远距离的观众，所以它们是需要很高效率的，但在录音室内所用的监听音箱，是录音师用来监听声源或录音的最后结果，录音师是坐在距监听音箱很近的地方来监听，所以监听音箱是一种近音场的音箱，不需要高灵敏度，作用跟现场音响音箱是完全不同的。

(3)音频与波长的关系

很多现场调音师都没有理会到音频与波长的关系，其实这是很重要的：音频及波长与声音的速度是有直接的关系。在海拔空气压力下，21摄氏温度时，声音速度为344m／s，而我接触国内的调音师，他们常用的声音速度是34Om／s，这个是在15摄氏度的温度时声音的速度，但大家最主要记得就是声音的速度会随着空气温度及空气压力而改变的，温度越低，空气里的分子密度就会增高，所以声音的速度就会下降，而如果在高海拔的地方做现场音响，因为空气压力减少，空气内的分子变得稀少，声音速度就会增加。音频及波长与声音的关系是：波长=声音速度／频率； λ=v／f，如果假定音速是344 m／s时，100Hz的音频的波长就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波长就是34．4 cm，而一个20kHz的音频波长为1．7cm。

(4)音箱的高、中、低频率

例如我们现在有一个18时的纸盆扬声器单元，装置在一个用木材造的音箱内，而这音箱的面板面积是 l平方米，即这面板的高度及宽度均是 l米。我们怎样计算这音箱的高、中、低频率呢?首先我们要计算这音箱面板的对角长度，是2的方根=1．414m，任何频率的 l／4波长是超过1．414m时，对这音箱来说它就是低频；如果一个频率的 l／4波长是1．414m时，波长就是4×1．414m= 5．656m，这频率=344m／s÷5．656m=60．8／s=60．8Hz，所以任何音频低于60．8Hz时，对这音箱来说就是它的低频率。当60．8Hz或更低的频率从这音箱传播出来时，它们的扩散形象是球型的，等于如果我们把这音箱悬挂在一个房间中间时，这些频率的音量在音箱的前后左右及上下所发出来的声压都是差不多的，放出来的声音变成没有方向性。当某频率的 l／4波长是小于音箱面板的对角长度，但这波长又大于扬声器的半径时，这段频率就是这音箱的中频率。例如我们现在是用一个18时单元，这单元的半径为9寸，就是22.86cm=0.2286m,这个音频为344m/s÷0．2286m=1505Hz,从60.8Hz-1505HZ频就是这音箱的中频率。中频率从这音箱所扩散出来的形状是半球形的，即如果我们把这段频率从刚才悬挂在房间中心的音箱放出来时，声音从音箱面板扩散出来的形状是半球形。在音箱后面是听不到这段频率的声音。1505Hz及更高的频率，对这音箱来说就是它的高频率。高频率从音箱扩散出来的声音形状是锥形的，频率越高，锥的形状越窄。通常如果频率超过开始高音频的4倍时，声音扩散出来的形状会慢慢变成一条直线而不扩散，如果不是坐在对正单元的位置，就听不到这些高频率。所以很多高频率单元如果是纸盆型的话，这纸盆的直径是很小的，把这音箱的高频下限尽量提高，希望能够使高频扩散的宽度增加。我们常常见到家庭音响音箱中的高音单元，通常会用 l—2时的纸盆单元，或半球状的单元，理由就是这个原因。而专业现场音响的高音单元，因为要发出很大的高频声压，所以说一定是采用号角处理的。

