岸基式海面油膜探测传感器设计

侯永超，李 颖,，李冠男，吴 鹏，刘 瑀

(1.大连海事大学海航学院，辽宁大连 116026；2.大连海事大学环境信息研究所，辽宁大连 116026)

0 引言

在沿海储油基地和大型油码头进行海上油膜的实时监测，对溢油事故的预警与防控具有重要意义[1-3]。传统的遥感技术(微波、红外、可见光遥感等)在探测精度与实现周期上，不能有效对海面薄油膜进行快速探测[4-6]。而紫外诱导荧光技术作为一种主动式遥感遥测技术，具有灵敏度高、相应速度快的优点，被广泛应用于海上溢油事故的应急监测与处置评估中[7]。早在20世纪90年代，沿海港口溢油事故得到国内外学者的关注，C. R. Chase等研发了一种探测海水表面油膜的报警传感器，能够对柴油、润滑油等一些轻质油进行探测[8]；美国Turner Designs公司研发了多款荧光探测传感器，并通过结合光纤传感器件增加了传感器探测的距离。以上这些传感器普遍采用光纤作为主要的紫外和荧光的传导工具，但光纤对紫外中较短的波段具有较强的衰减作用，往往会限制传感器探测的能力，增加了紫外诱导荧光技术在海面油膜探测应用的难度[9]。中科院上海技术物理研究所、大连海事大学等研发了港口溢油报警系统，采用紧凑型的光学器件，进行了海面溢油监测与识别的尝试[10-11]。在上述的研究中，对海面油膜的荧光信号进行精准的捕获和处理，是该类传感器设计与研发的重点和难点问题[12-13]。

本文设计并实现了岸基式海面油膜探测传感器，在不采用光纤传感器件的基础上设计荧光滤光装置，对荧光信号进行放大和降噪处理，不仅实现了对海面薄油膜荧光信号的精确捕获，同时具备全天候工作、实时获取信号以及快速探测海面油膜的监测优势。

1 海面油膜探测传感器设计

1.1 传感器测量原理与结构

紫外诱导荧光探测油膜技术，是根据石油物质中具有吸收光子能力的物质(以多环芳烃类物质为代表)在紫外光波段的照射下，可在瞬间发射出比激发波长长的荧光，并基于荧光光谱的特征峰与强度进行分析的传感监测方法[14-15]。根据紫外诱导荧光技术和能级跃迁的基本原理，石油物质的荧光量子产率是石油物质吸收入射光后所发射的荧光光子数目与所吸收的入射光的光子数目之比。由于激发分子的衰变过程包括辐射跃迁和非辐射跃迁，故荧光量子产率可表示为

(1)

式中：φf为荧光量子产率；kf为发射荧光的速率常数；ki为各种单分子非辐射去活化过程的速率常数。

当石油物质处于海面环境时，非辐射跃迁的速率远远小于辐射跃迁的速率，即∑ki<

荧光寿命是指当激发光停止后，荧光强度衰减至原强度的1/e所用的时间，即激发态的分子数目衰减至原数目的1/e的时间。石油物质的紫外诱导荧光发射没有特定的规律，激发态的平均寿命与跃迁的概率有关，文献[16-17]表明，石油物质的荧光寿命可表示为

(2)

式中：t′为石油物质的荧光寿命时间，s；εmax为最大吸收波长下的摩尔吸光度，m2/mol。

针对石油物质,εmax的取值为103，所以石油物质的荧光寿命约为10-8s。通过式(2)可以看出，海面油膜紫外光激发下，在ns级的时间内发射出较强的荧光，采用嵌入式系统控制荧光光电传感器进行海面油膜探测具有可行性。

根据以上石油物质的荧光特性可知，石油物质具有在紫外光激发下，在ns级的时间内发射出较强荧光的这一特性[18]。岸基式海面油膜探测传感器通过合理选取紫外激发光源与荧光光电传感器件，进一步设计荧光滤光装置和荧光信号处理电路，最终实现海面油膜的探测，整体结构示意图如图1所示。

