CN209525266U

CN209525266U - 一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置

Info

Publication number: CN209525266U
Application number: CN201920252374.0U
Authority: CN
Inventors: 冯巍巍; 王焕卿
Original assignee: Yantai Institute of Coastal Zone Research of CAS
Current assignee: Yantai Institute of Coastal Zone Research of CAS
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-10-22
Anticipated expiration: 2029-02-28

Abstract

本实用新型涉及一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，装置中控制器输出控制信号至光源模块，光源模块输出的光源照射到采集模块中的样品池中；信号采集模块采集被测样品激发的光传送至数据转换模块，数据转换模块与控制器进行双向连接；光源模块中第一激光二极管和第一准直透镜的几何中心在一条直线上；第二激光二极管和第二准直透镜的几何中心在一条直线上；由第一激光二极管到第一准直透镜的射线与由第二激光二极管到第二准直透镜的射线同向平行；第一准直透镜与第二准直透镜与样品池相邻。本实用新型鉴定速度快、不会产生其它污染；采用双通道光源结构，能够产生稳定、充足的光源，各通道之间信号传输隔离、独立，具有极高的测量准确性。

Description

一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置

技术领域

本实用新型涉及一种石油烃类污染物鉴定技术，具体为一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置。

背景技术

进入21世纪以来，伴随着国民经济的高速发展，我国的江河、湖泊以及海洋环境水体水质也遭受到了严重破环，损害生物资源，危害人类健康，妨碍捕鱼和人类的活动。这种情况在经济较为发达的海岸带地区尤为严重。因此，对各类水域(江、河、湖、近海海洋)水中石油烃类污染物有效监测和管理，尤其是发展实时动态监测技术具有重大社会意义和经济价值。

在现有的石油烃类污染物检测技术中，比较常用的是化学法。但是化学法需要在石油烃类污染物中添加化学试剂，待反应结束后再测量。这就使得化学法测量具有测量时间长、容易产生二次污染、抗干扰能力差等缺点。

实用新型内容

针对现有技术中采用化学法测量石油烃类污染物具有测量时间长、容易产生二次污染、抗干扰能力差等不足，本实用新型要解决的问题是提供一种受外界干扰小，无需化学试剂，测量准确、快速的相位解调式石油烃类污染物鉴定装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，包括控制器、光源模块、信号采集模块以及数据转换模块，其中控制器输出控制信号至光源模块，光源模块输出的光源照射到采集模块中的样品池中；信号采集模块采集被测样品激发的光传送至数据转换模块，数据转换模块与控制器进行双向连接。

所述光源模块包括第一激光二极管驱动器、第二激光二极管驱动器、第一激光二极管、第二激光二极管、第一准直透镜以及第二准直透镜，其中第一激光二极管和第一准直透镜的几何中心在一条直线上；第二激光二极管和第二准直透镜的几何中心在一条直线上；由第一激光二极管3到第一准直透镜的射线与由第二激光二极管到第二准直透镜的射线同向平行；第一准直透镜与第二准直透镜与样品池相邻。

第一激光二极管、第二激光二极管的波长为365nm。

信号采集模块分设于样品池上方及下方，包括第一光电探测器、第一滤光片、第二滤光片以及第二光电探测器，其中第一滤光片设于样品池上方，第一滤光片上方设有第一光电探测器，样品池、第一滤光片以及第一光电探测器三者的几何中心在一条直线上；第二滤光片设于样品池下方，第二滤光片下方设有第二光电探测器，样品池、第二滤光片以及第二光电探测器三者的几何中心在一条直线上。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型采用光学测量法对石油烃类污染物进行鉴定，鉴定速度快、不会产生其它污染。

2.本实用新型采用双通道光源结构，控制器分别控制两路激光二极管驱动器和激光二极管，能够产生稳定、充足的光源，是装置能够稳定运行、准确测量的前提，各通道之间信号传输隔离、独立，具有极高的测量准确性。

3.本实用新型利用离散傅里叶变换方法对信号进行处理，具有极高的探测信噪比。

4.本实用新型采用激光诱导荧光测量技术，避免了实验室分析带来的繁琐，几乎不用维护，且不易受到外界干扰，使用方便。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图；

图2为本实用新型装置的工作流程示意图；

图3为本实用新型石油烃类污染物鉴定装置采用的数据分析过程图。

1为第一AD模块，2为第一准直透镜，3为第一激光二极管，4为第一激光二极管驱动器，5为控制器，6为第二激光二极管驱动器，7为第二激光二极管，8为第二准直透镜，9为第二AD模块，10为第二光电探测器，11为第一滤光片，12为样品池，13为第二滤光片，14为第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步阐述。

如图1所示，本实用新型一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，包括控制器、光源模块、信号采集模块以及数据转换模块，其中控制器输出控制信号至光源模块，光源模块输出的光源照射到采集模块中的样品池中；信号采集模块采集被测样品激发的光传送至数据转换模块，数据转换模块与控制器进行双向连接。

