- 探究近紅外光電傳感的溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
- 近紅外光譜分析技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)
- 采用近紅外光作為探測(cè)光源
- 結(jié)合以單片機(jī)為主的數(shù)據(jù)采集模塊
0 引言
近年來(lái)，由于我國(guó)海洋石油勘測(cè)及開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大，海上石油運(yùn)輸日益繁忙，因石油開(kāi)采、運(yùn)輸、存儲(chǔ)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(jù)統(tǒng)計(jì)，1973～2008年底，我國(guó)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(duì)海洋環(huán)境造成了極大的傷害同時(shí)嚴(yán)重的影響了沿海居民生活 。
當(dāng)前對(duì)于海面溢油的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有航空遙感和衛(wèi)星遙感，但是二者均存在著不同的問(wèn)題，航空遙感監(jiān)測(cè)不具有實(shí)時(shí)性，衛(wèi)星遙感對(duì)于小范圍污染具有不準(zhǔn)確性等缺點(diǎn)，因此，研究和設(shè)計(jì)一種能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)海面漂浮溢油的系統(tǒng)對(duì)保護(hù)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(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于近紅外光譜吸收技術(shù)的溢油檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用近紅外光作為探測(cè)光源結(jié)合以單片機(jī)為主的數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)近海海面進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于保護(hù)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(zhǎng)在780～2 526 nm范圍內(nèi)，是人們最早發(fā)現(xiàn)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(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的。一般有機(jī)物在該區(qū)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(jī)物的主要結(jié)構(gòu)和組成都可以在它們的近紅外光譜中找到信號(hào)，且譜圖穩(wěn)定。后來(lái)研究者發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)的含量與近紅外區(qū)內(nèi)多個(gè)不同的波長(zhǎng)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(cè)定一些產(chǎn)品中的物質(zhì)含量。由于有機(jī)物如油類(lèi)都含有OH、C和NH基團(tuán)，因此近紅外技術(shù)被不斷應(yīng)用于油類(lèi)的配置與檢測(cè)。
不同于傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)，近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用具有優(yōu)點(diǎn)為：（1）分析速度快，測(cè)量過(guò)程大多可在1 min內(nèi)完成；（2）分析效率高，通過(guò)一次光譜測(cè)量和已建立的相應(yīng)校正模型，可進(jìn)行無(wú)限多樣品多組分的連續(xù)測(cè)定；（3）分析成本較低，節(jié)省費(fèi)用，且不污染環(huán)境；（4）適用樣品范圍廣，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)樣附件可以直接測(cè)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(yù)處理，不需使用化學(xué)試劑或高溫、高壓、大電流等測(cè)試條件，一般可以達(dá)到無(wú)損測(cè)定；（6）操作簡(jiǎn)單方便，使用安全，對(duì)操作人員要求不很高。
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2 近紅外吸收型光電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 光電傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)要求光電傳感探測(cè)部分具有較高的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，且實(shí)時(shí)性高，即需要對(duì)待測(cè)海水進(jìn)行連續(xù)不間斷的在線(xiàn)測(cè)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(duì)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(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品成分的檢測(cè)見(jiàn)圖1所示。
光路部分是利用近紅外光透射吸收原理來(lái)對(duì)水中的含油量進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，因此要求光源的光譜特性位于近紅外區(qū)，采用的特定波長(zhǎng)的近紅外光作為光源，并且考慮到設(shè)計(jì)最終將以浮標(biāo)的形式封裝并且要長(zhǎng)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(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，因此選用近紅外LED作為光源器件。為了更加準(zhǔn)確的選取特定峰值的LED，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)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(duì)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(duì)所制備的樣品進(jìn)行圖譜采集，記錄樣品波數(shù)8 000—12 000 cm 區(qū)域內(nèi)的煤油、汽油吸收曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。
