基于疏水吸油材料的油污在线监测装置

本实用新型属于水体溢油监测领域，具体为一种油污在线监测装置。

背景技术：

海洋面积约占地球总面积的71％，并且蕴藏着大量石油资源，20世纪以来，世界经济和科技得到了前所未有的发展，人类对海洋的开发利用变得越来越多，海洋石油开采及运输不断发展，随之而来的海洋溢油污染问题愈发严重，对海洋环境造成了不可估计的破坏，形式十分严峻。

常见的较为传统的海洋溢油监测方法有重量法、悬浮法和紫外吸收法。但这些方法都需要进行萃取，操作复杂，不能实现现场在线测量。而其他常见的在线监测方法有溶解氧监测，光学监测法等，光学监测包括可见光监测、荧光技术、红外技术、紫外技术等。其中可见光技术经济适用但区分度低、虚警率高，也易受天气和气候影响；红外技术易受浮游植物等干扰，对薄油膜不灵敏；紫外由于波长短，绕射能力弱，远距离观测极易大气气溶胶、臭氧分子影响。激光诱导荧光是一种可视化、非接触的激光测量方法，在溢油检测中，油类物质由于其荧光基团的性质，在紫外光的照射下油类物质吸收光并能激发内部电子。其中荧光信号的高效、准确的采集与处理是溢油监测技术中的重要环节。但其中遥感光学监测方法来进行油污监测，监测周期长，对于初始的溢油事故可能不能及时发现。溶解氧监测法的优点是能快速的监测到溢油污染，但由于其监测因素氧含量受环境影响较大，精度不是很高。

油污的荧光光谱就与人类的指纹一样具有可识别性，可以作为鉴别不同油污种类，确定溢油来源和种类的依据，同时可以缩小溢油的种类可能范围，可为溢油监测提供有力的证据支持。

技术实现要素：

本实用新型要克服现有技术的上述确定啊，为实现海洋溢油油污在线监测，提供一种基于疏水吸油材料应用荧光光谱原理的油污在线监测装置，利用新研发的光学传感器来搭建一种实时监测疏水吸油材料中油污含量的变化的油污在线监测系统，实现近岸定点在线监测。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

一方面，本实用新型提供一种基于疏水吸油材料应用荧光法的油污在线监测方法。所述装置采用在线监测，所述在线油污监测装置中的光学传感器包括电缆装置、通信模块、控制与数据处理模块、信息采集模块、探测装置模块；所述电缆装置给各系统各个模块提供电力并且起着电路连接的作用；所述通信模块负责传输连接的前端模块传出的信息；所述激发装置模块通过装置内led灯发射光照射油污表面激发油污荧光，荧光反射回来经接收板接收并将接收到的杂光过滤，获得所监测的海面的荧光状况；所述激发装置模块主要分为激发器件和探测器件；所述信息采集模块通过与探测装置模块协同工作，并且将探测器传递的模拟信号转变成数字信号，记录并保存；所述控制与数据处理模块控制各模块协同运动，从所述信息采集模块获取有效信息，数据处理，会将数字信号转化为荧光因子强度信号，输出的荧光因子强度信号值反映出溢油的相关信息。

所述光学传感器其发光端部分被疏水吸油材料固定。

本实用新型只接收荧光信号，将荧光信号进行转换成模拟信号，再将杂波和反射波的模拟信号过滤掉，后期再转换成数字信号输出为荧光强度。

本实用新型中所述光学传感器探头上固定的疏水吸油材料先将油污富集，再由所述的光学传感器进行监测，所述的光学传感器探头直接与油污接触，响应时间较快。

.基于疏水吸油材料的油污在线监测装置，包括光学传感器、光纤电缆和服务器计算机；所述的光学传感器通过光纤电缆将信号传给服务器计算机；

光学传感器的的壳体内腔自前端向后依次装有电信号连接的探测装置2、信息采集模块8、控制与数据处理模块11、通信模块13；

探测装置2包括激发装置6和接收装置3，所述的激发装置6中的led灯7激发特定波长波长的激发光；所述的接收装置3接收油污激发的荧光，所述的接收装置3包括接收板4和接收器5，接收板4将接收到的杂光在有效时间内过滤，接收器5对荧光信号进行接收并转换成相应的模拟信号；壳体1前端在led灯7的发射方向和接收板4的接收荧光的入射方向都有开口；

信息采集模块8包括杂波过滤模块9和a/d转换器10，获取监测的海面荧光光谱的荧光信号值，并将探测器所接收到的模拟信号转换成数字信号，传输给控制与数据处理模块11；

