小型化實時在線海上溢油檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種角度調(diào)制型的小型化表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技術(shù)的實時在線海上溢油的檢測系統(tǒng),涉及到海上溢油檢測領(lǐng)域中對會產(chǎn) 生小面積溢油區(qū)域,如海底油井溢油、海底油氣藏的微泄露以及輸油管道泄漏等有著高效 的檢測精度,為判斷泄漏地點提供了重要信息。 技術(shù)背景
[0002] 我國海上石油工業(yè)的發(fā)展和對原油需求的持續(xù)增長,促使著海上石油運輸?shù)陌l(fā)展 和海上鉆井平臺、輸油管道運輸網(wǎng)的建設(shè)。但是由于技術(shù)、自然災(zāi)害等原因造成的石油污染 也相當(dāng)嚴(yán)重。因此,海上溢油問題的預(yù)防、應(yīng)急處置成為大家日益關(guān)注的焦點,我國雖然在 不斷完善應(yīng)急體系和技術(shù),但同時也存在著風(fēng)險因素。
[0003] 2011年6月4日,我國最大的海上油氣田一蓬萊19-3油田發(fā)生了泄油事故,事發(fā) 近兩個月導(dǎo)致5500平方公里海域水質(zhì)被污染,870平方公里海水從一類水質(zhì)下降到了劣四 類,近3個月后康菲宣布油田全部停產(chǎn)。到2011年12月止,海洋污染面積達(dá)到6200公里,這 也是近年來中國內(nèi)地第一起大規(guī)模海底油井溢油事件。同時,責(zé)任方出資10億元人民幣, 用來賠償和補(bǔ)償養(yǎng)殖生物遭受的損失以及渤海天然漁業(yè)資源受到的損害,出資1億元進(jìn)行 漁業(yè)資源的修復(fù)和環(huán)境測評、科研等方面工作。盡管如此,徹底清除海上油污往往需要幾年 甚至十幾年的時間,花費的人力、精力和財力都無法估量。據(jù)報道,近50年來因油污染已有 1000多種海生生物滅絕,海洋生物已減少了 40%。另外,石油揮發(fā)的有機(jī)蒸汽擴(kuò)散到大氣 中同樣污染環(huán)境。引發(fā)光化學(xué)煙霧,刺激人類視覺,損害環(huán)境中的有機(jī)物,引起植物壞死等。 若能在漏油早期及時發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象,則可采取有效措施避免如此巨大的災(zāi)難發(fā)生。但目前 海上早期漏油檢測非常困難,缺乏有效的檢測方法與設(shè)備。
[0004] 表面等離子體共振傳感技術(shù)因其對外界介質(zhì)折射率的微小變化極其敏感、可實現(xiàn) 實時過程檢測、無需標(biāo)記、耗樣最少等特點而廣泛應(yīng)用于物質(zhì)濃度、含量、溫度以及能夠引 起折射率變化的相關(guān)參數(shù)等物理量的測量與檢測,在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境污染、食品安全以及石 油化工等方面應(yīng)用前景廣闊。這些特點使其具備了海上早期小面積溢油檢測的條件,但采 用SPR傳感報警海上溢油的技術(shù)和設(shè)備,目前我國還是空白,這是由于目前SPR體積大,不 適于海上溢油檢測,國內(nèi)小型化SPR儀尚不成熟,且沒有針對小面積、高精度的溢油檢測儀 器裝置,如國內(nèi)研制的海洋浮標(biāo)檢測裝置,只適用于溢油跟蹤,不具備溢油檢測的功能。與 此同時,國內(nèi)所進(jìn)口的溢油報警裝置在其檢測范圍和檢測準(zhǔn)確度等方面受到一定的限制。 因此研制小型化SPR實時在線海上溢油檢測系統(tǒng),檢測小面積溢油達(dá)到提早預(yù)防、預(yù)警、應(yīng) 急處理,目前在國內(nèi)尚屬空白,具有很好的市場前景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本實用新型所述目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足,提供了一種基于角度調(diào)制 型的小型化表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技術(shù)的實時在線海上溢 油的檢測系統(tǒng)裝置;其溢油檢測系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。
[0006] 基于角度調(diào)制型小型化SPR技術(shù)的海上溢油實時在線的檢測系統(tǒng)的組件包括光 學(xué)模塊、傳感模塊、檢測模塊、再生模塊、供電模塊及控制模塊六個部分組成,系統(tǒng)框圖如圖 2所示;其中,所述的光學(xué)模塊采用具有較大發(fā)散角的半導(dǎo)體激光模組來滿足對角度范圍 需求的控制,傳感模塊采用高折射率重火石玻璃材料的棱鏡及相應(yīng)材料的制作的50nm厚 的金膜傳感玻片,其中棱鏡與傳感金膜玻片通過匹配液或匹配膠粘合,檢測模塊包括自檢 裝置和線陣 CCD探測器,其中自檢裝置通過對系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行自檢,判定該系統(tǒng)是否處 于正常工作狀態(tài);而線陣CCD檢測器采用具有靈敏度高、噪聲低以及動態(tài)范圍寬的內(nèi)置采 樣保持電路的無線傳輸模式線陣CCD器件及驅(qū)動,高效的采集有效的光斑。將其采集的數(shù) 據(jù)圖像傳輸給控制模塊中的數(shù)據(jù)采集部分計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理,判別是否有溢油出 現(xiàn),并確定溢油區(qū)域。在海上檢測時有供電模塊來提供系統(tǒng)保持正常工作狀態(tài)下所需的電 能,其中供電模塊采用海上漂浮行太陽能光伏電池裝置供電。
