一种基于lspr传感器的海上溢油检测系统及检测方法
【专利摘要】本发明提供一种基于LSPR传感器的海上溢油检测系统及检测方法，所述光源模块，用于提供光源；所述偏振装置，用于增强表面等离子体共振效应以提高光源的利用率；所述LSPR传感装置，用于实现传感；所述光敏探测器用于将接收的光信号转换为电信号；所述数据采集模块用于对共振反射系数变化的数字化并由无线传输模块传送给上位机数据存储与处理模块对数据进行存储并根据数据设置报警限值。采用上述方案，将局域表面等离子共振原理应用于已有检测方案中，并采用金属纳米粒子嵌入式聚合物薄膜，将光能量集中在金属纳米颗粒周围，从而实现LSPR现象所带来的信号增强。
【专利说明】—种基于LSPR传感器的海上溢油检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海上溢油检测【技术领域】，尤其涉及的是一种基于LSPR传感器的海上溢油检测系统及检测方法。
【背景技术】
[0002]在已投入的监测系统中，遥感是最重要和最有效的手段之一。虽然利用卫星遥感技术来监测海洋溢油，是一条切实可行而且很有发展前途的监测途径，但是最实际的方法还是航空监视和局部海区监视二者结合更为合理。前者可监视广阔海域，后者则监视海上石油平台、储油装置等可能发生溢油事故的海域。
[0003]局域表面等离子共振传感器(LocalizedSurface Plasmon Resonance简称LSPR)是一种新兴的传感元件，采用LSPR传感报警水上溢油的技术和设备，目前我国还是空白。目前国内外还没有应用LSPR传感技术进行溢油监测的技术和产品，国内进口的溢油报警产品一般主要通过紫外、红外等电磁波通过水面反射原理进行开发而成，由于该类产品不能直接接触水面，其使用范围和准确性受到一定的限制。而海洋浮标的检测方式，只能用于溢油跟踪不具备发现海上溢油的功能。另外，目前大多数LSPR检测装置一般重量较大，且难以适应现场测定，只适用于实验室中使用。
[0004]因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于LSPR传感器的海上溢油检测系统及检测方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种基于LSPR传感器为核心的海上溢油检测系统,其中,包括光源模块，偏振装置，LSPR传感装置，光敏探测器，数据采集模块，无线传输模块及上位机数据存储与处理模块依次连接；所述光源模块，用于提供光源；所述偏振装置，用于增强表面等离子体共振效应以提高光源的利用率；所述LSPR传感装置，用于实现传感；所述光敏探测器用于将接收的光信号转换为电信号；所述数据采集模块用于对共振反射系数变化的数字化并由无线传输模块传送给上位机数据存储与处理模块对数据进行存储并根据数据设置报警限值。
[0008]所述的海上溢油检测系统，其中，所述光源模块中的光源为600nm的可见光、激光或LED光源、或带偏振的光源。
[0009]所述的海上溢油检测系统，其中，所述LSPR传感装置，包括主要由光源单元、偏振组合镜，，LSPR传感器模块、透镜及探测模块；利用光源单元经偏振组合镜形成P偏振光进入LSPR传感器模块，使得反射回的光经透镜后，使探测模块收到光功率，通过光功率的强弱以判断发生溢油的种类。
[0010]所述的海上溢油检测系统，其中，当在聚合物薄膜下面装待测液体的容器中的光疏介质为水时，全内反射成立，使得反射回的光经透镜后，使探测模块收到较强的光功率，此时没有发生溢油；当在聚合物薄膜下面装待测液体的容器中的光疏介质为对应不同的折射率ns的油时，探测模块中接收到的反射光较弱，通过CCD上的不同像素元片所接收，从而确定溢油的种类。
[0011]所述的海上溢油检测系统，其中，所述LSPR传感器模块包括半圆柱棱镜、玻片、金属膜、掺金属纳米粒子的聚合物薄膜和装待测液体的容器。
[0012]所述的海上溢油检测系统，其中，所述玻片折射率大于1.6nm ;所述金属膜为厚度为45nm的金或银；所述聚合物薄膜厚度为10nm ;所述纳米金属颗粒半径为14nm，间距为50nm单链结构。
[0013]所述的海上溢油检测系统，其中，所述P偏振光的产生方法为:
[0014]假设介质为真空，一束频率为的光以角度Θ直接入射到金属表面，则其在平行于金属表面方向的波矢表不为公式一:
【权利要求】
1.一种基于LSPR传感器为核心的海上溢油检测系统,其特征在于,包括光源模块，偏振装置，LSPR传感装置，光敏探测器，数据采集模块，无线传输模块及上位机数据存储与处理模块依次连接；所述光源模块，用于提供光源；所述偏振装置，用于增强表面等离子体共振效应以提高光源的利用率；所述LSPR传感装置，用于实现传感；所述光敏探测器用于将接收的光信号转换为电信号；所述数据采集模块用于对共振反射系数变化的数字化并由无线传输模块传送给上位机数据存储与处理模块对数据进行存储并根据数据设置报警限值。
