本發(fā)明專利涉及水體污染檢測領域，尤其涉及環(huán)境光學檢測技術(shù)領域，具體為基于拉曼光譜測量的水體油膜厚度測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

近年來，伴隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的江河、湖泊以及海洋環(huán)境水體也遭受了嚴重的破壞。水體污染不但會損害生物資源，也會危害人類健康。其中，水體油污染已經(jīng)十分突出。對于溢油油膜厚度的估算，國際上通常采用《波恩協(xié)議》中的建議。其基本原理是，溢油污染物會影響水體的光譜反射率與發(fā)射率，油膜的顏色隨著油膜的種類與厚度發(fā)生變化，在可見光波段內(nèi)探測油膜的反射光譜從而得到油膜厚度信息。用此種方法對厚度的大致估算，誤差較大，主觀因素強。

光譜檢測技術(shù)是一種新興的無損檢測技術(shù)，因其具有簡單、快速、實時分析等優(yōu)點而備受關注。但是目前尚無采用拉曼光譜測量水體油膜厚度的測量裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明填補基于拉曼光譜測量水體油膜厚度技術(shù)的空白，提高環(huán)境保護部門對水體油膜厚度的監(jiān)測技術(shù)水平，為水體污染提供有力的數(shù)據(jù)支持。本發(fā)明提供一種基于拉曼光譜測量的水體油膜厚度測量方法及裝置，具體技術(shù)方案如下：

一種基于拉曼光譜測量的水面油膜厚度測量方法，將水體和石油烴類污染物拉曼信號的峰高比作為油膜厚度計算因子，在一定的油膜厚度范圍內(nèi)，油膜厚度計算因子與油膜厚度呈線性關系；通過測量計算因子反演出水體表面油膜厚度。

本發(fā)明進一步公開了一種基于拉曼光譜測量的水面油膜厚度測量裝置，包括三維調(diào)整模塊、三維調(diào)整支架和密封外殼，密封外殼內(nèi)設置有光源控制電路、探測單元和信號處理傳輸單元；

所述探測單元包括激發(fā)光源、入射光纖、探頭、接收光纖、光譜采集模塊和距離測量模塊；

所述信號處理傳輸單元包括光譜處理模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口。

外部上位機通過數(shù)據(jù)傳輸接口與光源控制電路相連，通過上位機控制光源控制電路工作，從而控制激發(fā)光源輸出激發(fā)光；激發(fā)光通過入射光纖傳輸至探頭后到達被測樣品，激發(fā)的拉曼光譜信號經(jīng)探頭由接收光纖傳輸至光譜采集模塊進行光譜采集；光譜采集模塊采集的拉曼信號經(jīng)光譜處理模塊對光譜信號進行處理，處理后的光譜信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后由數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至上位機進行顯示。

光源控制電路含有穩(wěn)壓模塊；激發(fā)光源選用532nm激光作為光源。

三維調(diào)整模塊根據(jù)距離測量模塊測量的探頭頂端與水體之間的距離調(diào)整裝置的位置，通過三維調(diào)整支架調(diào)整探頭頂端與水體之間的距離，保證探頭頂端與水體之間每次測量距離的統(tǒng)一。

所述探頭內(nèi)部設置有開關和透鏡。

本發(fā)明的優(yōu)點：

本發(fā)明的基于拉曼光譜測量的水體油膜厚度測量裝置采用測量激發(fā)的拉曼光信號反演水體油膜厚度，可實現(xiàn)對水體油膜厚度的直接測量，檢測速度快，避免繁瑣的步驟，同時不需要化學試劑，對水質(zhì)本身沒有影響。探頭內(nèi)部設計有開關及透鏡，當無需測量時可通過開關關閉輸出激發(fā)光，測試時打開開關，可有效避免激光長期輸出對人眼的傷害；探頭頂端設計透鏡將激發(fā)光信號聚焦于待測樣品表面，可有效提高激發(fā)拉曼信號。快速、精確了解水體表面油膜厚度可提高環(huán)境部門快速掌握水體表面油膜變化情況，為有效檢測水體油膜厚度提供有力的技術(shù)支撐。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖1中：1、數(shù)據(jù)傳輸接頭；2、外殼；3、光源控制電路；4、激發(fā)光源；5、入射光纖；6、探頭；7、三維調(diào)整模塊；8、距離測量模塊；9、接收光纖；10、光譜采集模塊；11、光譜處理模塊；12、光電轉(zhuǎn)換模塊；13、數(shù)據(jù)處理模塊；14、三維調(diào)整支架。