(5)各类不同的音场

当一个纸盆扬声器接受了从功放传过来的信号后，纸盆就会作出前后的摇动，当纸盆向前推进时，纸盆撞击到它前面的空气分子，在纸盆前面的空气就会增加压力，这些分子就会继续向前推进，碰撞它们前面的空气分子，造成轻微的高气压。当纸盆向后退时，纸盆前面的空气分子就会产生轻微的真空，然后这些分子会跟着纸盆的后退，造成这里的空气有轻微的压力减少。但我们不要忘记，空气是有弹力的，但在纸盆前面的空气是刚刚被纸盆的动作摇动，不能达到空气本身的弹力，这时我们便要看这频率的波长，声音是要直到离开纸盆的距离有2．5倍波长时，这些空气才发挥出造成声音的弹力。例如一个100Hz的频率，它的波长是3．44米，所以声音要离开纸盆2．5×3．44米=8．6米之外，才是真正的这个100Hz的声音。如果用10OHz来算，离开纸盆的距离还没达到8．6米就为 lOOHz的近音场，而超过8．6米才是100Hz的远音场。为什么我们要了解远近音场呢?很多时候在一队乐队中的电贝司手，他往往都不了解近音场的效果，而在他的电贝司音箱上，有一个均衡旋钮就是写着贝司（Bass)，正是这乐手的称号。电贝司手通常会站在离开电贝司音箱不远的地方做演奏，如果他站在近音场时，有时会觉得低音不足，就会把这Bass的均衡旋钮尽量调大，但听众在他们的位置就会听得到很强烈的低音，很多时候造成不好的效果。这些强烈的低音也会跑进歌手的话筒，如果调音师因为觉得歌手的声音不足够时，就会把歌手这一路的声音提高，但也同时把电贝司的低音量也提高了，调音就遇上了困难。电贝司的最低E弦是41Hz，但因为拾音器是放在弦的末段，所以41hz第一个谐音82Hz才是主要的电贝司低频率，82Hz的波长是 4．2米（344m／s 除以82／s=4.195m），所以差不多要离开电贝司音箱 10米左右才是这82Hz的远音场，而因为电贝司手不会站到离开他的音箱这么远的距离时，他听到的声音只是近音场，而不是听众所听得到的声音。所以我们当说到扬声器的远近音场时，最主要是注意到频率及它的波长，而不是单纯看离开音箱多远就是等于远或近音场，最主要就是记得我们当欣赏音乐时，是要在远音场的位置，而不是在近音场的位置。

（6）直接音场、反射音场、不直接音场

当扬声器在一个房间内发出声音时，房间内的听众可以听到直接从扬声器传过来的声音，这就指的是直接音场（indirectfield），但听众也可以听到从墙、天花板及地板所反射过来的声音，这就叫做反射音场（reverberant field)。听众听到越多的直接音场的声音，反射音场的声音就越小时，这声音就越好，因为直接音场的声音是可以控制的，但反射音场的声音是不能控制的，它只会把直接育场发出来的声音加上喧染，把原本声音的清晰度减低，所以坐得离音箱比较近的听众就会感觉到好一点的音响效果，而坐在后面的听众很可能是他们听到的反射音场声音比直接音场声音更大，音响效果便会比较差及清晰度降低。有时候一队乐队在台上演出时，因为他们没有监听音箱，而两旁的主音箱是放在靠近台口的位置，乐队及歌手所听到的声音完全没有从直接音场放过来的，他们站立的位置就叫做不直接音场，声音效果当然不会好，这也会影响到乐队的表演水平，令观众听到不太好的演出声音。

（7）界面干扰

光电成像原理及技术 篇6

关键词：内燃机,雪崩光电二极管,喷雾,X射线,成像

0 概述

研究柴油机燃油喷雾雾化对节能减排具有重大的现实意义。在以往的燃油喷雾研究中,已发现不少影响喷雾过程与雾化质量的因素,包括喷嘴内的空穴现象、喷嘴几何形状和气缸内的背压等。然而,由于以往研究手段的限制,喷雾近场特性未得到很好的了解,而该处的信息对研究雾化的产生及雾化的早期发展却是极为重要的。随着相关学科的发展,越来越多的先进测试技术运用到喷雾研究中。而基于雪崩光电二极管X射线成像技术的成功运用,可定量检测整个喷雾场的浓度,其效果优于其他喷雾场可见光测量技术[1,2]。

