SPR-小型化海上溢油实时在线检测系统研制

发布时间：2020-07-03 15:02

【摘要】：近年来,海洋溢油事故的频发不仅严重污染海洋生态环境,而且制约着海洋经济的发展。我国是海洋大国,正在融合遥感、紫外荧光、漂流浮标等多种监测手段逐步建立和完善海洋溢油监测体系。但是,多数大型监测设备仍然依赖于进口,成本较高,难以全面推广,且该类设备监测效果均易受天气因素影响;而国内自主研发的漂流浮标技术则更多地用于追踪溢油轨迹,对突发的小面积溢油响应速度慢,缺乏预警实效性。表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感技术具有灵敏度高、检测迅速、耗费样品较少、可实时在线监测等特点,具备实现早期小面积溢油检测的潜力,在环境监测领域有着广泛的需求和实用意义。目前,国内将SPR传感技术应用在溢油检测方面尚属空白,且在SPR仪器小型化方面尚不成熟,因此本课题具有很大的研究价值和现实意义。本研究旨在防止重大溢油事故的发生,以减小对海洋经济和海洋生态环境的危害。为实现海上溢油的早期监测以避免溢油污染造成的严重影响,在与传统的溢油监测方式对比后,本文结合SPR传感技术的优势提出了Kretschmann棱镜型耦合结构下的SPR-小型化海上溢油实时在线检测系统的设计构想,以达到对溢油早预警、早定位、早处理的目的。首先,系统方案中详细论述了整体设计理念,确定采用非扫描、宽角度方式入射的角度调制模式下的四层Kretschmann棱镜型耦合结构作为系统的传感结构,并提出了预期指标。其次,使用MATLAB仿真软件对该结构中的各传感组件进行参数仿真,包括棱镜、光源、金属膜、各组件相对位置等,为传感组件的制备和实验装置的搭建提供了有力的数据支持。然后,开展了对SPR小型溢油检测实验装置的研制工作,根据装置的总体设计方案,认真地研究并设计了各功能结构,包括光路结构、硬件电路、软件操作界面以及机械结构,依据仿真结果和各功能结构设计,研制出了SPR小型溢油检测实验装置。最后,通过本装置对不同折射率样品进行检测实验,并将实验结果与仿真结果进行对比分析,结果表明,本系统对折射率在1.4-1.55范围内的蔗糖溶液的检测灵敏度达到9.017×10-5RIU,与理论仿真同数量级,具有较高的检测灵敏度,验证了实验装置的有效;原油的检测结果符合SPR响应趋势,验证了系统设计方案的可行。综上所述,本研究为实现SPR-小型化海上溢油实时在线检测系统的实际应用提供实验支持和技术积累。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE95
【图文】：

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SPR），是一种物理光学现象。如图 2.1 所示为光激发产，一束单色光由光密介质0n 入射到光疏介质2n （折射率，0n大于临界角时，在界面处发生全反射。若两介质界面之间镀有1n （如金、银等），则在发生全反射条件下，入射光的 P 偏振Evanescent Wave）的形式透过导电金属层到达光疏介质层，消中的自由电子并与之相互作用发生电子振荡，生成表面e Plasmon Wave，SPW）[41]。改变光线入射角度或入射波长，当射光波矢水平分量xk 与 SPW 固有传播波矢量spwk 满足xspk k 发生共振，能量被金属导电层中的电子大量吸收，检测到的，此时从响应曲线中可以看到一个吸收尖峰，即为共振吸收峰射角为 SPR 共振角。SPR 传感器对外界折射率的变化非常随待测样品的折射率变化而变化。

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第 2 章基于 SPR 传感技术原理的溢油检测总体方案设计金属薄膜的材质、厚度等都有关系[42]。SPR传感技术就是以此为基础通过分析SPR响应曲线中包含的共振峰位置及对应的共振角度等信息来检测待测介质的物理量，而选择合适的传感组件（如光源、棱镜、金属膜、线阵 CCD 等）参数对于提高检测精度和仪器灵敏度至关重要[43]。SPR-小型化海上溢油实时在线检测系统正是基于 SPR 原理提出的设计思想，并将其用于实现早期小面积溢油实时监测。通过前期学习、分析表面等离子共振模型，进行传感结构仿真，选取最优参数组合进行传感组件制备，搭建实验平台、进行实验数据分析可为后续系统样机的研制提供理论依据。如图 2.2 为SPR 溢油检测基本形式示意图。

【参考文献】