控制与数据处理模块11包括嵌入式微处理芯片12，将采集到的荧光信息进行处理，会将数字信号转化为荧光因子强度信号，输出的荧光因子强度信号的峰值反映出溢油的相关信息；

通信模块13包括通信前端14和通信后端16，把通信前端14收集到的荧光信息信号增强放大后传输给通信后端16，再传输给服务器计算机。

本实用新型所述在线溢油污染监测装置的工作原理为激发装置模块中的激发装置发射其激发光，照射到具有荧光性的油污上，所述具有荧光性的油污在激发光的作用下发出荧光，再由接收装置将荧光信号值转换成相应的模拟信号；转换成的模拟信号通信模块进行传输，传输到信息采集模块，把当前的模拟信号转换成数字信号，并存储起来。将数据传输至控制与数据处理模块，将数字信息转换成荧光因子强度，会将数字信号转化为荧光因子强度信号，输出的荧光因子强度信号值反映出溢油的相关信息，根据荧光光强来确定被测水体的油污污染程度，荧光波长信号值来确定被测水体的油污污染种类。

本实用新型的使用方法，包括以下步骤：

(1)在设定温度下，将未固定疏水吸油材料的光学传感器的发光端部分置于未加入油污的模拟水体中，通过光学传感器获得未加入油污情况下的初始信号值，并记录此时对应的荧光强度信号值i(a.u)；

往无油污污染水体中加入一定量的油污，在线监测光学传感器的信号值的变化，随时间变化信号值趋于稳定，并记录该稳定的信号值，绘制随时间变化的信号值曲线；改变加入的油污量，记录稳定的信号值，并绘制随时间变化的监测信号值曲线，一直记录到信号值不再随油污量变化。

更换油污种类，按照上述方法，得到不同油污在不同用量情况下的信号值随时间变化曲线；不同油污在吸附阶段具有不同的信号值变化斜率。

在光学传感器发光端固定疏水吸油材料，在固定的温度下，将固定疏水吸油材料的光学传感器发光端置于未加入油污的模拟水体中，按照上述方法，在线监测疏水吸油材料中的信号值变化，随时间变化信号值趋于稳定，并记录稳定的信号值，并绘制随时间变化的监测信号值；改变加入的油污量，记录稳定的信号值，并绘制随时间变化的监测信号值曲线，当观察到稳定的信号值不再随着油污量的增加而增加时，表明疏水吸油材料的油污吸附量已经饱和；记录该油污在不同用量情况下的信号值随时间变化曲线；

更换油污种类，按照上述方法重复实验，得到不同油污在不同用量情况下的信号值随时间变化曲线；不同油污在吸附阶段具有不同的信号值变化斜率。

(2)改变温度，按照步骤(1)的方法得到不同温度下不同油污在不同用量条件下的荧光信号值随时间变化曲线；

(3)固定水体温度，将同一光学传感器的发光端置于待测水体中，在线监测疏水材料中信号值变化，绘制信号值随时间变化曲线，等信号值稳定后，将信号值与v0进行比较，若信号值有变化，则表示存在油污污染，根据该温度下吸附起始阶段的信号值变化斜率确定油污类别，再将测得的信号值变化曲线与所确定的油污在该温度下不同用量下的信号值随时间变化曲线进行匹配来确定油污含量。

水体类型对结果无影响。

所述疏水吸油材料可以是复合吸油棉片、多孔疏水吸油纤维、疏水吸油海绵、疏水吸油毛毡等。

所述油污污染来自于市面上可以购买到的油类。

所述传感器是利用荧光光谱法原理来进行溢油监测，所述的荧光光谱法是根据油类物质由于其荧光基团的性质可在紫外光的照射下利用其吸收掉光能激发内部电子激发出荧光现象，并且由于其独特的荧光特性可以作为区分依据；

所述光学传感器包括电缆模块、通信模块、控制与数据处理模块、信息采集模块、探测装置模块、激发装置模块。

所述电缆模块给不同模块提供相应的驱动电源。

所述通信模块把前端收集到的荧光信息传输给后端。

所述探测装置模块包括激发装置和接收装置，所述的激发装置激发特定波长波长的激发光，本实用新型中激发波长选定300-450nm和450-600nm波长范围内；所述的接收装置接收油污激发的荧光，对荧光信号进行接收并转换成相应的模拟信号。

所述信息采集模块包括a/d转换器，在激发器工作的有效时间内过滤掉反射波及其其他杂波，获取监测的海面荧光光谱的荧光信号值，并将探测器所接收到的模拟信号转换成数字信号，传输给控制与数据处理模块。