1 与早期传统喷雾测量技术的比较

最早对喷雾的定量研究是采用机械式测量方法。主要有液滴固化法、沉降法、压痕法、导线法、热线法等。通过这些方法只能对喷雾场进行大体的了解,精确度不高。尤其是导线法和热线法,由于要将传感器(导线或热线探头)置入喷雾场中,使流场受到干扰,破坏流场的本来特征,影响获取真实的喷雾场参数。

阴影法和纹影法等使用普通光源的光学测量技术,虽然也可以得到喷雾的密度场分布,但由于喷雾场中的小液滴会使光线散射,大量衰减了入射光。虽然这样的测试方法可以识别成像图片中包含小液滴的区域,但光线衰减不可避免地使喷雾场内部结构的分辨率变差。

利用激光作为光源,通过散射、干涉、衍射等原理发展的激光散射技术、激光全息技术、激光诱导荧光技术等测试方法,提高了喷雾可视化程度,可以粗略地得到喷雾场密度的分布,利用激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪,也可以获知一定精度的喷雾速度。但由于喷雾场中存在着大量喷雾破裂时产生的小液滴,激光在这些小液滴之间多次反射、散射,使图像分辨率降低,而且也很难在喷嘴口处定量地获取喷雾场浓度。

采用雪崩光电二极管X射线成像技术研究喷雾场,不会像机械式测试方法那样,对喷雾场造成人为的破坏,并且X射线在小液滴表面也没有很强烈的来回散射,所以也不会有因多重散射而使成像结果失真的问题[1,2]。除此之外,这项技术有很高的时间与空间分辨率,能将喷雾结构的细节显示得很清楚。

2 雪崩光电二极管(APD)阵列探测技术

雪崩光电二极管在外加较高的负偏电压作用下,由管中特定的PN结构,可触发碰撞电离机制,而对初生的光生载流子提供快速倍增,从而产生内部电流增益。为得到这种增益所伴随产生的噪声电平,明显小于采取PIN光电二极管接电子放大器方案时产生的噪声电平,即雪崩光电二极管可提供较好的信噪比。

APD阵列并非雪崩光电二极管的简单拼接,而是将门控、APD、计数电路、多路复用器、移位寄存器等单元有机地组合在一起,构成一个个“像素”单元。工作时,目标成像在APD阵列的“像素”单元上,光感应区输出光子到达不同像元的数字二维矩阵[3]。由于该信号是离散的,没有灰度等级的二维数字矩阵,还需要采用门控工作方式来产生多幅光子事件图像,这些图像再经过图像处理单元进行时间相关、非均匀校正、增强、降噪处理后得到包含信息的高灰度等级图像。APD阵列探测器成像过程如图1[4]所示。整个APD阵列成像系统主要由控制单元、接收光路、APD阵列、高速图像处理单元、显示合成单元等组成,其中APD阵列又包含偏压控制、计时电路和读出电路。

3 雪崩光电二极管X射线喷雾场成像试验方法

文献[1,2]将APD阵列作为探测器,利用X射线成像技术对喷雾场进行了试验研究,成功地测出了喷雾场密度分布,并得到了普通光学手段无法探究的喷雾近场密度分布。

线性吸收是喷雾场对X射线最主要的作用,这是整个X射线吸收成像最基本的原理和前提条件。由于小液滴表面对X射线的反射和散射很小,尤其是当光子能量很低时,一般认为喷雾场对X射线的线性吸收占了主导[1,2]。其次,在整个试验过程中,入射的X射线强度假设是稳定不变的,因为试验所得结果并不是一次喷雾测得的,而是多次喷雾的结果加权平均以后得出的,因此大量减小了X射线入射强度的波动对试验结果的影响。因为喷雾场对X射线的吸收是线性的,所以认为压力室内喷雾场各处只有密度上的不同,如果其中的微量散射也可以被忽略,那么X射线穿过样本的强度公式为:

