基于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)

0 引言

　　近年來，由于我國(guó)海洋石油勘測(cè)及開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，海上石油運(yùn)輸日益繁忙，因石油開采、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)吸收峰呈線性關(guān)系，因此開始利用該技術(shù)來測(cè)定一些產(chǎn)品中的物質(zhì)含量。由于有機(jī)物如油類都含有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)量過程大多可在1 min內(nèi)完成；（2）分析效率高，通過一次光譜測(cè)量和已建立的相應(yīng)校正模型，可進(jìn)行無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 。

　　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)見圖1所示。

　　2．2 光源特征波長(zhǎng)的選取

　　光路部分是利用近紅外光透射吸收原理來對(duì)水中的含油量進(jìn)行在線監(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、汽油吸收曲線見圖2

　　從圖2可以看出在波數(shù)在8 300—8 500 cm 區(qū)域，煤油、汽油均有一明顯的吸收峰，并且隨著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(jì)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(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　3．1 系統(tǒng)整體構(gòu)造

　　該系統(tǒng)采用近紅外透射光譜分析方式，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

　　3．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的主要思想

　　近紅外光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由發(fā)光系統(tǒng)和電路系統(tǒng)2部分組成。

　　主要采用近紅外光電檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)水面溢油的檢測(cè)。被測(cè)量為溢油特征吸收波長(zhǎng)的光強(qiáng)大小，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，得到攜帶被測(cè)量信息的脈沖調(diào)制模擬信號(hào)。調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、整形等處理后，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)中進(jìn)行處理?？紤]到該系統(tǒng)最終要以浮標(biāo)的形式投放到海面上長(zhǎng)期工作，因此對(duì)于控制部件的能耗有一定的要求。系統(tǒng)采用了低功耗，大存儲(chǔ)量的MSP430F149單片機(jī)作為主控制部件，并且采用C語言編程完成數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，最終將處理數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析確認(rèn)以達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。

　　4 試驗(yàn)結(jié)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?jǐn)?shù)的水油混合物，在等同的時(shí)問間隔（2 min）用該系統(tǒng)去透射樣品并取得相應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)見表1所示。

　　以便更加直觀的得到采集光電轉(zhuǎn)換電壓與水油混合物濃度變化的關(guān)系，利用國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件Matlab工具，進(jìn)行編程工作，對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以完成對(duì)采樣數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，圖4是其分析結(jié)果。

　　5 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)對(duì)于海面不同濃度的溢油進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，并以電壓信號(hào)發(fā)射給上位機(jī)。上位機(jī)通過已有電壓信號(hào)與溢油濃度建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)接收的不同電壓信號(hào)進(jìn)行分析得出海水受污染的程度以便海事部門采取相應(yīng)的措施對(duì)溢油污染進(jìn)行處理。該系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于采用近紅外光譜分析技術(shù)結(jié)合低功耗MSP430單片機(jī)并且以浮標(biāo)的形式封裝對(duì)海面溢油進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(jì)，更有效地進(jìn)行。灌漿的試驗(yàn)結(jié)果表明，該灌漿在線檢測(cè)系統(tǒng)能滿足現(xiàn)場(chǎng)灌漿的要求，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，它為灌漿工程提供了較完備的測(cè)試手段，從而保證了灌漿質(zhì)量和提供了有效地監(jiān)督。