一种石油类污染物探测系统及检测方法

摘要

本发明公开了一种石油类污染物探测系统与检测方法，该探测系统包括发射单元、接收单元、参考单元和信号处理单元。发射单元发射激光信号，输出为透射光信号和反射光信号；参考单元的接受发射单元发射的透射光信号，该输出端连接信号处理单元的输入端并将参考单元输出的参考信号传送至信号接收单元；反射光信号激发样品池中的样品产生荧光信号，并被位于样品池旁的接收单元接收，经由接收单元输出至信号处理单元处理。本发明基于激光诱导荧光探测原理，采用调制技术将激发信号调制，具有极高的探测灵敏度，可以实现水体石油类污染物荧光信号的快速、实时、在线、非接触测量，能广泛地应用在水体环境监测中。

说明书

技术领域：

本发明涉及水体环境监测，具体说是一种用于水体石油类污染物的探 测系统及检测方法。

技术背景：

进入21世纪以来，伴随着国民经济的高速发展，我国的江河、湖泊以 及海洋环境水体水质也遭受到了严重的破环，损害生物资源，危害人类健 康，妨碍捕鱼和人类的活动。这种情况在经济较为发达的海岸带地区尤为 严重。显然，各类水域(江、河、湖、近海海洋)污水中石油类污染物(以 下称为矿物油)有效监测和管理，尤其是发展实时动态监测技术具有重大 社会意义和经济价值。

目前对水体石油类污染物测量常用的方法有浊度法、超声法、光散射 法、重量法、非色散红外吸收法、红外分光光度法、色谱法、荧光法。其 中浊度法、超声法、光散射法只对水体中的分散油起作用，因为它们检测 不到溶解于水中的低浓度石油烃。重量法灵敏度不高，而且会造成低沸点 烷烃的损失。非色散红外吸收法由于矿物油成分(烷烃、环烷烃和芳香烃 中含有分别在2930cm-1(＝CH₂中C-H伸缩振动)，2960cm-1(-CH₂中C-H 伸缩振动)，3030cm-1(芳香环中C-H伸缩振动)处有吸收带的不同组分， 若这些组分的相对值发生变化，用只在某一波数处进行测量的非色散红外 吸收法显然难以测准。红外分光光度法由于可同时或顺序测量上述三个波 数处的吸光度(即A2930，A2960，A3030)，且在这三个波数处干扰小，可 容易地通过适当计算求得矿物油的总浓度，因而可以避免上述大多数缺点， 但是此法需要使用比色皿做透射式测量，需要进行样品采集，并且往往需 要萃取步骤，仅适于实验室分析，不适合于在线监测。色谱法虽然可对多 个组分加以测定，但是操作步骤繁琐，费时、费事。荧光法利用紫外光源 作为激发光源，可以方便地实现对石油类污染物的在线、非接触式测量， 是极具发展潜力的新方法。但目前激发光源大都采用白光分光的方法来实 现，荧光激发效率不高；且探测手段往往采取直接探测的方案，探测信噪 比较低。

发明内容：

针对现有技术中存在荧光激发效率不高、探测信噪低等不足之处，本 发明要解决的技术问题在于提供一种具有荧光激发效率高和探测信噪比好 的石油类污染物浓度探测系统，本发明的另一目的在于提供一种利用本发 明所述的石油类污染物浓度探测系统检测石油类污染物浓度的检测方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种石油类污染物探测系统，其特征在于包括发射单元、接收单元、参 考单元和信号处理单元；其中：所述发射单元发射激光信号，由输出端输出 为透射光信号和反射光信号；所述参考单元的输入端接受该发射单元发射 的透射光信号，所述参考单元的输出端连接所述信号处理单元的输入端；

所述发射单元的反射光信号照射并激发样品池中的样品产生荧光信号， 所述接收单元位于样品池旁接收该荧光信号并对所述的荧光信号进行处 理，所述接收单元的输出端连接所述信号处理单元。

所述发射单元包含顺次同轴放置的激光器、斩波器和分光镜，其中所述 激光器的激发光源采用激光二极管。

所述接收单元包括光阑、滤光片、探测器和壳体，其中壳体中同轴开有 三个通透的孔，所述孔中顺次放置光阑、滤光片和探测器，所述光阑位于 所述接受单元的输入端，所述探测器位于所述接受单元的输出端。

