中心議題：

• 探究近紅外光電傳感的溢油監測係統設計與實現
• 近紅外光譜分析技術及其優點

解決方案：

• 采用近紅外光作為探測光源

• 結合以單片機為主的數據采集模塊

0 引言

近年來，由於我國海洋石油勘測及開采規模不斷擴大，海上石油運輸日益繁忙，因石油開采、運輸
、存儲以及其它原因造成海洋突發性溢油事件的發生幾率不斷增加。據統計，1973～2008年底，我國沿海共發生船舶溢油事故3000多起，其中50 t以上重大船舶溢油事故69起
，總溢油量37077 t

，年均2起
，平均每起事故溢油量537 t
，在對海洋環境造成了極大的傷害同時嚴重的影響了沿海居民生活 。

當dang前qian對dui於yu海hai麵mian溢yi油you的de傳chuan統tong檢jian測ce方fang法fa有you航hang空kong遙yao感gan和he衛wei星xing遙yao感gan，但dan是shi二er者zhe均jun存cun在zai著zhe不bu同tong的de問wen題ti
，航hang空kong遙yao感gan監jian測ce不bu具ju有you實shi時shi性xing，衛wei星xing遙yao感gan對dui於yu小xiao範fan圍wei汙wu染ran具ju有you不bu準zhun確que性xing等deng缺que點dian
，因yin此ci，研yan究jiu和he設she計ji一yi種zhong能neng實shi時shi

、準確地監測海麵漂浮溢油的係統對保護海洋環境資源具有重要意義。鑒於近紅外光譜分析技術具有速度快
、成本低、無汙染
、不(bu)破(po)壞(huai)樣(yang)品(pin)等(deng)優(you)點(dian)以(yi)及(ji)在(zai)純(chun)品(pin)油(you)鑒(jian)別(bie)中(zhong)的(de)成(cheng)功(gong)應(ying)用(yong)
，設(she)計(ji)了(le)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)吸(xi)收(shou)技(ji)術(shu)的(de)溢(yi)油(you)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)。該(gai)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)作(zuo)為(wei)探(tan)測(ce)光(guang)源(yuan)結(jie)合(he)以(yi)單(dan)片(pian)機(ji)為(wei)主(zhu)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)，對(dui)近(jin)海(hai)海(hai)麵(mian)進(jin)行(xing)在(zai)線(xian)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)，對(dui)於(yu)保(bao)護(hu)近(jin)海(hai)海(hai)域(yu)的(de)環(huan)境(jing)安(an)全(quan)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)。

1 近紅外光譜分析技術及其優點

近紅外光（NIR）是指介於可見光和紅外光之間的一種電磁波，波長在780～2 526 nm範(fan)圍(wei)內(nei)
，是(shi)人(ren)們(men)最(zui)早(zao)發(fa)現(xian)的(de)一(yi)種(zhong)非(fei)可(ke)見(jian)光(guang)。近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)分(fen)子(zi)振(zhen)動(dong)的(de)非(fei)諧(xie)振(zhen)性(xing)使(shi)分(fen)子(zi)振(zhen)動(dong)從(cong)基(ji)態(tai)向(xiang)高(gao)能(neng)級(ji)躍(yue)遷(qian)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)。一(yi)般(ban)有(you)機(ji)物(wu)在(zai)該(gai)區(qu)域(yu)的(de)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)吸(xi)收(shou)主(zhu)要(yao)是(shi)OH
、C和NH的(de)倍(bei)頻(pin)和(he)合(he)頻(pin)吸(xi)收(shou)
，幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)有(you)機(ji)物(wu)的(de)主(zhu)要(yao)結(jie)構(gou)和(he)組(zu)成(cheng)都(dou)可(ke)以(yi)在(zai)它(ta)們(men)的(de)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)中(zhong)找(zhao)到(dao)信(xin)號(hao)，且(qie)譜(pu)圖(tu)穩(wen)定(ding)。後(hou)來(lai)研(yan)究(jiu)者(zhe)發(fa)現(xian)

，物(wu)質(zhi)的(de)含(han)量(liang)與(yu)近(jin)紅(hong)外(wai)區(qu)內(nei)多(duo)個(ge)不(bu)同(tong)的(de)波(bo)長(chang)點(dian)吸(xi)收(shou)峰(feng)呈(cheng)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)，因(yin)此(ci)開(kai)始(shi)利(li)用(yong)該(gai)技(ji)術(shu)來(lai)測(ce)定(ding)一(yi)些(xie)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)物(wu)質(zhi)含(han)量(liang)。由(you)於(yu)有(you)機(ji)物(wu)如(ru)油(you)類(lei)都(dou)含(han)有(you)OH、C和NH基團，因此近紅外技術被不斷應用於油類的配置與檢測。