光源模块包括第一激光二极管驱动器4、第二激光二极管驱动器6、第一激光二极管3、第二激光二极管7、第一准直透镜2以及第二准直透镜8，其中第一激光二极管3和第一准直透镜2的几何中心在一条直线上；第二激光二极管7和第二准直透镜8的几何中心在一条直线上；由第一激光二极管3到第一准直透镜2的射线与由第二激光二极管7到第二准直透镜8的射线同向平行；第一准直透镜2与第二准直透镜8与样品池12相邻。上述结构形成双通道光源结构。

信号采集模块分设于样品池12上方及下方，包括第一光电探测器10、第一滤光片11、第二滤光片13以及第二光电探测器14，其中第一滤光片11设于样品池12上方，第一滤光片11上方设有第一光电探测器10，样品池10、第一滤光片11以及第一光电探测器10三者的几何中心在一条直线上；第二滤光片13设于样品池12下方，第二滤光片13下方设有第二光电探测器14，样品池12、第二滤光片13以及第二光电探测器14三者的几何中心在一条直线上。

当激光二极管A发光时，AD模块A开启采集模式，激光二极管B不发光，AD模块B不采集。当激光二极管B发光时，AD模块B开启采集模式，激光二极管A不发光，AD模块A不采集。因此激发通道和参考通道采用分路同步检测结构，形成双通道检测结构。

控制器5包括单片机、外围电路、稳压供电系统、IO接口、RS485通信接口、数据存储芯片以及数据处理芯片，采用modbus协议与电脑端上位机系统通信，电脑上位机可以设置仪器的采样时间、频率等。

数据转换模块包括第一AD模块1和第二AD模块9。第一AD模块1和第二AD模块9AD模块将光电探测器输出的模拟信号转换为数字信号后传输至控制器内部的数据处理芯片。

本实用新型控制器5内数据处理芯片为单片机，第一光电探测器10和第二光电探测器14把荧光信号转化为模拟电信号，再通过第一AD模块1和第二AD模块9转化为数字电信号传输至单片机，单片机对这些信号进行分析、计算等操作。

本实施例中，激光二极管A、激光二极管B采用波长为365nm的激光二极管。

样品池内装有被测的石油烃类污染物，激光进入样品池后，会激发石油烃类污染物产生荧光，激发的荧光会被光电探测器接收到。

本实用新型相位解调式石油烃类污染物鉴定装置采用的鉴定方法，基于荧光寿命检测原理，利用不同石油烃类污染物时间响应特性采用双通道光源、双通道检测进行油品种类鉴定，包括以下步骤：

控制器分别控制光源模块中的两路激光二极管，分别产生时序不同、频率相同的激光，其中一路作为激发光源，另一路作为参考光源，通过信号采集模块中的两路光电探测器分别检测激发光源和参考光源激发的荧光信号；

将信号采集模块采集到的检测激发光源和参考光源激发的荧光信号传输至控制器，由控制器中的内部的数据处理芯片进行数据处理。

控制器中的内部的数据处理芯片进行数据处理包括

对荧光信号数据进行去除噪声、数据平滑操作；

进行离散傅里叶变换，分别求出第一AD模块1和第二AD模块9采集到数据的相位角求差得到相位差

根据得到荧光猝灭时间与成正比，通过判断出石油烃类污染物的成分，代表不同的石油烃类样品，τ为激发光源激发石油烃类污染物的猝灭时间。

如图2所示，本实用新型装置开始工作时，其控制器内程序完成初始化，使仪器各个部件进入工作状态；然后控制器分别控制第一激光二极管驱动器4和第二激光二极管驱动器6，使得第二激光二极管3和第二激光二极管7发出时序不同、频率相同的激光；时序不同、频率相同的激光交替进入样品池，照射到样品池内的石油烃类污染物，激光的光子会激发样品池内的石油烃类污染物产生多种不同寿命的荧光。

控制器控制第一激光二极管3发光和第一AD模块1采集同步进行、第二激光二极管7发光和第二AD模块9采集同步进行。当第一激光二极管3发光时，第一AD模块1开启采集模式，第二激光二极管7不发光，第二AD模块9不采集。当第二激光二极管7发光时，第二AD模块9开启采集模式，第一激光二极管3不发光，第一AD模块1不采集。第一AD模块1和第二AD模块9采集过程交替进行直到控制器判断数据采集成功后结束采集。

结束数据采集后在控制器内部进行数据处理，首先进行去除噪声、数据平滑等操作，然后进行离散傅里叶变换，分别求出AD模块A和AD模块B采集到数据的相位角之间即为所求相位差由即可判断出石油烃类污染物的成分。石油烃类污染物成分会在控制器上的液晶显示屏显示。