圖2是本發(fā)明裝置探頭結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2中：5、入射光纖；6、探頭；601、開關；602、透鏡；9、接收光纖。

圖3是本發(fā)明實施例水體表面90號汽油油膜厚度測量曲線。

具體實施方案

圖1所示一種基于拉曼光譜測量的水體油膜厚度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括三維調(diào)整支架14和密封外殼2，所述外殼2內(nèi)設置有光源控制電路3、探測單元和信號處理傳輸單元。

所述三維調(diào)整模塊7與三維調(diào)整支架14組成三維調(diào)整單元；三維調(diào)整支架可采用由伺服電機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，伺服電機由三維調(diào)整模塊控制，該技術(shù)為通用技術(shù)，在此不再贅述。

所述探測光學單元包括激發(fā)光源4、入射光纖5、探頭6、接收光纖9、光譜采集模塊10和距離測量模塊8；

所述信號處理傳輸單元包括光譜處理模塊11、光電轉(zhuǎn)換模塊12、數(shù)據(jù)處理模塊13和數(shù)據(jù)傳輸接口1。

其中：

所述光源控制電路3含有穩(wěn)壓模塊，從而保證激發(fā)光源4輸出穩(wěn)定的激發(fā)光。其中，激發(fā)光源4選用532nm激光作為光源。

所述三維調(diào)整單元包括三維調(diào)整模塊7和三維調(diào)整支架14，三維調(diào)整單元根據(jù)距離測量模塊8測量的探頭頂端與水體之間的距離調(diào)整裝置的位置，從而調(diào)整探頭頂端與水體之間的距離。

圖2所示一種基于拉曼光譜測量的水體油膜厚度測量裝置的探頭結(jié)構(gòu)示意圖，包括入射光纖5、探頭6、探頭6、透鏡602和接收光纖9。所述探頭6內(nèi)部設置有開關601及透鏡602，當更換待測樣品7時可通過開關601關閉輸出激發(fā)光，測試時打開開關601，可有效避免激光長期輸出對人眼的傷害；探頭6頂端設計透鏡602將激發(fā)光信號聚焦于待測樣品表面，可有效提高激發(fā)拉曼信號。

外部上位機通過數(shù)據(jù)傳輸接口與光源控制電路相連，通過上位機控制光源控制電路工作，從而控制激發(fā)光源輸出激發(fā)光。激發(fā)光通過入射光纖傳輸至探頭后到達被測樣品激發(fā)拉曼光譜信號，激發(fā)的拉曼光譜信號經(jīng)探頭由接收光纖傳輸至光譜采集模塊進行光譜采集。光譜采集模塊采集的拉曼信號經(jīng)光譜處理模塊對光譜信號進行處理，處理后的光譜信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后由數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至上位機進行顯示。

圖3本發(fā)明實施例水體表面90號汽油油膜厚度測量曲線。橫坐標是代表油膜厚度，縱坐標代表油膜厚度計算因子(水的拉曼位移與油的拉曼位移的拉曼峰峰高比I_water/I_oil)。該曲線很好的反映了水體表面油膜厚度與水的拉曼位移與油的拉曼位移的拉曼峰強度比值呈線性關系。該裝置可應用于0～60μm范圍內(nèi)水體表面的油膜厚度的測量。

本發(fā)明的光源控制電路3、三維調(diào)整模塊7、距離測量模塊8、光譜采集模塊10、光譜處理模塊11、光電轉(zhuǎn)換模塊12、數(shù)據(jù)處理模塊13、均可采用市購產(chǎn)品，如本發(fā)明專利的距離測量模塊選用IFM Electronics UGT504超聲波傳感器進行測量；光譜采集模塊、光譜處理模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊選用海洋光學HR4000；數(shù)據(jù)處理模塊采用研華PCM-3363。

本發(fā)明的原理是：

當光作用于樣品上時候，樣品分子會使入射光發(fā)生散射。產(chǎn)生的散射光中有一部分散射光的頻率發(fā)生了變化，稱之為拉曼散射，散射光與入射光之間的頻率差稱之為拉曼位移。不同的物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼位移不同。本發(fā)明裝置測量的是水體表面的油膜厚度，待測樣品的主要成分為水和油。根據(jù)油膜厚度計算因子可對水體表面的油膜厚度進行定量分析。在一定的油膜厚度范圍內(nèi)，油膜厚度計算因子與油膜厚度呈線性關系。通過測量油膜厚度計算因子可以反演出水體表面油膜厚度。