基于近紅外光電傳感技術(shù)的溢油監測系統設計

　　摘要：鑒于近紅外光譜分析技術(shù)在純品油鑒別中的成功應用，結合當前光電檢測技術(shù)發(fā)展情況，設計了一種基于近紅外光譜分析技術(shù)對海面溢油進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的光電檢測系統。該系統應用烴類(lèi)物質(zhì)對特征吸收波長(cháng)的光吸收作用隨濃度的變化而變化的基本原理設計了光電傳感探頭，并采用有效的數據采集系統，進(jìn)一步提高了測試精度。文章介紹了傳感系統的工作原理設計，重點(diǎn)說(shuō)明了光源的選擇，并通過(guò)測試驗證了系統的可靠性。

0 引言

　　近年來(lái)，由于我國海洋石油勘測及開(kāi)采規模不斷擴大，海上石油運輸日益繁忙，因石油開(kāi)采、運輸、存儲以及其它原因造成海洋突發(fā)性溢油事件的發(fā)生幾率不斷增加。據統計，1973～2008年底，我國沿海共發(fā)生船舶溢油事故3000多起，其中50 t以上重大船舶溢油事故69起，總溢油量37077 t，年均2起，平均每起事故溢油量537 t，在對海洋環(huán)境造成了極大的傷害同時(shí)嚴重的影響了沿海居民生活 。

　　當前對于海面溢油的傳統檢測方法有航空遙感和衛星遙感，但是二者均存在著(zhù)不同的問(wèn)題，航空遙感監測不具有實(shí)時(shí)性，衛星遙感對于小范圍污染具有不準確性等缺點(diǎn)，因此，研究和設計一種能實(shí)時(shí)、準確地監測海面漂浮溢油的系統對保護海洋環(huán)境資源具有重要意義。鑒于近紅外光譜分析技術(shù)具有速度快、成本低、無(wú)污染、不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)以及在純品油鑒別中的成功應用，設計了一種基于近紅外光譜吸收技術(shù)的溢油檢測系統。該系統采用近紅外光作為探測光源結合以單片機為主的數據采集模塊，對近海海面進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測，對于保護近海海域的環(huán)境安全具有重要意義。

1 近紅外光譜分析技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)

　　近紅外光(NIR)是指介于可見(jiàn)光和紅外光之間的一種電磁波，波長(cháng)在780～2 526 nm范圍內，是人們最早發(fā)現的一種非可見(jiàn)光。近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的。一般有機物在該區域的近紅外光譜吸收主要是OH、C和NH的倍頻和合頻吸收，幾乎所有有機物的主要結構和組成都可以在它們的近紅外光譜中找到信號，且譜圖穩定。后來(lái)研究者發(fā)現，物質(zhì)的含量與近紅外區內多個(gè)不同的波長(cháng)點(diǎn)吸收峰呈線(xiàn)性關(guān)系，因此開(kāi)始利用該技術(shù)來(lái)測定一些產(chǎn)品中的物質(zhì)含量。由于有機物如油類(lèi)都含有OH、C和NH基團，因此近紅外技術(shù)被不斷應用于油類(lèi)的配置與檢測。

　　不同于傳統的光譜分析技術(shù)，近紅外光譜技術(shù)的應用具有優(yōu)點(diǎn)為：(1)分析速度快，測量過(guò)程大多可在1 min內完成；(2)分析效率高，通過(guò)一次光譜測量和已建立的相應校正模型，可進(jìn)行無(wú)限多樣品多組分的連續測定；(3)分析成本較低，節省費用，且不污染環(huán)境；(4)適用樣品范圍廣，通過(guò)相應的測樣附件可以直接測量液體、固體、半固體和膠體等不同物態(tài)的樣品；(5)樣品一般不需預處理，不需使用化學(xué)試劑或高溫、高壓、大電流等測試條件，一般可以達到無(wú)損測定；(6)操作簡(jiǎn)單方便，使用安全，對操作人員要求不很高 。

2 近紅外吸收型光電傳感器的結構設計

　　2．1 光電傳感系統結構圖

　　系統要求光電傳感探測部分具有較高的檢測精度和穩定性，且實(shí)時(shí)性高，即需要對待測海水進(jìn)行連續不間斷的在線(xiàn)測量，因此采用近紅外LED作為光源。光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡組選擇得到對溢油具有特征吸收的分析光，經(jīng)透射與樣品室的樣品發(fā)生相互作用，然后進(jìn)入光電探測器，將光信號轉換為電信號，從而實(shí)現對樣品成分的檢測見(jiàn)圖1所示。