不同於傳統的光譜分析技術，近紅外光譜技術的應用具有優點為：（1）分析速度快，測量過程大多可在1 min內完成；（2）分析效率高
，通過一次光譜測量和已建立的相應校正模型，可進行無限多樣品多組分的連續測定；（3）分析成本較低，節省費用

，且不汙染環境；（4）適用樣品範圍廣
，通過相應的測樣附件可以直接測量液體
、固體、半固體和膠體等不同物態的樣品；（5）樣品一般不需預處理，不需使用化學試劑或高溫、高壓、大電流等測試條件，一般可以達到無損測定；（6）操作簡單方便，使用安全，對操作人員要求不很高。
[page]
2 近紅外吸收型光電傳感器的結構設計

2．1 光電傳感係統結構圖

係(xi)統(tong)要(yao)求(qiu)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)探(tan)測(ce)部(bu)分(fen)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)
，且(qie)實(shi)時(shi)性(xing)高(gao)，即(ji)需(xu)要(yao)對(dui)待(dai)測(ce)海(hai)水(shui)進(jin)行(xing)連(lian)續(xu)不(bu)間(jian)斷(duan)的(de)在(zai)線(xian)測(ce)量(liang)，因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)近(jin)紅(hong)外(wai)LED作zuo為wei光guang源yuan。光guang源yuan發fa出chu的de近jin紅hong外wai光guang經jing過guo光guang學xue鏡jing組zu選xuan擇ze得de到dao對dui溢yi油you具ju有you特te征zheng吸xi收shou的de分fen析xi光guang，經jing透tou射she與yu樣yang品pin室shi的de樣yang品pin發fa生sheng相xiang互hu作zuo用yong，然ran後hou進jin入ru光guang電dian探tan測ce器qi
，將jiang光guang信xin號hao轉zhuan換huan為wei電dian信xin號hao，從cong而er實shi現xian對dui樣yang品pin成cheng分fen的de檢jian測ce見jian圖tu1所示。 2．2 光源特征波長的選取

光guang路lu部bu分fen是shi利li用yong近jin紅hong外wai光guang透tou射she吸xi收shou原yuan理li來lai對dui水shui中zhong的de含han油you量liang進jin行xing在zai線xian監jian測ce

，因yin此ci要yao求qiu光guang源yuan的de光guang譜pu特te性xing位wei於yu近jin紅hong外wai區qu
，采cai用yong的de特te定ding波bo長chang的de近jin紅hong外wai光guang作zuo為wei光guang源yuan，並bing且qie考kao慮lv到dao設she計ji最zui終zhong將jiang以yi浮fu標biao的de形xing式shi封feng裝zhuang並bing且qie要yao長chang期qi的de投tou放fang到dao海hai麵mian上shang，而er海hai麵mian環huan境jing較jiao為wei惡e劣lie，所suo以yi

，要yao求qiu該gai光guang源yuan的de體ti積ji小xiao、機械強度高、穩定性強
，因此選用近紅外LED作為光源器件。為了更加準確的選取特定峰值的LED，以達到準確測量


，自行配置了不同濃度的水油混合物來模擬海麵溢油，采用MPA近紅外光譜儀對所配置的樣品進行光譜采集來確定選取峰值。

儀器與試劑：MPA近紅外光譜儀，汽油
，煤油樣品配置：在秦皇島海域采取一定量的海水
，分別移取100
、200
、300、500 的汽油
、煤油到100 mL的海水中，充分搖勻、靜置使得樣品能夠模擬溢油在海水中的分散狀況。

用近紅外光譜儀對所製備的樣品進行圖譜采集，記錄樣品波數8 000—12 000 cm 區域內的煤油、汽油吸收曲線見圖2。 從圖2可以看出在波數在8 300—8 500 cm 區域，煤油、汽油均有一明顯的吸收峰
，並且隨著樣品濃度的增加水油混合物的吸收峰逐漸向純油的峰值靠近，經計算該峰值大約在1 190nm，用特征峰值相近的LED作為發光部分的光源。