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式中,I、λ、t分别为X射线的强度、波长和穿透时间;z为X射线的传播方向;ε为喷雾场对X射线的线性吸收系数。

X射线的强度在喷雾开始前就要预先被记录下来,以该强度作为入射强度,再确定X射线穿过喷雾场的透射。通过记录和处理预测的X射线强度,压力室内的环境气体和压力窗对X射线的吸收就被自动的计算在内,投影密度公式为:

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式中,ρ为燃料的密度。

这种基于APD探测器的X射线成像技术,即使是燃油喷雾场中存在着大量的小液滴,也能给出燃油在X射线束路径中的当量投影密度。

文献[1,2]利用美国Argonne国家实验室先进光子源(APS)的1-MB光束得到同步辐射光源。为了使得到的X射线适合于这个试验,需要用X射线曲面反射镜来对从辐射源发出的射线进行聚焦,同时,在该试验中为了进一步限制光束的尺寸,又用了两道狭缝来遮盖多余的光束,一道垂直导向,另一道水平导向(图2),最后得到的光束尺寸相对于喷雾轴线方向为200 μm,垂直于轴线方向为30 μm。

试验用的喷雾是通过安装在Bosch共轨喷油器上的轴向单孔喷嘴喷射液体模拟的。X射线定向穿过喷雾,照射到雪崩光电二极管阵列上。雪崩光电二极管上产生的电压信号用横河(Yokogawa)DL7480型500 MHz数字式示波器按试验要求设定进行有规律的记录。同时,射线强度长时间的变化用电离室进行无干扰地监测,整套试验装置如图2所示[1]。

试验系统中使用的金属和玻璃等制品将会很大程度地吸收X射线的光子能量,因此,压力室使用了Argonne试验室为X射线试验专门设计的特殊材质的窗口,可以有效减少对X射线的吸收,同时也能承受3 MPa的压力。

为了探究喷雾场的结构,X射线需穿过喷雾流场中2 255个独立的定位点(图3[1])。这2 255个像素APD分布在图中的x-y平面内,其中x坐标轴沿着喷油器轴线的方向,y坐标轴则位于截断喷油器轴线的截面内,它同时垂直于喷油器轴线方向和X射线入射方向。这样X射线成像的像素就自然地“映射”在两轴所组成的平面内。

从图3可看出,这2 255个定位点不是杂乱无章、无序排列的。而是排列在一些离散的横向切片上,所以数据也被获取在这些切片内。在x轴方向上,切片之间的间隔分别从喷嘴附近的0.2 mm到测量网格范围末端的2 mm不等。为了测试喷雾的全宽并保持很好的结构分辨率,每片上都均匀分布着25～55个测量定位点,在y轴方向上,这些点与点之间的间隔也分别从喷嘴附近的30 μm到测量网格范围末端的240 μm不等。同时为了保证精确度,在每个测量点上,射线的测量强度是64次单独喷雾测试的平均值。

为了模拟发动机气缸内的环境,使测得的数据更为精确,燃料本应被喷入温度为800 K、气压为6 MPa的压力室内。但是,现有的X射线压力窗技术还难以达到试验要求,该试验排除了模拟这些环境条件的做法。

为了提高成像的效果,试验喷雾以Viscor 1487为燃料来模拟柴油喷雾场。它与柴油有着相似的物理特性,同时以一定比例加入添加剂铈(Cerium),可大幅度提高喷雾场对X射线的吸收系数,从而也提高了信噪比,使成像更加清晰。由于添加剂铈只能吸收能量在5.8 kev以上的光子,所以试验用的X射线的光子能量被控制在8 kev。