[0007] 本實用新型由紅光激光模組LD光源發(fā)出一束具有發(fā)散角的光,并且該光束的發(fā) 散范圍需覆蓋海上溢油在其折射率條件下所需光源的范圍,該光束穿透棱鏡照射到金膜的 傳感玻片表面,由于是具有一定發(fā)散角的寬光束入射,當(dāng)入射角大于臨界角使入射光發(fā)生 全反射,而當(dāng)入射角等于共振角的部分發(fā)生表面等離體激元共振,光強(qiáng)急劇減小產(chǎn)生衰減 式全內(nèi)反射,其中傳感棱鏡有一邊附有內(nèi)反射鏡面,光束通過該內(nèi)反射鏡面反射到探測器 線陣CCD上,線陣CCD將接受到的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成電信號,并通過控制模塊中的數(shù)據(jù)采集部 分在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理,最后分析處理得到表面等離子體共振光譜曲線,通過對 光譜曲線判定來判別檢測的結(jié)果是否有溢油出現(xiàn),并確定出溢油的區(qū)域。
[0008] 本實用新型基于角度調(diào)制的Kretschmann型結(jié)構(gòu),其主要的結(jié)構(gòu)特點有以下四個 方面:
[0009] (1)光源采用寬光束紅光LD,中心波長為635nm+/-5nm左右;
[0010] (2)傳感部分由棱鏡和金膜傳感玻片組成,對棱鏡結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了設(shè)計,利用 ZEMX仿真分析得出棱鏡的形狀為四邊形-六面體有利于小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計,大大減小了 裝置的體積;
[0011] 其中棱鏡的一邊鍍上反射率能達(dá)到90 %的內(nèi)反射面,這樣可以使得光源和檢測器 位于同一平面內(nèi);
[0012] 棱鏡的另一邊傳感面安置金膜傳感玻片,金膜的厚度為40-60nm。由于當(dāng)金屬薄膜 厚度的增加時,共振深度逐漸減小,其最小反射系數(shù)將增大,而當(dāng)膜厚度超過某一值時,共 振峰便會消失,故金屬薄膜的厚度對等離子共振深度有重要影。
[0013] 當(dāng)膜厚在某一數(shù)值時,反射光強(qiáng)度近似為零,共振深度達(dá)到最大,所以金屬薄膜厚 度為50nm左右時,可達(dá)到最佳狀態(tài)。
[0014] 金膜傳感玻片利用超聲波震蕩的方式清洗金膜表面污染物,有利于延長金膜的使 用壽命,保證檢測的重復(fù)性與可靠性。
[0015] (3)檢測部分利用自檢裝置判定工作狀態(tài),同時采用改制傳輸模式為無線傳輸模 式的線陣CCD探測器TCD1501,具有5000像素點的,且靈敏度高、檢測精度高,可高效的采集 數(shù)據(jù)圖像;
[0016] (4)控制部分是將線陣C⑶采集的數(shù)據(jù)圖像以無線傳輸?shù)哪J酵ㄟ^衛(wèi)星等方式, 傳輸給計算機(jī)數(shù)據(jù)采集部分,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理,分析判別是否有溢油出現(xiàn),并判斷其 溢油位置。
[0017] 本實用新型對比其他海上溢油檢測裝置的優(yōu)點在于以下幾個方面:
[0018] (1)實現(xiàn)了海上溢油檢測裝置的小型化設(shè)計,可實現(xiàn)高效、快速的對小面積不宜被 發(fā)現(xiàn)的溢油檢測,提高了檢測效率;
[0019] (2)彌補(bǔ)了衛(wèi)星、航空和航海溢油檢測的時空限制,可實現(xiàn)以分布式網(wǎng)絡(luò)的形式部 署到相應(yīng)海域的鉆井平臺、輸油管道等進(jìn)行示范應(yīng)用;
[0020] (3)可實現(xiàn)在監(jiān)測點較大區(qū)域范圍的全天候、實時在線、高效快速的溢油檢測,對 會產(chǎn)生小面積溢油區(qū)域,如海底油井溢油、海底油氣藏的微泄露等有著高效的檢測精度,為 判斷泄漏地點提供了重要信息;
[0021] (4)通過系統(tǒng)封裝定位,實現(xiàn)多傳感數(shù)據(jù)融合,對溢油位置、漂移速度、軌跡、方向 的實時跟蹤和信息顯示進(jìn)行監(jiān)測,利用衛(wèi)星、GPRS等無線傳輸形式實時傳輸在線監(jiān)測的數(shù) 據(jù)圖像傳輸回監(jiān)控中心工作站,對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析判定出溢油區(qū)域,使得應(yīng)急人員可及 時、準(zhǔn)確、實時地跟蹤處理溢油事故,從而達(dá)到減少重大經(jīng)濟(jì)損失的目的,同時可以減少溢 油事故對海洋生態(tài)環(huán)境和周邊海岸造成的嚴(yán)重危害。
【附圖說明】
[0022] 圖1小型化SPR海上溢油檢測系統(tǒng)裝置示意圖
[0023] 圖2小型化檢測系統(tǒng)框圖;
[0024] 圖3技術(shù)路線框圖;
[0025] 圖4 ZEMAX仿真光路圖
【具體實施方式】
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