所述滤光片采用中心波长为500hm-800nm的带通滤光片。

所述光阑为直径Φ1-12mm连续可变可调光阑。

所述接收单元的探测器为光电倍增管。

所述信号处理单元包括锁相放大器和上位机，其中该锁相放大器的输入 端连接所述接收单元的输出端，该锁相放大器的输出端连接上位机的输入 端，所述锁相放大器的参考信号输入端连接发射单元的斩波器。

所述参考单元包括参考探测器，所述参考探测器为光电倍增管。

所述激发光源所发射的激光的中心波长为405nm或355nm。

所述样品池为实验室器皿或室外开放液面，与探测系统为非接触式。

所述石油类污染物探测系统用于原油、柴油、汽油、润滑油或其他烃类 燃料油探测。

一种使用所述的石油类污染物探测系统的检测方法，包括：

发射单元的激光二级管发射激光，经过斩波器调制为“交流”信号，经 分光镜输出为透射光和反射光；

透射光进入参考单元的探测器中，探测器光信号转换为电信号传送至信 号处理单元的上位机中；

反射光照射到样品池，激发样品产生荧光信号，接收单元采集荧光信号， 经由光阑调节荧光信号的光通量，通过滤光片滤除荧光信号中背景信号的 干扰，经探测器输出至锁相放大器；

锁相放大器将荧光信号进一步放大后输入至上位机；

上位机将锁相放大器信号与参考单元的输出信号进行比较运算，以消除 光源波动带来的影响；

锁相放大器的输出信号、参考单元的输出信号输入至上位机中，以此计 算出石油类污染物的浓度。

本发明具有如下的积极效果及优点：

1.本发明采用激光二极管作为激发光源，具有体积小巧，激发效率高 的优点。

2.本发明采用斩波器对发射光源进行调制，而非直接探测，可以有效 提高探测信噪比。

3.本发明设置有参考单元光源，可以有效消除光源波动带来的影响。

4.本发明接收单元采用不锈钢壳体形成一体化，不透光，且抗电磁干 扰能力强。

5.本发明利用锁相放大器实现对弱信号的放大处理，极大地提高了探 测信噪比。

6.本发明采用激光诱导荧光测量技术，避免了实验室分析带来的繁琐， 操作简单、省时、探测信噪比高，几乎不用维护，且不易受到外界干扰， 使用方便。

附图说明

图1为本发明探测系统的结构框图；

图2为本发明探测系统的结构示意图；

图3为本发明探测系统的探测单元结构示意图；

图4为采用本发明探测系统测量结果示意图；

其中：

1、激光器；2、斩波器；3、分光镜；4、滤光片；5、探测器；6、参 考探测器；7、光阑；8、锁相放大器；9、计算机；10、样品池；501、倍 增管高压模块；502、倍增管接收窗体；503、第1不锈钢壳体；504、第2 不锈钢壳体；505、第3不锈钢壳体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明。

如图1-2所示，石油类污染物探测系统包括发射单元、接收单元、参 考单元、信号处理单元，所述发射单元包括顺次同轴放置的激光器1、斩波 器2、分光镜3，其中激光器1采用激光二极管作为激发光源，激光二极管 所发射的激光的中心波长为405nm，也可选其它中心波长的激光光源，例如 中心波长355nm的激光光源。所发射的激光经过斩波器2调制为1kHz的 “交流”信号，再经分光镜3分光为能量各占一半的透射光和反射光，其 中透射光进入参考单元，参考单元的信号输出端通过ISA采集卡连接信号 处理单元的信号输入端，反射光照射到样品池10中的样品上，激发样品产 生荧光信号，接收单元邻近样品池10接收产生的荧光信号，其中接收单元 的信号输出端连接信号处理单元的信号输入端。