在文献[2]的研究当中,喷油嘴的喷射压力被控制在25 MPa,并在1号和2号喷嘴上分别进行喷射时间为400 μs和1 000 μs的两组试验。1号和2号喷嘴的内部结构如图4所示,两者的区别在于1号喷嘴喷孔入口圆滑过渡,而2号喷嘴喷孔入口则是尖角直接过渡。燃料在室温和常压下被喷入压力室。之所以选择这样的试验环境,除了现有技术的限制以外,还为了能在尽可能大的范围内获得所要的测量数据,因为在高压条件下使用较小的X射线压力窗会限制“视野”的范围。同时为了及时清除压力室中喷入的燃料,氮气以1 L/min的流量不断地被充入,由于压力室大约有0.5 L的容积,清扫气流引起的环境气体流动速率是相对很小的。

4 成像结果与分析

入射的X射线穿过喷雾场,气相的燃料吸收了大量的光子,极大地削弱了X射线的强度,具有微秒级分辨率的APD阵列探测器“截获”穿过喷雾场的X射线,由此获取的APD参数再经过处理,可得到喷雾场的结构。图5～图7显示的是文献[2]中短时喷雾(400 μs)试验所得出的喷雾场投影密度。从图5可清楚观察到,喷雾一旦发生后,在喷孔出口处立刻形成一块高密度的燃油喷雾区,且沿着喷口轴线方向,投影密度逐渐减小。但在喷雾发生206 μs后,投影密度并非继续沿着喷雾轴线方向相应地减小;反而,在喷雾场的前缘,形成了一块高密度燃油区域(图6),称之为液核。这一结构在1号喷嘴上可以更清晰地看出。同时,该结果也在其他X射线喷雾场成像试验中出现[5,6,7]。而在传统的光学测量方法中,由于喷雾中心被燃油小液滴层包裹,这个变化过程难以被观测。

在整个喷雾雾化过程的末期(图7),喷射过程结束后,集中在喷雾场前缘的燃油开始扩散,同时整个喷雾场也继续向下游发展(1号喷嘴更加明显)。但在喷油嘴出口仍有小块高浓度的燃油区域,如果能排除泄漏,则说明出口附近的燃油移动缓慢且雾化效果差。两种类型喷嘴最大的区别便是1号喷嘴的喷雾场发展更为迅速,在喷雾过程中的同一时刻,1号喷嘴的喷雾扩展和雾化发展都要先于2号喷嘴。

在长时喷雾(1 000 μs)试验中(图8～图10)[2],早期的喷雾场演变与短时喷雾的极为相似。对比图6与图8可知,最大的区别在于长时喷雾试验中连接喷油嘴出口与喷雾前缘的喷雾场投影密度大于短时喷雾,这在两组试验中,1号喷嘴表现得尤为明显。

随着喷雾的进行,前缘结构超出了测量的范围,出现了如图9所示的喷雾场结构,即在1号喷嘴发生了喷雾场的扩散。然而,大约在喷雾进行700 μs后,1号喷嘴喷雾又迅速转变为狭窄的液体射流(图10),进入最终的喷雾稳态,而这一喷雾场结构前后发生变化的现象在2号喷嘴中未出现,2号喷嘴始终保持着较为稳定的喷雾进程。从图10中也可以观测到,在喷雾进入到最终的稳态后,1号喷嘴的喷雾场比2号喷嘴的要狭窄,且1号喷嘴连接喷孔口与喷雾前缘的喷雾场投影密度也远大于2号喷嘴。

5 结论

(1) 雪崩光电二极管阵列具有单光子探测能力,相比其他的探测器具备更高的探测灵敏度和时间分辨率。以雪崩光电二极管阵列作为探测器的X 射线成像技术的试验方法,能在高压高速的燃油喷射中得到喷雾场实时的内部形态和密度,可以利用由此得到的相应信息研究喷雾的动力学特性和燃油的破裂特性。并且,与激光或可见光相比,X射线在喷雾场中的散射小,用该试验方法可得到高清晰度喷雾场图像,可对喷雾场密度进行直观了解,也为研究和完善喷雾雾化机理提供了数据支持,为以后发动机燃烧和排放性能的改善奠定了基础。同时,将该试验运用于不同喷嘴,还可以为改良喷嘴设计提供技术上的支持。

