CN106442414A - 一种基于布里渊‑拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置及其方法 - Google Patents

一种基于布里渊‑拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于布里渊‑拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置及其方法；以普通水样作为光散射介质，激光激发布里渊散射信号1；再以梯度浓度石油和水的混合物光散射介质，激光激发布里渊散射信号2，经计算机计算出误差棒，并建立出水以及石油和水混合物的特征数据库；在相同的常温下，以待测水样作为散射介质，同样进行激光发射经计算机对该散射信号分析处理后，得到样品的特征参数，再将样品的特征参数与先前建立的特征数据作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染；继而得出实验结果。本发明的优点是：对生活中的水体进行快速、精准地辨别，从而保障人们周围水体环境的健康和谐。

Description

一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的 装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种无损检测法，具体为一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置及其方法。
背景技术
我国是一个人口大国，拥有如此庞大人口基数的中国，对石油及其衍生产品的依赖和消费自然而然也就不容忽视，因此由巨大的石油消耗以及对废弃石油不合理的处理方式会对我们身边环境造成重大影响，主要一方面就体现在人们身边的一些水系中。随着我国经济文化的发展，国内汽车及的数量也与日俱增，从而对石油消费数量的也急剧增多，这就不可避免的会导致一些石油污染。甚至，这些污染物会对我们身边的环境尤其是水资源造成重大危害，从而会影响人们的日常生活，而且还会对一些动植物造成重大灾难，甚至是致命威胁。另外在石油开发、运输及使用的过程中，也会不可避免的产生石油污染。因此具备高精度的石油污染检测技术将会对环境保护产生积极影响，而且会在进一步的在石油开发过程中带来巨大的经济效益。因此通过石油污染的检测，可以很好的防止石油污染对城市经济、环境带来的重大损失，与此同时还保护了周围生物的生存和繁衍，节约用于保护生物的巨额资金。根据我国的未来发展情况，石油资源仍是不可替代的重要能源。石油资源的开发和应用也将会是未来我国能源和物资来源的重要支柱，同时为防止石油污染的检测技术也将会得到巨大的发展，目的在于获得巨大石油资源的同时，还要实现对城市环境，从而实现经济的最大化，因此对整个民族和国家的经济发展具有非常重要的经济效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有水体石油污染物检测技术存在的局限性，提供一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置及其方法，对生活中的水体进行快速、精准地辨别，从而保障人们周围水体环境的健康和谐。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。
一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置，主要包括激光发射器、偏振片、1/4波片、凹透镜、凸透镜、载物台、恒温水箱、比色皿、恒温控制器、反射镜、柱透镜、F-P标准具、柱透镜、ICCD信号采集系统和计算机；其特征在于：计算机分别连接激光发射器、ICCD信号采集系统以及恒温控制系统，恒温控制系统包括恒温水箱和恒温控制器，恒温水箱内安装有载物台；所述激光发射器和偏振片连接，偏振片和1/4波片连接，1/4波片凹透镜连接，凹透镜和凸透镜连接，凸透镜聚焦到比色皿，待测水样放于比色皿中，比色皿放置在载物台上；所述偏振片对应一侧设有反射镜，反射镜连接第一柱透镜，第一柱透镜连接F-P标准具，F-P标准具连接第二柱透镜，第二柱透镜连接ICCD信号采集系统；所述恒温水箱连接恒温控制器。
本发明第一柱透镜竖直放置，第二柱透镜13水平放置，即第二柱透镜13与第一柱透镜11正交放置。
一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的方法，其特征在于检测步骤如下：
