近紅外光電傳感的溢油監測系統設計與實(shí)現

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。