CN106442423A - 一种基于spr传感原理的接触式海上溢油监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统，包括：一字线半导体激光光源、等腰直角棱镜、镀金膜传感玻片、线阵CCD探测模块、基于无线通信的数据采集模块、两块蓄电池、软衬底太阳能电池板、传感玻片承载板、疏水亲油薄层、环境控制单元、封装结构主体、封装结构中间部分、封装结构底座、通信卫星和数据接收处理终端，由聚氨酯材料制作的封装结构中间部分使整个封装装置漂浮在海面上。海洋泄漏原油随海水通过封装底座表面上的小孔进入，经疏水亲油薄层附着到检测传感面，在该面发生SPR现象。基于无线通信的数据采集模块将CCD探测到的信号通过无线通讯的模式传输到终端进行处理分析，本发明可实现小型化实时在线监测功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统，通过表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance SPR)技术可实时在线地监测海上溢油事件发生，为相关部门提供早期、高效的预警。
背景技术
近些年，各类船舶及海上油气田溢油事件时有发生，带来的海洋石油污染影响深远，不但造成了巨大的经济损失，同时直接破坏了海洋生态环境。因此，应用有效的技术手段实现溢油早预警、早治理迫在眉睫。目前，传统的海上原油泄漏监测方法主要有机载、卫星遥感监测，船载雷达监测，合成孔径雷达卫星(SAR)监测以及紫外荧光监测等。雷达监测方法是运用雷达波的回波原理大面积扫描海面，可监测25平方公里以上的海域面积，但易受天气因素影响且监测精度有限；遥感、遥感与雷达技术结合的监测方法同样运用回波原理，对监测对象传回的信号进行波谱分析分辨是否溢油，因设备成本高，投资大，只适合政府、专业监测机构以及大型企业，不易大范围普及；紫外荧光监测方法是通过紫外光源照射海面，油类物质遇紫外光照射时会诱导产生荧光，且不同油类荧光光谱各不相同，纯水则不产生荧光，进而可分辨水面油膜，判定是否溢油，此类设备常用于港口、码头等海面监测，有较高的监测精度，但监测范围小，以上方法都属于非接触式监测方法。
郑妍等人(小型化实时在线海上溢油检测系统，专利号：CN104713851A)报道了一种小型化实时在线海上溢油检测系统。系统基于SPR传感原理，传感装置中光源选用了有一定发散角、中心波长为635±5nm的半导体激光模组，选择光源与线阵CCD探测模块同平面贴合四边六面体棱镜底面入射的方式。由于光源为点光源，光功率在入射面分布不均匀，且发散光在棱镜中经全反射到达线阵CCD探测处各角度光程不同，会造成光功率较弱的信号无法检测到，不能涵盖原油折射率检测范围，进而在进行溢油监测时会发生偏差，难以有效判定是否发生溢油。同时，棱镜选取的形状不易于夹持固定，系统也并未提出具体的封装结构。
发明内容
为了克服传统溢油监测中测量精度低，监测海域范围小，易受天气因素影响以及检测范围无法覆盖原油折射率等不足，本发明提供一种基于SPR传感原理的接触式小型化海上溢油监测系统，通过表面等离子传感技术(SPR)对海上溢油事件的发生进行早期、有效地预警。其中，应用了Kretschmann型等腰直角棱镜耦合结构作为SPR传感结构，提高了检测精度，精确检测可覆盖原油折射率范围；设计了新型的传感封装结构，易分布式组网，抗干扰能力强，监测海域范围宽，系统可实现小型化实时在线监测功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：①SPR棱镜传感装置中选用一字线半导体激光光源，等腰直角棱镜，不采用光源与线阵CCD探测模块同平面贴合在棱镜底面的放置方式。首先，将等腰直角棱镜固定，直角对应面水平向下，通过匹配液贴合放置镀金膜的传感玻片，玻片材质与棱镜材质相同，为重火石玻璃。其次，将一字线半导体激光光源固定在棱镜左侧面上方且位置可细微调整，但不与棱镜左侧面接触，光线以一定发散角入射左侧面，经棱镜底面即传感玻片放置面反射至棱镜右侧面。最后，将线阵CCD探测模块固定于棱镜右侧面上方用于接收棱镜右侧面折射出的光信号，同样位置可细微调整且不与右侧面接触，通过无线通信的方式将采集数据传输至数据处理终端。细微调整光源和线阵CCD探测模块位置使得光源各角度出射光线经棱镜至线阵CCD探测接收前光程相等，以空气或海水为检测背景。由于一字线半导体激光光源光功率分布均匀，光源各角度出射光经棱镜到达线阵CCD探测模块的光程相同，因此，显示在终端采集界面上各像元对应的检测背景光功率均匀且幅值相同，近似为一条平行直线。当传感玻片上有原油附着时，玻片上发生SPR现象，终端采集显示界面出现渐变式谐振吸收峰，通过一套完整的数据处理分析系统可判定溢油事件发生，进行高效地预警、定位。