2.如权利要求1所述的海上溢油检测系统，其特征在于，所述光源模块中的光源为600nm的可见光、激光或LED光源、或带偏振的光源。
3.如权利要求1所述的海上溢油检测系统，其特征在于，所述LSPR传感装置，包括主要由光源单元、偏振组合镜，，LSPR传感器模块、透镜及探测模块；利用光源单元经偏振组合镜形成P偏振光进入LSPR传感器模块，使得反射回的光经透镜后，使探测模块收到光功率，通过光功率的强弱以判断发生溢油的种类。
4.如权利要求3所述的海上溢油检测系统，其特征在于，当在聚合物薄膜下面装待测液体的容器中的光疏介质为水时，全内反射成立，使得反射回的光经透镜后，使探测模块收到较强的光功率，此时没有发生溢油；当在聚合物薄膜下面装待测液体的容器中的光疏介质为对应不同的折射率ns的油时，探测模块中接收到的反射光较弱，通过CCD上的不同像素元片所接收,从而确 定溢油的种类。
5.如权利要求3所述的海上溢油检测系统，其特征在于，所述LSPR传感器模块包括半圆柱棱镜、玻片、金属膜、掺金属纳米粒子的聚合物薄膜和装待测液体的容器。
6.如权利要求4所述的海上溢油检测系统，其特征在于，所述玻片折射率大于1.6nm ；所述金属膜为厚度为45nm的金或银；所述聚合物薄膜厚度为10nm ;所述纳米金属颗粒半径为14nm，间距为50nm单链结构。
7.如权利要求3所述的海上溢油检测系统，其特征在于，所述P偏振光的产生方法为: 假设介质为真空，一束频率为《C的光以角度Θ直接入射到金属表面，则其在平行于金属表面方向的波矢表不为公式一:
(0.k = ~-sin O
c
C 要使入射光能和表面等离子体波之间发生共振，则有公式二: k = k
?^spwavC 为了使金属表面的等离子体与入射光共振耦合，投射进入光疏介质一定深度，且振幅在反射面的外侧方向呈指数衰减，此时电磁波为消失波，其穿透深度为公式三:
儿d =-
2^(sin ' Θ — sin 2 )!' 由于消失波的存在，光线在界面处的全反射将产生一个位移D，光线将沿着X轴方向传播一定距离；若光疏介质很纯净，在没有吸收和其它损耗的情况下，反射光能量不会衰减，消失波在光疏介质中传播约半个波长后再返回光密介质。反之，反射光能量将损失，反射率小于I ;在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波，所述消失波沿X轴方向传播的与表面平行的波矢分量kev为公式四:
通过调节Θ0或wa，使kev = kspw，消失波与表面等离子体波共振，即表面等离子体子共振，有公式五:
由上式可见，若入射光的波长一定，即oa—定时，ns改变,则改变Θ0以满足共振条件；若Θ O —定时，ns改变，则必须改变coa以满足共振条件，通过改变入射光的波长λ来实现，此时Θ0和λ分别称为共振角和共振波长。
8.如权利要求5所述的海上溢油检测系统，其特征在于，所述含球形金纳米颗粒的符合材料的有效介电常数表示如下:
其中，Sni为聚合物的介电常数，ε为金纳米颗粒的复介电常数，f为纳米颗粒的填充因子。
9.如权利要求1所述的溢油检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:利用光源单元经偏振组合镜形成P偏振光进入LSPR传感器模块，使得反射回的光经透镜后，使探测模块收到光功率，通过光功率的强弱以判断是否发生溢油以及发生溢油时的种类； 步骤2:当在聚合物薄膜下面装待测液体的容器中的光疏介质为水时，全内反射成立，使得反射回的光经透镜后，使探测模块收到较强的光功率，此时没有发生溢油； 步骤3:当在聚合物薄膜下面装待测液体的容器中的光疏介质为对应不同的折射率ns的油时，探测模块中接收到的反射光较弱，光源通过固定入射光的角度，选取特定的入射光波长，与待测油的折射率依次对应，满足共振条件，则发生溢油并同时确定溢油的种类；通过光源固定入射光波长，改变入射光角度并通过CCD，满足不同共振条件的反射光对应的变化由CCD上的不同像素元片所接收，判断发生溢油及同时确定油的种类。
10.如权利要求9所述的溢油检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤3中所述光源为固定波长的分立光源或波长可调谐的光源。
【文档编号】G01N21/55GK104076013SQ201410315044
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2013年7月3日
【发明者】李亚 申请人:青岛派科森光电技术股份有限公司