所述控制与数据处理模块包括嵌入式微处理芯片，将采集到的荧光信息进行处理，会将数字信号转化为荧光因子强度信号，输出的荧光因子强度信号值反映出溢油的相关信息，判断其是否是溢油的有效信息，之后将相应的信息通过通信模块传输给控制终端(电脑)。

所述终端装置包括计算机和服务器。

所述光学传感器整体呈封闭结构。

所述激发装置为led光源，后期可以根据不同情况下更改特定波长。

本实用新型所述控制与数据处理模块用于数据后处理，将所得的荧光因子强度信号进行分析处理，所述嵌入式微处理芯片的型号优选为msp43f149的单机片。

进一步，所述信号传输装置可为有线传输装置如光纤电缆、usb数据线，也可为无线传输如无线收发机、微波发射机、卫星。

本实用新型的传输方法可为有线传输和无线传输，但不限于此。无线传输原理为：将输出的信号值压缩为数字信号，去除信源冗余，并将冗余信息引入来对抗信道噪声及干扰，不同通信体制有不同调制方法，将编码数字(0，1)序列变为数字(或模拟)基带信号，再将基带信号调频放大，最后通过天线辐射被卫星接收。

本实用新型中，所述的信号传输可以是无线传输、光纤传输及卫星遥感传输等，但不限于此。其中通过无线信号进行传输的传输原理为：将监测到的海水荧光信号值通过压缩数字信号，去除信源冗余，引入适当冗余信息以对抗信道噪声和干扰，根据不同通信体制差异，调制方法各不相同，将编码的数字(0，1)序列变为数字(或模拟)基带信号，将基带信号调制到中频放大，中频信号再调制到射频段并放大通过天线辐射出去，让卫星可以接收。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、监测方法是在光学传感器的基础上加上疏水吸油材料，实现先富集后监测，探头直接与油污接触，能快速、准确的进行在线监测，适用于现场定点油污监测。

2、本实用新型的监测方法基于激光诱导荧光的原理，激光具有强聚拢性，能在极端条件下使用，不同气候条件下的同一海平面物质所发射的荧光具有广泛一致性，能够避免外界环境的影响，且不易受其他目标影响。

3、本实用新型可实现现场和远程监控同时运行，实现在线无人监测，能自动采集数据进行远程传输。

4、本实用新型在咸水及淡水区域的溢油事故监测均能使用，经济，具有广泛的应用前景。

5、光学传感器作为一个创新点，能直接得到荧光光强及波长来进行监测油污，根据油污荧光强度或者荧光波长，可以监测到不同污染程度及种类的油污，本实用新型有油污的荧光光谱的技术支持，能更精确地监测到油污的种类和油污厚度。

附图说明

图1是本实用新型的光学传感器的结构示意图。

图2是固定一层复合吸油棉片的光学传感器监测机油电压信号随时间的变化曲线。

图3是固定不同厚度复合吸油棉片的光学传感器监测机油电压信号随时间的变化曲线。

图4是固定一层复合吸油棉片的光学传感器监测大豆油电压信号随时间的变化曲线。

图5是固定不同厚度复合吸油棉片的光学传感器监测大豆油电压信号随时间的变化曲线。

图6是遮光条件下光学传感器监测机油电压信号随时间的变化曲线。

图7是遮光条件下固定不同厚度复合吸油棉片的光学传感器监测机油电压信号随时间的变化曲线。

图8是遮光条件下固定不同厚度复合吸油棉片的光学传感器监测大豆油电压信号随时间的变化曲线。

图9是未固定复合吸油棉片条件下光学传感器监测机油电压信号随时间的变化曲线。

图10是疏水吸油材料固定在光学传感器上的示意图。

具体实施方式

结合下面实例对本实用新型进一步阐述，但本实用新型的保护范围并不限于此。

实施例1：

参照附图，图中部件编号如下：

1、壳体前端，2、探测装置，3、接收装置，4、接收板，5、接收器，6、激发装置，7、led灯，8、信息采集模块，9、杂波过滤板，10、a/d转换器，11、控制与数据处理模块，12、嵌入式微处理芯片、13、通信模块、14、通信前端、15、电缆、16、通信后端，17、壳体，18疏水吸油材料。

本实用新型的使用方法，包括以下步骤：

(1)在设定温度下，将未固定疏水吸油材料的光学传感器的发光端部分置于未加入油污的模拟水体中，通过光学传感器获得未加入油污情况下的初始信号值，并记录此时对应的荧光强度信号值i(a.u)；