所述信号处理单元由锁相放大器8和上位机9组成，其中锁相放大器8 的信号输入端连接接收单元的信号输出端，锁相放大器8的输出端通过GPIB 采集卡连接上位机的输入端，GPIB采集卡的型号为PCI-82350B，用于实现 锁相放大器与上位机之间的通讯。锁相放大器8的参考信号输入端连接发 射单元的斩波器2，经过斩波器2调制后的信号还通过信号线输入至锁相放 大器8的参考信号输入端作为锁相放大器8的参考信号。

参考单元包括参考探测器6，本实施例中参考探测器6采用光电倍增管 对输入的光信号转变为电信号，并通过ISA采集卡传送至信号处理单元的 上位机9，ISA采集卡采用的型号PCL-711S，参考探测器6型号为滨松CR114。

如图3所示，本发明的探测系统的接收单元包括光阑7、滤光片4、探 测器5和壳体；其中壳体中同轴开有三个相通透的孔，孔中顺次放置光阑7、 滤光片4和探测器5，光阑7位于接受单元的输入端，探测器5位于所述接 受单元的输出端，用于放置光阑7的孔与外界相通以便于接收光信号，用 于放置探测器5的孔与外界是封闭状态，用于增加不透光性和抗电磁干扰 性。探测器5采用光电倍增管，该光电倍增管由倍增管高压模块501、倍增 管接收窗体502组成，位于接收单元的输出端，光阑7位于接收单元的接 收端，来自样品池的荧光信号首先通过光阑7进入到接收单元，滤光片4 位于光阑7和探测器5之间，用于滤除荧光信号的背景信号的干扰；壳体 为不锈钢材料，由第1不锈钢壳体503、第2不锈钢壳体504和第3不锈钢 壳体505，依次通过螺纹紧密连接在一起集成为一体化。采用不锈钢壳体加 工使整个接收单元不透光，并具有抗电磁干扰的作用，接收单元的探测器5 的型号为滨松CR131。

本发明实施例在工作时，发射单元的激光二极管发射激光，经过斩波 器2调制为“交流”信号，经分光镜3输出分为透射光和反射光两路，其 中透射光和反射光的能量各占一半，透射光进入参考单元的探测器6中， 探测器6将光信号转换为电信号并经过ISA采集卡传送至信号处理单元的 上位机9中；经斩波器2调制成的“交流”信号还通过信号线输入至锁相 放大器8的参考信号输入端作为锁相放大器8的参考信号；由分光镜3分 出的反射光照射到样品池10中的样品上，激发样品产生荧光信号，接收单 元采集来自样品的荧光信号，首先通过光阑7进入接收单元，本实施中光 阑7为直径Φ1-12mm连续可变可调光阑，根据需要通过调节光阑7调节荧 光信号的光通量，经过调节的荧光信号通过滤光片4滤除荧光信号中的干 扰背景信号，本实施例中滤光片4采用中心波长为500nm-800nm的带通滤 光片4，去除干扰信号的荧光信号经探测器5输入至锁相放大器8中，锁相 放大器8将微弱的荧光信号进行相敏检波、放大后输入至上位机9；上位机 9负责锁相放大器8的输出信号、参考单元的输出信号的采集，进一步将锁 相放大器8信号与采集的参考单元的输出信号进行比较运算以消除光源波 动带来的影响。上位机9处理采集的信号，经过软件分析计算出水中石油 类污染物的浓度。本发明实施例中，根据上位机处理采集的信号，采用 visualBasic编写上位机软件，通过线性回归方法分析计算出水中石油类污 染物的浓度。

本实施例中以-10#柴油为样品，中心波长为405nm的激光二极管作为 激光光源对石油样品测量不同浓度的石油类污染物，测量结果见图4，横坐 标表示油类污染物的浓度，纵坐标表示相对光强度，从测量结果看，石油 类污染物的浓度与荧光强度之间存在良好的线性关系，可以作为浓度监测 的依据。

本发明石油类污染物探测系统采用激光作为激发光源，设置参考单元 用以消除光源波动带来的影响，采用斩波器实现对入射光的调制，通过锁 相放大技术实现对弱荧光信号的放大。整个测量系统测量方便，可以实现 石油类污染物的实时、非接触监测，灵敏度高、可靠性高检测，可作为船 载、机载设备，为水体环境监测提供有力的技术手段。