常温下，先以普通水样（样本数量为50个）作为光散射介质，激光打到这些普通水样中，并激发出布里渊散射信号1；再以梯度浓度石油和水的混合物光散射介质（样本数量各为50个），激光打到这些水和石油的混合物样品中，激发出布里渊散射信号2，ICCD信号采集系统分别将接收到的数据进行记录，经计算机对收集到的信号进行误差分析处理，计算出误差棒，然后将处理后的数据进行储存，并根据处理后的数据分别建立出水以及石油和水混合物的特征数据库；在相同的常温下，以待测水样作为散射介质，激光打到待测水样中，并激发出布里渊散射信号2；同样由ICCD信号采集系统对接收到的数据进行记录，然后经计算机对该散射信号分析处理后，得到样品的特征参数，再将样品的特征参数与先前建立的特征数据作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染；若检测出水样被石油所污染，则对水样进行拉曼光谱检测，拉曼激光器输出激光由光纤传导，射到待测水样中，并产生拉曼散射信号，由计算机采集这些信号并加以分析处理，从而确定出石油中的哪些物质对水体造成了污染，继而得出实验结果。通过以上实验获取相关溶液的特征参数，然后将获得的实验数据按照不同水域条件下获得的布里渊散射特性参数建立一个特征对比数据库，并对可能被石油污染的水样进行取样检测，以获得不同水域的实际布里渊散射信号的特征参数。最后通过将待测水样的特征参数与之前建立的特征数据库进行对比，来实现对相关水域进行实时、精确的污染检测，从而达到能够快速检测和及时处理污染物的目的。
所述梯度浓度石油和水的混合物是指水和石油在不同比例下进行混合的混合物。
所述普通水样以及梯度浓度石油和水的混合物的布里渊散射信号的频移在进行所述数据存储时，用恒温控制装置使二者的温度相同，改变温度值从而得到各温度下的布里渊散射信号。
所述待测水样测得布里渊散射信号2之后，由ICCD信号采集系统接收到的数据进行记录，然后经计算机对该散射信号分析处理后，得到样品的特征参数，再将样品的特征参数与先前建立的特征数据作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染
若检测出水样被石油所污染，则对水样进行拉曼光谱检测，通过计算机分析处理拉曼散射信号，从而确定出石油中哪些物质对水体造成了污染，继而得出实验结果。
本发明的优点在于，对待测水样进行检测时，无需对待测水样进行预处理，激光射到待测水样中便立刻产生散射信号，反应迅速且时效性极强，可达到对人们身边的水体环境进行快速检测的目的。
附图说明
图1为本发明对水体石油污染物进行快速检测的布里渊检测装置示意图；
图2为本发明对水体石油污染物进行快速检测的拉曼检测装置示意图；
图3为本发明对水体石油污染物进行快速检测的方法流程图；
图1所示，1、激光发射器，2、偏振片，3、1/4波片，4、凹透镜，5、凸透镜，6、载物台，7、恒温水箱，8、比色皿，9、恒温控制器，10、反射镜，11、柱透镜，12、F-P标准具，13、柱透镜，14、ICCD信号采集系统，15、计算机。另外柱透镜11竖直放置，柱透镜13水平放置，即柱透镜13与柱透镜11正交放置。
图2所示，16、计算机，17、拉曼激光器，18、光纤，19、激光输入，20、待测物，21、散射信号。
图3所示，201、普通水样，202、水和石油的混合物（梯度浓度混合），203、布里渊散射信1，204、分析处理，205、数据存储，206、构建特征数据库，207、待测水样，208、布里渊散射信号2，209、处理分析，210、特征参数，211、对比分析，212、无污染，213、有污染，214、拉曼光谱检测，215、具体石油污染物。
具体实施方式
下面将对本实施例进行详细说明，其示例在附图中已经示出，通过参考附图，在下文中对实施例进行描述以解释本发明。
一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的方法，其特征在于，布里渊检测装置包括：计算机分别连接激光发射器、ICCD信号采集系统以及恒温控制系统。具体包括激光发射器１、偏振片２、1/4波片３、基于凹透镜４和凸透镜５组成的聚焦系统、载物台６、恒温水箱７、比色皿８、基于柱透镜11（还有柱透镜13）和F-P标准具12的聚焦系统、ICCD信号采集系统14、计算机15。此外，恒温控制系统包括恒温水箱7和恒温控制器9，恒温水箱7内安装有载物台6，待测水样207放于比色皿8中，比色皿8放于载物台6上。拉曼检测装置包括：计算机16，拉曼激光器17，光纤18，激光输入19，待测物20，散射信号21。其中拉曼激光器发射的激光由光纤18传导，散射信号18由计算机16进行分析处理。
检测步骤如下：