图1 传感器结构示意图

1.2 传感器件选择

紫外激发源的选择在主要考虑发射足够强度的紫外光的前提下，选取体积小、功耗低的紫外光源作为激发源。本文选择闪烁氙灯光源作为紫外激发源，满足了传感器整体紧凑型的需求，并且通过200～300 nm结合带通滤光片可以激发距离海面5 m以内的油膜产生荧光。通过比较各个氙灯光源的特性，选取L4634-01型号氙灯光源(主要参数见表1)，该光源具有稳定性强，便于控制的特点。石油物质的荧光探测器件需要较高的灵敏度，并且便于处理和分析，本文综合传感器尺寸和不同应用环境的要求，采用H10723-110型号的光电倍增管(PMT)作为荧光光电传感器件(主要参数见表2)。同时为了满足远程监测与控制的要求，本文设计的岸基式海面油膜探测传感器采用基于RS232协议的无线传输模块进行数据传输，采用STM32嵌入式系统控制传感器件的触发与采集，并且各个器件集成在具有防腐和防爆性能的不锈钢外壳中。

表1 L4634-01氙灯光源主要参数

表2 H10723-110光电倍增模块主要参数

1.3 荧光滤光装置设计

为提高荧光信号的探测精度，同时降低环境噪声的影响，本文在荧光传感单元PMT前端设计荧光滤光装置。该荧光滤光装置由两级带通滤光片和一个凸透镜组成，同时为了保证PMT不受氙灯激发源的影响，在氙灯激发源上安装300～400 nm的带阻滤光片。综合考虑大多数油种在300～400 nm波段内具有荧光特征峰，以及太阳辐射与海面环境光影响等因素，第一、二级荧光滤光片选用300～400 nm带通滤光片[19]。其中，第一级滤光片的设计尺寸较大，以扩大监测视角。透过第一级滤光片后的荧光信号通过凸透镜聚焦在第二级滤光片中心位置进行再次滤光，从而减少外界噪声干扰，其光路设计示意图如图2所示。

图2 荧光滤光装置光路设计示意图

1.4 硬件设计原理

本传感器采用STM32单片机为核心控制单元，并采用无线通信模块进行数据的远程传输。设置PMT采集触发频率高于氙灯激发源触发频率，并且在设置PMT的采集触发上升沿与氙灯驱动上升沿一致，保证PMT采集到环境的荧光背景值的同时也采集到氙灯激发后的荧光信号，传感器硬件整体方案示意图如图3所示。在荧光信号处理单元中设计基于OPA615芯片的峰值保持电路，保持荧光信号经过PMT光电转换后的峰值，获取精确的荧光信息，峰值保持电路原理图如图4所示。

图3 传感器硬件整体方案示意图

图4 峰值保持电路原理

2 测试与实验

2.1 滤光装置性能测试

为了验证传感器中荧光滤光装置的滤光效果，使用传感器中的氙灯作为紫外激发源，采用180～780 nm荧光光谱仪采集荧光信号。光谱仪分别在不连接荧光滤光装置和连接荧光滤光装置的情况下，对纯海水进行紫外诱导荧光测试，所得到的荧光光谱如图5、图6所示。图5中，由于没有连接荧光滤光装置，光谱仪接收到的荧光光谱强度较低，并且在300 nm以下波段受到了激发源的强烈干扰，不利于获取有用的光谱信息；图6中，在连接荧光滤光装置后，光谱仪接收到的荧光光谱能够有效的抑制300～400 nm波段以外的环境光，并且增强了300～400 nm波段处荧光的探测强度。

