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] 本發(fā)明涉及一種角度調(diào)制型的小型化表面等離子體共振（SurfacePlasmon 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)的有機蒸汽擴散到大氣 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)所進口的溢油報警裝置在其檢測范圍和檢測準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] 本發(fā)明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（SurfacePlasmonResonance,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)采集部分計算機進行數(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] 本發(fā)明由紅光激光模組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 計算機上進行數(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] 本發(fā)明基于角度調(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)重新進行了設(shè)計，利用 ZEMAX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，反射光強度近似為零，共振深度達到最大，所以金屬薄膜厚 度為50nm左右時，可達到最佳狀態(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， 傳輸給計算機數(shù)據(jù)采集部分，然后進行數(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] 本發(fā)明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)進行快速分析判定出溢油區(qū)域，使得應(yīng)急人員可及 時、準確、實時地跟蹤處理溢油事故，從而達到減少重大經(jīng)濟損失的目的，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4ZEMAX仿真光路圖
【具體實施方式】
[0026] 本發(fā)明是一種角度調(diào)制型的小型化表面等離子體共振技術(shù)的海上溢油實時在線 檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)尤其針對實現(xiàn)海上溢油檢測領(lǐng)域中會產(chǎn)生小面積溢油區(qū)域有著高效的檢 測精度，具有靈敏度高、成本低、體積小，封裝后便于將其拋灑在各個海域監(jiān)測點進行全天 候、實時在線、高效可靠的溢油檢測。
[0027] 小型化SPR海上溢油實時在線檢測系統(tǒng)由光學(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，該系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示；
[0028] 1.光學(xué)模塊包括半導(dǎo)體激光模組（LD) 1，并將其改制成具有較大發(fā)散角度的入射 角、中心波長定在紅光波段的盡量變化范圍較小的單一波長、功率不大于5mw。LD出的光從 棱鏡2底邊前段進入，入射到有金膜傳感玻片4的一邊上，為保證入射光能全部將金膜傳感 玻片4的原油5樣品檢測到，LD的發(fā)散角度計算公式為
[0029]
【主權(quán)項】
1. 一種小型化實時在線海上溢油檢測系統(tǒng)，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，其特征在于： 所述的光學(xué)模塊采用寬光束半導(dǎo)體激光模組LD;傳感模塊包括不規(guī)則的重火石玻璃 棱鏡和金膜傳感玻片；檢測模塊包括自檢裝置和無線傳輸模式的線陣CCD探測器；再生模 塊采用超聲波清洗裝置；供電模塊采用海上漂浮型太陽能光伏電池裝置；控制模塊采用與 線陣CCD探測器相匹配的數(shù)據(jù)采集部分； 所述的光源半導(dǎo)體激光模組LD發(fā)出一束覆蓋原油折射率范圍的寬光束，該光束由不 規(guī)則棱鏡底邊前端照射到金膜傳感玻片表面，光束入射角等于共振角的部分將發(fā)生表面等 離體激元共振，光強急劇減小產(chǎn)生衰減式全內(nèi)反射，其中棱鏡有一邊附有內(nèi)反射鏡面，光束 通過內(nèi)反射鏡面反射到無線傳輸探測器線陣CCD上采集數(shù)據(jù)圖像，再通過衛(wèi)星無線傳輸回 數(shù)據(jù)采集部分處理分析，最后得到表面等離子體共振光譜曲線，判別檢測是否有溢油出現(xiàn)， 并確定溢油區(qū)域；與此同時，整個系統(tǒng)由太陽能光伏電池裝置供電，并由自檢裝置實時檢測 系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)； 所述的系統(tǒng)封裝定位，實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)布置以便多傳感數(shù)據(jù)融合，對溢油位置、漂移速 度、方向、軌跡的實時跟蹤監(jiān)測。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種角度調(diào)制型的小型化表面等離子體共振技術(shù)的實時在線海上溢油檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光學(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部分組成；所述光學(xué)模塊采用半導(dǎo)體激光模組具有較大發(fā)散角滿足對光源的角度控制，傳感模塊采用高折射率重火石玻璃材料棱鏡及同材料的金膜傳感玻片，檢測模塊采用無線傳輸模式線陣CCD探測器采集圖像，傳輸給控制模塊的計算機數(shù)據(jù)采集部分，進行數(shù)據(jù)圖像處理。本發(fā)明主要針對小面積不宜被發(fā)現(xiàn)的早期海上溢油進行檢測，通過系統(tǒng)封裝定位，分布式網(wǎng)絡(luò)布置實現(xiàn)多傳感數(shù)據(jù)融合，對溢油位置、漂移速度、方向、軌跡的實時跟蹤和信息顯示進行監(jiān)測，為判斷泄漏地點提供了重要信息。
【IPC分類】G01N21-552
【公開號】CN104713851
【申請?zhí)枴緾N201510131194
【發(fā)明人】鄭妍, 邢礫云, 孫玉鋒, 常天英, 崔洪亮
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月24日