常温下，先以普通水样201（样本数量为50个）作为光散射介质，激光打到这些普通水样201中，并激发出布里渊散射信号１203；再以梯度浓度石油和水的混合物202光散射介质（样本数量各为50个），激光打到这些水和石油的混合物202样品中，激发出布里渊散射信号１203，ICCD信号采集系统14分别将接收到的数据进行记录，经计算机15对收集到的信号进行误差分析处理204，计算出误差棒，然后将处理后的数据进行储存205，并根据处理后的数据分别建立出水以及石油和水混合物的特征数据库206；在相同的常温下，以待测水样207作为散射介质，激光打到待测水样207中，并激发出布里渊散射信号２208；同样由ICCD信号采集系统14对接收到的数据进行记录，然后经计算机15对该散射信号分析处理209后，得到待测水样207的特征参数210，再将待测水样207的特征参数210与先前建立的特征数据206作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染；若检测出水样被石油所污染，则对水样进行拉曼光谱检测214，拉曼激光器17输出激光由光纤18传导，射到待测水样207中，并产生拉曼散射信号21，由计算机16采集这些信号并加以分析处理，从而确定出待测水样中具体的石油污染物215，继而得出实验结果。通过以上实验获取相关溶液的特征参数，然后将获得的实验数据按照不同水域条件下获得的布里渊散射特性参数建立一个特征对比数据库，并对可能被石油污染的水样进行取样检测，以获得不同水域的实际布里渊散射信号的特征参数。最后通过将待测水样的特征参数与之前建立的特征数据库进行对比，来实现对相关水域进行实时、精确的污染检测，从而达到能够快速检测和及时处理污染物的目的。
所述水和石油的混合物202与所述普通水样201的布里渊散射信号的频移在进行所述数据存储205时，用恒温控制器9调控水和石油的混合物202与普通水样201的温度，在不同温度下得到各温度下布里渊散射信号１203。
所述待测水样207的布里渊散射信号２208测量之后，通过比对同温度下所述水和石油的混合物202与所述普通水样201所激发的布里渊散射信号１203，即可辨别待测水样是否被石油所污染，得出辨别结果有污染213或无污染212。若检测出有污染，则对待测水样进行拉曼光谱检测214，继而得出具体石油污染物215。
在分析布里渊散射信号的数据时，可通过分析布里渊散射信号的频移量或线宽量检测水样。
实施例：本发明的实施方式如下，本发明的装置如图1所示，由一台计算机15通过线路（图1中用虚线表示）控制激光发射器1、ICCD信号采集系统14以及恒温控制器9，通过计算机来控制器恒温控制器的温度。激光器1射出光束（水平偏振光）并依次透过偏振片2、1/4波片（变为圆偏振光）3、基于凹透镜4和凸透镜5组成的聚焦系统，然后射到待测水样8中，产生后向布里渊散射信号，该散射信号按原光路返回，依次经过基于凹透镜4和凸透镜5组成的聚焦系统、1/4波片３、偏振片２、反射镜10、 柱透镜11、F-P标准具12、柱透镜13、经ICCD信号采集系统14对其进行数据采集，由计算机15对返回的信号进行分析；若检测出待测水样被石油所污染，则对待测水样进行拉曼光谱检测，拉曼激光器17输出激光由光纤18传导，输入激光19射到待测水样20中，并产生拉曼散射信号21，由计算机16采集这些信号并加以分析处理，从而确定出水体中具体的石油污染物。
本发明工作原理：由计算机15控制的激光器1发出水平偏振光（在图中已给出光路，由实线表示），水平偏振光经过1/4波片变为椭圆偏振光，并透过由凹透镜４和凸透镜６组成的聚焦系统的，激光入射到待测水样８中，并激发出后向布里渊散射信号,该散射信号按原光路返回，依次经过基于凹透镜４和凸透镜５组成的聚焦系统、1/4波片３、偏振片２、反射镜10、柱透镜11、F-P标准具12、柱透镜13、经ICCD信号采集系统14对其进行数据采集，由计算机15对返回的信号进行分析处理；若检测出待测水样被石油所污染，则对待测水样进行拉曼光谱检测，拉曼激光器17输出激光由光纤18传导，输入激光19射到待测水样20中，并产生拉曼散射信号21，由计算机16采集这些信号并加以分析处理，从而确定出水体中具体的石油污染物。
本发明的操作过程：