　　2．2 光源特征波長(cháng)的選取

　　光路部分是利用近紅外光透射吸收原理來(lái)對水中的含油量進(jìn)行在線(xiàn)監測，因此要求光源的光譜特性位于近紅外區，采用的特定波長(cháng)的近紅外光作為光源，并且考慮到設計最終將以浮標的形式封裝并且要長(cháng)期的投放到海面上，而海面環(huán)境較為惡劣，所以，要求該光源的體積小、機械強度高、穩定性強，因此選用近紅外LED作為光源器件。為了更加準確的選取特定峰值的LED，以達到準確測量，自行配置了不同濃度的水油混合物來(lái)模擬海面溢油，采用MPA近紅外光譜儀對所配置的樣品進(jìn)行光譜采集來(lái)確定選取峰值。

　　儀器與試劑：MPA近紅外光譜儀，汽油，煤油樣品配置：在秦皇島海域采取一定量的海水，分別移取100、200、300、500 的汽油、煤油到100 mL的海水中，充分搖勻、靜置使得樣品能夠模擬溢油在海水中的分散狀況。

　　用近紅外光譜儀對所制備的樣品進(jìn)行圖譜采集，記錄樣品波數8 000—12 000 cm 區域內的煤油、汽油吸收曲線(xiàn)見(jiàn)圖2

從圖2可以看出在波數在8 300—8 500 cm 區域，煤油、汽油均有一明顯的吸收峰，并且隨著(zhù)樣品濃度的增加水油混合物的吸收峰逐漸向純油的峰值靠近，經(jīng)計算該峰值大約在1 190nm，用特征峰值相近的LED作為發(fā)光部分的光源。

3 溢油檢測系統整體設計

　　3．1 系統整體構造

　　該系統采用近紅外透射光譜分析方式，整體系統設計框圖如圖3所示。

　　3．2 系統設計方案的主要思想

　　近紅外光譜監測系統由發(fā)光系統和電路系統2部分組成。

　　主要采用近紅外光電檢測技術(shù)和數據采集處理技術(shù)來(lái)實(shí)現對水面溢油的檢測。被測量為溢油特征吸收波長(cháng)的光強大小，經(jīng)過(guò)光電轉換，將光信號轉化為電信號，得到攜帶被測量信息的脈沖調制模擬信號。調制后的信號經(jīng)過(guò)放大、濾波、整形等處理后，再經(jīng)過(guò)A／D轉換芯片轉換成數字信號，送入單片機中進(jìn)行處理?？紤]到該系統最終要以浮標的形式投放到海面上長(cháng)期工作，因此對于控制部件的能耗有一定的要求。系統采用了低功耗，大存儲量的MSP430F149單片機作為主控制部件，并且采用C語(yǔ)言編程完成數據的采集和預處理，最終將處理數據經(jīng)GPRS模塊發(fā)送到上位機進(jìn)行分析確認以達到監測目的。

4 試驗結果與分析

　　重新取100，200，300，500 的汽油分別與100 mL的海水混合，組成不同體積比例分數的水油混合物，在等同的時(shí)問(wèn)間隔(2 min)用該系統去透射樣品并取得相應的電壓數據見(jiàn)表1所示。

　　以便更加直觀(guān)的得到采集光電轉換電壓與水油混合物濃度變化的關(guān)系，利用國際公認的標準計算軟件Matlab工具，進(jìn)行編程工作，對上述試驗數據進(jìn)行處理，以完成對采樣數據的進(jìn)一步分析，圖4是其分析結果。

5 結束語(yǔ)

　　該系統對于海面不同濃度的溢油進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據采集，并以電壓信號發(fā)射給上位機。上位機通過(guò)已有電壓信號與溢油濃度建立的數學(xué)模型對接收的不同電壓信號進(jìn)行分析得出海水受污染的程度以便海事部門(mén)采取相應的措施對溢油污染進(jìn)行處理。該系統創(chuàng )新點(diǎn)在于采用近紅外光譜分析技術(shù)結合低功耗MSP430單片機并且以浮標的形式封裝對海面溢油進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測，不僅具有航空遙感所不具有的全學(xué)灌漿，使灌漿施工更經(jīng)濟，更有效地進(jìn)行。灌漿的試驗結果表明，該灌漿在線(xiàn)檢測系統能滿(mǎn)足現場(chǎng)灌漿的要求，各項指標均達到設計要求，它為灌漿工程提供了較完備的測試手段，從而保證了灌漿質(zhì)量和提供了有效地監督。