往无油污污染水体中加入一定量的油污，在线监测光学传感器的信号值的变化，随时间变化信号值趋于稳定，并记录该稳定的信号值，绘制随时间变化的信号值曲线；改变加入的油污量，记录稳定的信号值，并绘制随时间变化的监测信号值曲线，一直记录到信号值不再随油污量变化。

更换油污种类，按照上述方法，得到不同油污在不同用量情况下的信号值随时间变化曲线；不同油污在吸附阶段具有不同的信号值变化斜率。

在光学传感器发光端固定疏水吸油材料，在固定的温度下，将固定疏水吸油材料的光学传感器发光端置于未加入油污的模拟水体中，按照上述方法，在线监测疏水吸油材料中的信号值变化，随时间变化信号值趋于稳定，并记录稳定的信号值，并绘制随时间变化的监测信号值；改变加入的油污量，记录稳定的信号值，并绘制随时间变化的监测信号值曲线，当观察到稳定的信号值不再随着油污量的增加而增加时，表明疏水吸油材料的油污吸附量已经饱和；记录该油污在不同用量情况下的信号值随时间变化曲线；

更换油污种类，按照上述方法重复实验，得到不同油污在不同用量情况下的信号值随时间变化曲线；不同油污在吸附阶段具有不同的信号值变化斜率。

(2)改变温度，按照步骤(1)的方法得到不同温度下不同油污在不同用量条件下的荧光信号值随时间变化曲线；

(3)固定水体温度，将同一光学传感器的发光端置于待测水体中，在线监测疏水材料中信号值变化，绘制信号值随时间变化曲线，等信号值稳定后，将信号值与v0进行比较，若信号值有变化，则表示存在油污污染，根据该温度下吸附起始阶段的信号值变化斜率确定油污类别，再将测得的信号值变化曲线与所确定的油污在该温度下不同用量下的信号值随时间变化曲线进行匹配来确定油污含量。

参见附图1，基于疏水吸油材料的在线油污监测装置，包括光学传感器、光纤电缆和服务器计算机；所述的光学传感器通过光纤电缆将信号传给服务器计算机；

所述光学传感器由壳体17及集成壳体17中led灯7、探测装置模块2、接收装置3、接收板4、接收器5、激发装置6、信息采集模块8、杂波过滤板9、a/d转换器10、控制与数据处理模块11、嵌入式微处理芯片12、通信模块13、通信前端14、电缆15、通信后端16、壳体17组成。

所述led灯7激发300-450nm和450-600nm波长范围内的光；

所述壳体内的电缆既起到信息传输作用又起到供电作用；

所述传感器壳体前端1有开口，开口方向与所述led灯7光源发射方向相同；

所述探测装置模块2包括激发装置6和接收装置3，所述的激发装置6中的led灯7激发特定波长波长的激发光，本实用新型中激发波长选定300-450nm和450-600nm波长范围内；所述的接收装置3接收油污激发的荧光，接收板4将接收到的杂光在有效时间内过滤，接收器5对荧光信号进行接收并转换成相应的模拟信号。

所述信息采集模块8包括a/d转换器10，获取监测的海面荧光光谱的荧光信号值，并将探测器所接收到的模拟信号转换成数字信号，传输给控制与数据处理模块11。

所述控制与数据处理模块11包括嵌入式微处理芯片12，将采集到的荧光信息进行处理，会将数字信号转化为荧光因子强度信号，输出的荧光因子强度信号的峰值反映出溢油的相关信息；所述通信模块13把通信前端14收集到的荧光信息信号增强放大后传输给后端16后传输给控制终端(电脑)。

所述终端装置包括计算机和服务器。

工作时：led灯发射规定波长范围内的激光，照射到具有荧光性的油污上，油污在激光的作用下发出荧光，荧光信号经反射被接收模块接收，经过接收板的接收，再经过接收器将接收到的荧光转换成模拟信号；模拟信号经电缆传输至信息采集模块，内部的杂波过滤板将杂波和反射波模拟信号，过滤完的模拟信号经a/d转换器处理转变为数字信号，经电缆传输给控制和数据处理模块；控制和数据处理模块中的嵌入式微处理芯片将采集到的荧光信息进行处理，会将数字信号转化为荧光因子强度信号，该荧光信号经电缆传输到通信模块前端，信号经前端内的信号放大器增强，之后将相应的信息通过信息传输模块的前端给控制终端；根据荧光信号来得出海水中溢油污染的程度。