激发光源经方波调制输出与参考光信号时序不同、频率相同的光。激发光源激发出的荧光被光电探测器探测到，经光电转换、AD转换输入至控制器，控制器内的数据处理芯片根据通过离散傅里叶变换或快速傅里叶变换获取信号相位其中τ_j为激发光源激发石油烃类污染物的猝灭时间，j代表测量光路。

同理，参考光源激发出的荧光也被光电探测器探测到，经光电转换、AD转换输入至控制器，控制器内的数据处理芯片根据通过离散傅里叶变换或快速傅里叶变换获取激发光源相位其中τ_i为激发光源激发石油烃类污染物的猝灭时间，i代表参考光路。

计算相位差荧光猝灭时间与成正比。不同，荧光猝灭时间不同，即代表不同的石油烃类样品。

本实用新型采用的鉴定方法来自于荧光寿命理论：

石油烃类污染物寿命的计算是根据Stern-Volmer方程来计算

其中I₀、I分别为无石油烃类污染物和石油烃类污染物环境下的荧光强度，[Q]为石油烃类污染物浓度，K为Stern-Volmer常数，对于特定的荧光剂，其值是定值。τ₀为无石油烃类情况下的荧光寿命。

本实用新型的工作原理是：

石油烃类污染物受到光激发后，通过采集不同时刻下样品的发射光谱，可以得到时间分辨光谱。基于时间分辨光谱的识别机理是利用目标物荧光寿命特性实现其分析、鉴别。分子体系内若存在能量传递时，其发射的荧光光谱会随时间不同产生变化，利用时间分辨光谱手段可以有效获得这些信息。在溢油污染物检测这一实际需求中，各组分的多环芳经由于其荧光寿命不同，可以通过时间分辨荧光光谱进行区分，这一手段还可有效避免溶剂的拉曼散射、杂散光、短寿命组分荧光的干扰。

如图3所示，本实用新型通过检测激光激发石油烃类污染物产生的荧光的寿命来判断石油烃类污染物的组成成分。

控制器5控制第一激光二极管3和第二激光二极管7分别发出时序不同、频率相同的激光，石油烃类污染物被激发出的荧光分别被第一光电探测器10和第二光电探测器14接收到，经过滤波、去干扰、AD转换等环节把荧光信号的特征用数字信号予以描述，这些数字信号作为数据由控制器5中的数据处理芯片进行处理。

数据处理芯片首先对数据进行预处理操作，预处理是采用平滑、平均等手段去除干扰信号。预处理后的数据会在数据处理芯片中建立数学模型，针对此模型进行计算、分析，得到

数学模型的数据分析处理算法主要有离散傅里叶变换、偏最小二乘法、遗传算法等。在数据处理时，先通过偏最小二乘法、遗传算法求得多组测量值的最优解。再通过离散傅里叶变换求得最后根据所求的得到石油烃类污染物成分，同时将得到的石油烃类污染物成分在控制器5上的液晶显示屏显示。

本实施例分别测试了0#柴油、97#汽油、93#汽油、90#汽油四种油品的值，四种油品的值依次为1.68、0.95、1.29、1.175，如表1所示。

所测结果验证了以上方法，证明了本实用新型装置可行性。

本实用新型鉴定装置通过双通道光源、双通道检测方法，利用离散傅里叶变换算法对测量数据进行计算、处理，能够稳定、准确、快速的对石油烃类污染物进行鉴定。

Claims

1.一种相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，其特征在于：包括控制器、光源模块、信号采集模块以及数据转换模块，其中控制器输出控制信号至光源模块，光源模块输出的光源照射到采集模块中的样品池中；信号采集模块采集被测样品激发的光传送至数据转换模块，数据转换模块与控制器进行双向连接。

2.根据权利要求1所述的相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，其特征在于：所述光源模块包括第一激光二极管驱动器、第二激光二极管驱动器、第一激光二极管、第二激光二极管、第一准直透镜以及第二准直透镜，其中第一激光二极管和第一准直透镜的几何中心在一条直线上；第二激光二极管和第二准直透镜的几何中心在一条直线上；由第一激光二极管到第一准直透镜的射线与由第二激光二极管到第二准直透镜的射线同向平行；第一准直透镜与第二准直透镜与样品池相邻。

3.根据权利要求2所述的相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，其特征在于：第一激光二极管、第二激光二极管的波长为365nm。

4.根据权利要求2所述的相位解调式石油烃类污染物鉴定装置，其特征在于：信号采集模块分设于样品池上方及下方，包括第一光电探测器、第一滤光片、第二滤光片以及第二光电探测器，其中第一滤光片设于样品池上方，第一滤光片上方设有第一光电探测器，样品池、第一滤光片以及第一光电探测器三者的几何中心在一条直线上；第二滤光片设于样品池下方，第二滤光片下方设有第二光电探测器，样品池、第二滤光片以及第二光电探测器三者的几何中心在一条直线上。