图5 未连接荧光滤装置所获得的荧光光谱

图6 连接荧光滤光装置后所获得的荧光光谱

2.2 油样荧光光谱测试

在石油生产、运输与储存过程中，轻质燃料油、重燃料油和原油通常作为三类主要的石油物质。为了验证传感器对三类石油具有探测能力，采用0#柴油，-10# 柴油；180#燃料油，380#燃料油；沙特原油，巴西原油的油样，分别代表以上三类石油物质。在实验室环境下向盛有海水的玻璃瓶中分别加入以上每种油样，待液面稳定后，形成计算油膜厚度为5 μm的油膜，采用传感器中的氙灯光源激发油膜，同时采用180～780 nm光谱仪分别获得每种油样的荧光光谱。并且在相同环境下获取所用海水的荧光光谱，将所得每种油样的荧光光谱强度减去纯海水的荧光光谱强度，去除海水本身的荧光背景值，用Fn表示不同油样的相对荧光强度，得到油样的相对荧光强度为

Fn=fn-f0,n=1,2,3…6

(3)

式中：fn为每种油样的荧光光谱强度；f0为在相同环境下获取所用海水的荧光光谱强度。

将得到的不同油样的相对荧光光谱数据进行平滑处理，得到不同油样的相对荧光光谱曲线如图7所示。

图7 不同油样的相对荧光光谱

由图7可知，每种油样的相对荧光光谱主峰都明显的呈现在300～400 nm波长范围内，所呈现出的荧光相对强度差异可以有效的被PMT进行采集和处理。另外需要指出，每种油膜与海水相比较虽然在300～400 nm之间呈现出明显的差异，但未呈现出与油种差异的相关性。由于油种的不同，其所含的主要荧光物质和含量也不尽相同，每种油膜在不同油膜厚度的荧光光谱也呈现出不同的特性，所以根据本传感器的设计只能进行海面油膜的定性探测和判断，还不能进行油种的识别和油膜厚度的测量。而在实际的港口码头溢油监测中，预警与防控是主要的技术手段，本传感器能够满足不同油种的薄油膜快速实时探测，有效获取和探测海面薄油膜的荧光信号，从而进行及时预警。

同时，根据不同油样的相对荧光光谱曲线，可以发现每种油样在300 nm以下的波段具有不同程度的负峰，这是由于海水表面的油膜与海水相比受到紫外光激发后，吸收更多的紫外光能量，与纯海水的荧光光谱曲线作差后导致在 以下的荧光相对强度具有负值。

2.3 岸基式海面油膜探测传感器的实现

经过实验室不断完善和优化传感器设计后，岸基式海面油膜探测传感器安装在大连凌水码头进行室外现场实验。分别取等量不同种油样，再分别加入到一个盛有安装点码头内海水的实验容器中。当油样形成稳定的油膜后，依次将实验容器放入到传感器探测的区域内，并且通过监测系统记录监测数据，图8所示为溢油监测报警系统软件界面。通过传感器中的无线通信模块和监测系统的存储功能，将传感器PMT的监测值进行存储和分析。通过分析现场实验数据，可以发现当模拟海面薄油膜的实验容器出现在传感器的探测区域内时，PMT的输出电压会迅速增大。当模拟薄油膜的实验容器离开传感器的探测区域后，PMT的输出电压会迅速降低至环境背景值。经过重复实验，PMT对不同种油样都能够及时探测到荧光信号，PMT的输出电压都在3 V以上。将PMT的输出值3 V设定为溢油监测的报警阈值，当监测结果超出该阈值，传感器将会发出溢油报警。

图8 监测系统软件界面

3 结束语

本文设计了基于紫外诱导荧光技术的岸基式海面油膜探测传感器，设计了海面油膜荧光的激发和探测传感器件，以及海面油膜探测的荧光滤光装置。该传感器具有紧凑性、低功耗等特点，解决了沿海储油基地和大型油码头的海面溢油实时监测的难题。并且该传感器在大连凌水码头进行了实验和运行，测试结果表明，该传感器可以实现海面薄油膜的实时监测，可为大型港口和码头的溢油监测预警与防控提供参考。此外，本文设计的海面油膜探测传感器所采用的荧光光电传感器件虽然对荧光信号具有较强的灵敏度，但由于不同油种的成份组成和海面环境的复杂，并且传感器的输出也易到达饱和状态，所以该传感器可以及时发现薄油膜并提供预警信息，但不能通过传感器进行不同油种的识别和油膜厚度的测量。