在室温下，取1l去离子水置于实验用的器皿中，将光学传感器固定在大小为8×8cm的复合吸油棉片(尺寸70*70*2mm，亲水角144°)的中间，用封口膜包裹起来，只留下与光学传感器接触的那一面未封口，将光学传感器置于水面上方一定距离，记录其在空气中的荧光信号值，直至稳定，将稳定后的光学传感器放入水面未振动的水中，记录荧光信号值并等其稳定，打开振动开关，记录在振动水面下的荧光信号值，等其稳定后加入150ml的合成机油，模拟海洋溢油，通过光学传感器获得荧光信号变化值，并将记录下来的信号值绘制成变化曲线，发现信号值在加入机油之后先小幅度下降再突升，产生信号响应，补充荧光信号值从41797a.u增加到99817a.u，说明加入油污后由大量荧光产生，如图2。这表明通过光学传感器检测疏水吸油材料中的油污含量的变化可实现海洋溢油事故中油污在线监测。

实施例2：

采用实施例1的装置，相同温度下，通过将35g氯化钠(nacl)加入到1l水来模拟海水；重复实施例1中的实验，模拟溢油事件，通过传感器在线监测光学传感器的荧光信号值变化并绘制成曲线。结果与实施例1相同，这表明改变水体的类型，对荧光信号值的响应并没有影响。

实施例3：

采用实施例1的装置，相同温度下，通过将35g氯化钠(nacl)加入到2l水来模拟稀释的海水；重复实施例1中的实验，通过光学传感器在线监测荧光信号值并绘制曲线，结果与实施例1相同，发现降低氯化钠的含量对实验监测结果并没有影响。

实施例4：

实施例4与实施例1的方法相同，不同之处为固定在传感器发光处的圆形复合吸油棉片层数改为两层和三层。通过光学传感器记录信号值并绘制曲线，如图3所示，与一层时的变化确实相同，加入油污后，产生大量的荧光信号，但信号值稳定后没有像一层一样再下降，这表明在固定两层及三层厚度的复合吸油棉片条件下，监测时更加稳定。这表明改变复合吸油棉片厚度可以得到不同的监测效果，即本实用新型的监测方法可实现对不同厚度的吸油材料的油污进行监测。

实施例5：

实施例5与实施例1的方法相同，不同之处为油污的种类不同，油污种类换成大豆油(来自当地商店的金龙鱼大豆油)，如图4所示，结果在加入油污之后荧光信号值从48742a.u减少至-149173a.u，随着时间变化，达到最低点—198462a.u后回升至-163932a.u后又逐渐稳定，这表明可通过光学传感器检测疏水吸油材料中的油污种类的变化，本实用新型可实现对不同种类油污的识别。

实施例6：

实施例6与实施例5的方法相同，不同之处在于固定在传感器发光处的圆形复合吸油棉片层数变为两层及三层，通过传感器在线监测荧光信号值变化并绘制成曲线，待荧光信号值稳定后记录该荧光信号值，如图5所示，信号值逐渐稳定，这表明对于不同的油污，不同厚度的疏水吸油材料所得到的荧光信号值变化曲线不同，本实用新型可监测方法可以实现对不同油污不同厚度的疏水吸油材料的油污进行监测。

实施例7：

实施例7在实施例1的基础上加了遮光装置，通过光学传感器在线获得荧光信号值并绘制成变化曲线，如图6所示，发现荧光信号值在加入机油之后先小幅度下降再突升，产生信号响应，补充荧光信号值从40661a.u增加到79876a.u，变化趋势和实施例1中的变化趋势相同，这表明光照对实验结果的影响不大，本实用新型可在实际应用中实现海洋溢油事故中油污在线监测。

实施例8：

实施例8在实施例4的基础上增加了遮光装置，通过光学传感器在线获得荧光信号值并绘制成变化曲线，如图7所示，发现荧光信号值在加入机油之后先小幅度下降再突升，产生信号响应，变化趋势与实施例4的变化趋势相同，这表明光照对实验结果的影响不大，本实用新型可在实际应用中实现海洋溢油事故中油污在线监测。

实施例9：

实施例9在实施例6的基础上另加了遮光装置，如图8所示，结果在加入油污之后荧光信号值变化趋势和实施例6一样，这表明油污种类不同的情况下，光照对实验结果的影响不大，本实用新型可在实际应用中实现海洋溢油事故中油污在线监测。

实施例10：

实施例10与实施例1的方法相同，不同之处为该实施例中不固定圆形复合吸油棉片。如图9所示，在加入油污之后荧光信号值从-81084a.u增加至-67953a.u，这表明通过传感器检测溢油情况时，没有疏水吸油材料条件下，信号值变化不明显，故疏水吸油材料在构建海洋溢油事故中油污在线监测系统时必不可少。