(2) 目前,该试验方法只是在代用燃料Viscor 1487上试验,取得了良好的效果。因此对于柴油喷雾场运用APD阵列X射线成像技术进行测量,还要进行进一步研究。

参考文献

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光电成像原理及技术 篇7

光电聚焦式加热技术是利用电能转换成光能、热能的新一代供应热能技术，是对电阻式加热及电热片、电热膜、电阻丝等加热技术的革命。技术原理为：通过光学聚焦镜将电光源发射出的三维方向的光能，定向地、高密度地聚焦到板式换热器上，转换为高热能，热媒流经板式换热器方格时形成湍流，充分吸收换热器板面接收的高热能，从而完成热媒的加热过程。

全自动光电供热系统以光电聚焦式加热技术为热源，处于国际领先水平。全自动光电供热系列产品适用于不同供热面积和供热水平要求的供热行业，包括军工、化工、石油、农业及民用供暖供热等需要。在民用供热领域应用光电聚焦式加热技术，是将电能转换为高密度光能照射在板式换热器上，迅速提高热媒的温度。光电聚焦式加热技术产品具有如下特点：

节能：由于光电聚焦式加热技术电热转换率达到95％，比传统加热方式节能40％左右；同时由于本技术可以缩短供暖供热管道距离，将降低长距离供热产生的热损失约10个百分点。

提升温度快、所需时间短：由于提供的电热转换温度可达1350℃，是原光源温度的十几倍，可以快速提升热媒温度，达到供热温度要求的速度。

安全：由于通过光加热，使电与热媒(包括水和其他热媒)完全隔离，无漏电、短路事故隐患。采用该技术产品整机工作状态下泄漏电流小于0.002毫安(国际及国家标准为小于0.75毫安)，整机冷态绝缘电阻大于500兆欧(国际及国家标准为大于50兆欧)，产品的安全性能远远高于国家和国际标准。

使用过程零排放：光电加热过程没有任何污染排放。

全自动温控运行设计：自动遥控，软启动开机，超温保护，防冻防护，变频控温；套系统只需1～2人值班；

用户采暖费用低：经过两年多的实际使用证明，其运行费用低于市场上其他各类供暖产品的运行费用；

经久耐用：该机主要原材料采用铝合金、不锈钢、紫铜等贵重金属，做工精细，工艺考究，精美长寿，为用户的采暖设备提高档次；

维修方便：由于采用了模块化结构设计，维修方便，维修时可以保证供暖供热不间断；

型号齐全：即有从适合小户型单户供暖的设备，好有适合大面积户型甚至区域式集中供热(例如小区、大型体育馆、医院等)设备；

减少占地、节约费用：本系列产品中，无论壁挂式光电供热炉，大型柜式光电供热炉和大型蓄热式光电供热炉均具有占地面积少，外形美观的优点，特别是大型蓄热式光电供热炉可以省掉锅炉房储煤场，炉渣场等配套设施的占地面积。同时由于无需修建锅炉房和铺设户外管道，还可以节约一定数量的工程费用；

改造原有供热系统简便易行：在对原有供暖供热系统改造时，安装本系列产品后，只需将本机与原有供暖系统的供水、回水管对接即可，具有很强的可操作性，并可以降低改造费用。

二、与国际传统电供热知名品牌产品的对比分析

AO史密斯公司成立于1874年，是北美最大的热水器和热水锅炉制造商。二十世纪早期，公司开始进入制造家用热水器领域，获得了“金圭”内涂层专利，二十世纪中期，进入商用热水器市场。1974年，率先推出节能热水器生产线。