打开计算机15及恒温控制器９，通过计算机15设定恒温温度，在该温度下，先以普通水样201（样本数量为50个）作为光散射介质，激光打到这些普通水样中，并激发出布里渊散射信号１203；再以梯度浓度石油和水的混合物202作为光散射介质（样本数量各为50个），激光打到这些水和石油的混合物样品202中，激发出布里渊散射信号２208，ICCD信号采集系统14分别将接收到的数据进行记录，经计算机15对收集到的信号进行误差分析处理，计算出误差棒，然后将处理后的数据进行储存205，并根据处理后的数据分别建立出水以及石油和水混合物的特征数据库206；在相同的常温下，以待测水样207作为散射介质，激光打到待测水样207中，并激发出布里渊散射信号２208；同样由ICCD信号采集系统14对接收到的数据进行记录，然后经计算机15对该散射信号分析处理209后，得到样品的特征参数210，再将样品的特征参数210与先前建立的特征数据206作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染；若检测出待测水样207有污染，则对待测水样207进行拉曼光谱检测214，拉曼激光器17输出激光由光纤18传导，输入激光19射到待测水样20中，并产生拉曼散射信号21，由计算机16采集这些信号并加以分析处理，从而确定出水体中具体的石油污染物215，继而得出实验结果。通过以上实验获取相关溶液的特征参数，最后将获得的实验数据按照不同水域条件下获得的布里渊散射特性参数建立一个特征对比数据库，并对可能被石油污染的水样进行取样检测，以获得不同水域水样的实际布里渊散射信号的特征参数。最后通过将待测水样的特征参数与之前建立的特征数据库进行对比，来实现对相关水域进行实时、精确的污染检测，从而达到能够快速检测和及时处理污染物的目的。

Claims (6)

1.一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置，主要包括激光发射器、偏振片、1/4波片、凹透镜、凸透镜、载物台、恒温水箱、比色皿、恒温控制器、反射镜、柱透镜、F-P标准具、柱透镜、ICCD信号采集系统和计算机；其特征在于：计算机分别连接激光发射器、ICCD信号采集系统以及恒温控制系统，恒温控制系统包括恒温水箱和恒温控制器，恒温水箱内安装有载物台；所述激光发射器和偏振片连接，偏振片和1/4波片连接，1/4波片凹透镜连接，凹透镜和凸透镜连接，凸透镜聚焦到比色皿，待测水样放于比色皿中，比色皿放置在载物台上；所述偏振片对应一侧设有反射镜，反射镜连接第一柱透镜，第一柱透镜连接F-P标准具，F-P标准具连接第二柱透镜，第二柱透镜连接ICCD信号采集系统；所述恒温水箱连接恒温控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的装置，其特征在于：第一柱透镜竖直放置，第二柱透镜水平放置，即第二柱透镜与第一柱透镜正交放置。
3.一种根据权利要求1所述的基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的方法，其特征在于检测步骤如下：
（1）常温下，先以普通水样，样本数量为50个，作为光散射介质，激光打到这些普通水样中，并激发出布里渊散射信号1；
（2）再以梯度浓度石油和水的混合物光散射介质，样本数量各为50个,，激光打到这些水和石油的混合物样品中，激发出布里渊散射信号2，ICCD信号采集系统分别将接收到的数据进行记录，经计算机对收集到的信号进行误差分析处理，计算出误差棒，然后将处理后的数据进行储存，并根据处理后的数据分别建立出水以及石油和水混合物的特征数据库；
（3）在相同的常温下，以待测水样作为散射介质，激光打到待测水样中，并激发出布里渊散射信号2；
（4）同样由ICCD信号采集系统对接收到的数据进行记录，然后经计算机对该散射信号分析处理后，得到样品的特征参数，再将样品的特征参数与先前建立的特征数据作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染；
（5）若检测出水样被石油所污染，则对水样进行拉曼光谱检测，拉曼激光器输出激光由光纤传导，射到待测水样中，并产生拉曼散射信号，由计算机采集这些信号并加以分析处理，从而确定出石油中的哪些物质对水体造成了污染，继而得出实验结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的方法，其特征在于：所述梯度浓度石油和水的混合物是指水和石油在不同比例下进行混合的混合物。
5.根据权利要求3所述的一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的方法，其特征在于：所述普通水样以及梯度浓度石油和水的混合物的布里渊散射信号的频移在进行所述数据存储时，用恒温控制装置使二者的温度相同，改变温度值从而得到各温度下的布里渊散射信号。
6.根据权利要求3所述的一种基于布里渊-拉曼光谱对水体石油污染物进行快速检的方法，其特征在于：所述待测水样测得布里渊散射信号2之后，由ICCD信号采集系统接收到的数据进行记录，然后经计算机对该散射信号分析处理后，得到样品的特征参数，再将样品的特征参数与先前建立的特征数据作对比，即可辨别待测水样中是否被石油污染。
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