②系统的传感装置封装结构分为三大部分：
封装结构的上层即主体部分，形状为圆锥体，外层贴合软衬底的太阳能电池板，将圆锥体内部分为两层，上层放置两块蓄电池，由太阳能电池板供电，一块备用，一块为传感装置供电，相互循环使用，始终保持系统供电正常。下层放置Kretschmann型棱镜SPR传感装置，传感装置包括了光源、棱镜、镀金膜传感玻片、线阵CCD探测模块、基于无线通信的数据采集模块和环境控制单元。环境控制单元则保障了传感装置不因外界环境温度、振动和杂散光等因素影响检测精度。主体底部做防水封装只露出棱镜底面，传感玻片位于可拆换承载板上，该板可与主体底部贴合安装，通过匹配液使得镀金膜传感玻片与棱镜传感面贴合，组成检测传感面。
封装结构的中间部分由制作海洋浮标用的聚氨酯材料环绕主体部分和底座贴合固定，保证整个封装结构可漂浮在海面上。
封装结构的下层即底座，形状为球冠，内放有超疏水亲油的多孔材料薄层，与主体部分相互配合封装，球冠表面为波纹状且分布均匀的小孔，以便于海水和原油从孔内流入，经疏水亲油薄层使原油附着到检测传感面，将线阵CCD的探测信号采集后通过无线通信方式传输至终端进行实时处理分析，进而可判断是否溢油，及时预警、定位。主体部分和底座材质均为有机塑料，耐海水腐蚀，冲涮和撞击。
与现有海上溢油监测装置相比，本发明具有如下优势：
(1)小型化新型封装结构，可实时在线监测，较传统的监测方式节约成本，便于分布式布放，可监测海域宽。
(2)基于SPR传感原理、接触式检测，灵敏度高，少量溢油便可检测到，覆盖原油折射率范围，可有效预警。
(3)该系统中SPR棱镜传感装置工作环境不易受外界环境温度、振动、杂散光等因素影响，提高了测量精度和抗干扰能力。
附图说明
图1是基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统示意图
图2是基于角度调制的Kretschmann型棱镜SPR传感装置结构图
图3是传感装置封装外观示意图
具体实施方式
一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统有一字线半导体激光光源(1)、等腰直角棱镜(2)、镀金膜传感玻片(3)、线阵CCD探测模块(4)、基于无线通信的数据采集模块(5)、两块蓄电池(6)、软衬底太阳能电池板(7)、传感玻片承载板(8)、疏水亲油薄层(9)、环境控制单元(10)、封装结构主体(11)、封装结构中间部分(12)、封装结构底座(13)、通信卫星(14)、数据接收处理终端(15)组成。
一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统，其整体结构如图1所示。封装主体表面贴合了软衬底太阳能电池板,为位于封装主体上层的两块蓄电池供电，其中一块备用，一块为传感装置供电，循环使用，始终保持系统供电正常。封装主体下层为Kretschmann型棱镜SPR传感装置，包括了光源、棱镜、镀金膜传感玻片、线阵CCD探测模块、基于无线通信的数据采集模块和环境控制单元。基于表面等离子共振(SPR)原理计算仿真和ZEMAX光线追迹可确定传感装置中各部件的最佳参数，如：几何尺寸、相对位置、类型等，满足原油折射率检测范围，大致范围在1.4-1.55之间。传感装置的环境控制单元为传感检测提供了一个无光、恒温、减振的环境，其中固定了等腰直角棱镜，直角对应面水平向下，光源和线阵CCD探测模块分别位于棱镜左侧面、右侧面上方且不与棱镜接触。细微调整并固定光源和线阵CCD探测模块位置，使得光源各角度出射光线经棱镜至线阵CCD探测接收前光程相等。光源选用中心波长为635±5nm，有一定发散角的红外一字线半导体激光光源，光线以一定发散角入射等腰直角棱镜左侧面折入棱镜，经棱镜底面反射后从右侧面折出到达线阵CCD探测模块，通过无线通信的模式将采集数据传输至数据处理终端。光线传播在空气与棱镜左右侧面交界处遵循菲涅尔折射定律n1sinθ1＝n2sinθ2。主体底面进行了防水封装只露出棱镜底面，位于承载板上镀50nm金膜的传感玻片通过匹配液与棱镜底面贴合共同构成了传感检测面，棱镜与玻片材质相同，为重火石玻璃ZF13，折射率为1.78472。为了提高检测分辨率，选择型号为TCD1501的线阵CCD作为信号探测器，含5000像元点。以海水或空气作为溢油检测背景，由于一字线半导体激光光源光功率分布均匀，各角度出射光经棱镜到达线阵CCD探测模块的光程相同，因此，显示在终端采集界面上各像元对应的检测背景光功率均匀且幅值相同，近似一条平行直线。