白浪公司始建于1881年，是美国生产家用商用热水器的三大制造厂商之一，在美国锅炉行业排名前4位，拥有120多年的专业热水器研发和生产经验。拥有26项专利技术其中独特的喷射式全效注水系统，不但使产品提高了传热效率，而且能够有效地延长产品使用寿命。

上述产品的电供热技术，主要采用“英克来”式电热管作为热源，其电热转换率在64％～69％之间，比达安公司的光电聚焦式加热供热技术的热效率低25～30个百分点。由于“英克来”式电热管的加热过程，是电热管直接插入被加温的水中，不可能能实现加热体与水的分离，因此，在安全性方面存在隐患。

投资方面，AO史密斯电供暖产品每平方米装机费用155元，美国白浪电供暖产品每平方米装机费用160元，光电供暖产品每平方米装机费用150元。

根据上述数据资料，可以得到下列结论：在电热转换效率方面，全自动光电供热系列产品技术处于绝对优势，分别比白浪和A.O.史密斯高26.4和30.2个百分点；在投资方面，光电产品也具有优势，相当于白浪和AO史密斯的94％～97％。

三、与国内供热行业传统供热方式的对比分析

国内传统供热方式主要有三大类：

一是使用最多的燃煤、燃气或燃油的锅炉供热；二是以电加热为热源供热；三是储热式电锅炉供热；此外还有地源热泵供热、太阳能供热和空调取暖。

目前，第一类供热方式普遍应用于城市或小区集中供热；其他供热方式主要应用于居民家庭直接供热。一般情况下，大中城市实现按城市规划实现集中供热的地方，第一类供热方式单台锅炉功率较大，热效率较高，监督和治理污染的力度也较大。在不能实施集中供热的区域，多采用其他供热方式。由于热源来自电力或太阳能，使用过程没有污染问题，但由于不同的供热方式使用的设备差异，电热效率存在较大差别。

价格政策：按照价格管理权限，城市和小区集中供热价格由地方价格主管部门制订和管理，价格水平由单位面积需要的热量和供热时间决定，如哈尔滨市的单位面积需要热量大，供热时间长，因此价格较高，而北京市则需要热量较少，时间较短，因此价格相对较低。

政府补贴政策：这项政策可以分为两个方面，—方面是对集中供热企业的补贴，如北京市对市供热集团的补贴；另—方面是对居民用户的直接补贴，如北京市对使用电取暖居民用户补贴。对居民用户还实行了夜间低谷用电价格。

企业补贴：主要是两个方面：一是承担部分燃料价格上升增加的成本，如哈尔滨市政府要求市热力集团消化20％的煤炭涨价成本；二是一些地方政府要求供热企业少收或免收低收入家庭供热费用。

各种补贴保证了企业的运行和居民的基本生活需求，但也在一定程度上扭曲了成本和价格水平。

1.传统供热方式的主要问题和缺陷

按照不同供热方式分析：

燃煤供热：在集中供热领域，虽然与比分散供热相比，热效率和污染控制水平有所提高，综合热效率可达70％～90％，但仍然存在污染问题；集中供热管网长热损失大是很难解决的问题；在分散供热领域，热效率低和污染严重的问题难以解决。

燃气(燃油)供热：成本高、资源短缺是制约其发展的重要因素，政府和企业将面临补贴负担或亏损压力；在环境保护方面，虽然降低了污染水平却仍然有一定的污染排放。

传统电供暖主要缺陷是：安全性能差、电热转换率低，真正天冷的时候达不到实际供暖要求。近年国内一些商家混淆电热转换率和热效率概念，宣传不实，造成用户的很大损失。

热泵(地源热泵和水源热泵)供暖：是从国外引进的新型供热制冷技术，有着高效节能的优点，但一次性投资很大；特别值得注意的是水源热泵需要打深井，根据经验，利用地下水为一次热源，很难避免

破坏地下环境，大规模发展，还会破坏地表生态环境；同时，我国地质构造山地结构占70％不适于打深井。所以，在我国。该项技术的广泛应用面临投资、环境和地质构造特点的约束。

空调供暖：在条件具备时，空调供暖启动快、供暖迅速，南方大部分地区应用比较广泛，但其缺陷明显：一是空调不具有持续保温功能，关机后温度会迅速散失；二是需要大幅度增加用电量。经验表明：在0℃以下，空调制热能力会大大的下降，普通空调在-5℃以后基本停止工作，变频空调适应低温的能力好一些，气温在-15℃以上可以正常工作，再低也将无能为力。所以，有些空调在制热方面加装了电热辅助功能。这样，空调制热比制冷功率大很多，耗电量也相应增加：一股情况下1.5匹空调的功率为1160瓦，加热辅助功率700瓦，总计1860瓦，耗电量增加了60％以上。

太阳能供暖：根据国外专业厂商经验，此技术还处于理论概念阶段，太阳能设备的热效率转换很低，可供洗澡，但供暖远远达不到要求。目前通常使用的方法为“太阳能+燃气炉(电炉)”组合供暖，单纯的太阳能实际供暖概念并不成立。

此项技术应用中无法回避的另一个突出问题是：太阳能电池板设备维护困难，极易损坏，如采用单晶硅电池板，维护会变的很简单，但价格却会非常昂贵。因此，太阳能供暖短期内很难广泛应用。

2.对比分析

根据前面的分析，目前供热领域普遍采用燃煤供热(北京地区逐步扩大燃气供热规模)，同时，考虑到热泵供热、空调供热和太阳能供热存在缺陷，在短期内难以克服、影响其市场推广的情况，本节重点对燃煤(燃气)供热作对比分析。

投资方面：

燃煤(燃气)供热主要有三项投入：一是政府收取的供热配套费(有的城市包含在城市基础配套费内)每平方米90元左右；二是供热商收取的入网费每平方米40～80元，其中包括连接主供热管道到小区红线的管道建设工程费；三是房地产开发商收取的室内供热设施建设工程费用(一般将此费用计入房屋销售价格)每平方米140元左右(北京地区)。形成燃煤(燃气)供热能力三项投入资金合计每平方米270～310元。

需要说明的是，一方面城市集中供热和小区供热存在一定差别，城市集中供热虽然热源建设单位面积投资较少，但是，由于供热管道较长增加了投资，因此，单位投资仍然要高一些，另一方面，由于不同城市各方面条件相差较大，单位面积需要投入的资金有较大差距。

显然，在节约资金投入方面，与燃煤(燃气)供热相比，全自动光电供热系列产品具有优势，仅相当于其单位面积投资的48％～56％。

运行费用方面：

假设将10吨水由70℃同时加热到95℃，目前国产燃煤热水锅炉热效率为40％左右，实际需要煤的数量为125千克，再加上人工费用、用电费用、维护费用、及排污费用等，合计费用约135元。光电设备的电热转换率为95％，按北京给予电供暖的低谷电价每千瓦时0.2元计算，需支付61.21元。

根据上述数据对比结果，光电设备比燃煤锅炉供热费用低73.79元，只相当燃煤供热费用的45.34％。

需要说明的是，光电设备供热为全自动控制，运行过程中无需管理人员；由于其运行稳定，不易发生故障，因此，未考虑维修费用。

减少污染物排放方面：

据经验数据，燃煤供热产生的污染物主要是：二氧化碳，1吨标准煤燃烧时产生2.66～2.72吨；二氧化硫，当每千克煤的含硫量为0.6％～1.5％时，1吨煤燃烧时产生9.6～24千克；废气和烟尘，1吨煤燃烧时产生约1万立方米废气、200千克烟尘。

光电供热在运行中使用清洁能源电，完全没有任何污染物排放。