将封装好的传感装置布放在海上钻井平台、运油船周边，或通过海洋浮标布放在溢油易发区，当海上溢油事件发生时，油层随海水通过封装底座表面的小孔进入，底座内的疏水亲油薄层吸收漂浮在海水表面的原油，使原油附着在传感检测面上。对于传感检测面，光线由光密介质(棱镜)照射到光疏介质(原油)，在全反射条件下，不直接反射至棱镜右侧面，而是以消逝波形式透入金属表层，其P偏振分量穿透导电金属层激发金属电子振荡产生表面等离子体波(surface plasmon wave,SPW),当入射光波矢在传感检测界面方向的投影kx和表面等离子体波固有波矢ksp满足kx＝ksp时，两者发生谐振，入射光大部分能量被表面等离子波吸收，此时，传感检测面上发生SPR现象，入射检测传感面的角度为SPR共振角。传感信号经线阵CCD探测模块接收，采集，通过无线通信的模式传输至数据处理终端。此时，终端采集界面上光功率分布水平线渐变为谐振吸收峰。不同折射率原油，对应的吸收峰值位置不同，通过合理的数据处理分析方法，系统可实时在线判定溢油发生，确定发生位置并发出预警信息，而系统中传感装置分布式的布放不但提高了监测范围，更提升了判定的准确性和精确度。
Claims (3)
1.一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统，包括一字线半导体激光光源(1)、等腰直角棱镜(2)、镀金膜传感玻片(3)、线阵CCD探测模块(4)、基于无线通信的数据采集模块(5)、两块蓄电池(6)、软衬底太阳能电池板(7)、传感玻片承载板(8)、疏水亲油薄层(9)、环境控制单元(10)、封装结构主体(11)、封装结构中间部分(12)、封装结构底座(13)、通信卫星(14)和数据接收处理终端(15)，位于传感封装主体表面的软衬底太阳能电池板通过主体上层的两块蓄电池给下层的SPR传感装置供电，传感装置中环境控制单元提供了无光、恒温、减振的工作环境。固定等腰直角棱镜，直角对应面水平向下，光线以一定发散角度从一字线半导体激光光源出射后折入等腰直角棱镜左侧面，经底面反射从右侧面折出到达线阵CCD探测模块，棱镜底面通过匹配液与承载板上的镀金膜传感玻片贴合构成传感检测面。由聚氨酯材料制作的封装结构中间部分使整个封装装置漂浮在海面上。海洋泄漏的原油随海水通过封装底座表面上的小孔进入，经疏水亲油薄层附着到检测传感面，在该面发生SPR现象。基于无线通信的数据采集模块将CCD探测到的信号通过无线通讯的模式传输到终端进行处理分析，进行实时在线监测，为溢油发生提供预警、定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统，其特征在于：由一字线半导体激光光源(1)、等腰直角棱镜(2)、镀金膜传感玻片(3)、线阵CCD探测模块(4)、基于无线通信的数据采集模块(5)和环境控制单元(10)共同组成了SPR传感装置，其中，光源选择功率小于5mW、中心波长635±5nm的一字线半导体激光光源；金膜厚度50nm；线阵CCD为5000像元点的TCD1501；传感玻片和等腰直角棱镜材质相同，为重火石玻璃ZF13，折射率为1.78472；各部件其它参数可根据SPR基本原理计算仿真和ZEMAX仿真得到，使得检测精度涵盖海上原油折射率范围。
3.根据权利要求1所述的一种基于SPR传感原理的接触式海上溢油监测系统，其特征在于：由封装结构主体(11)、封装结构中间部分(12)和封装结构底座(13)共同组成了传感装置的小型化封装结构，其中，主体为圆锥体，材质为有机塑料，做防水封装，表面贴合了软衬底太阳能电池板；中间部分为整个封装传感装置提供浮力，环绕主体和底座贴合，使整个装置漂浮在海面，材质为聚氨酯；底座外形为球冠，表面为波纹状，均匀分布小孔，海上原油随海水由小孔流入，经疏水亲油层到达传感检测面进行检测，材质为有机塑料。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gao Lu Inventor after: Gao Wenzhi Inventor after: Zhang Jin Inventor after: Cui Hongliang Inventor after: Li Ya Inventor after: Mo Daiyi Inventor after: Wu Chongjian Inventor before: Gao Lu Inventor before: Gao Wenzhi Inventor before: Cui Hongliang Inventor before: Li Ya Inventor before: Mo Daiyi Inventor before: Wu Chongjian |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170222 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |