【摘要】：近年來,海洋溢油事故的頻發(fā)不僅嚴(yán)重污染海洋生態(tài)環(huán)境,而且制約著海洋經(jīng)濟的發(fā)展。我國是海洋大國,正在融合遙感、紫外熒光、漂流浮標(biāo)等多種監(jiān)測手段逐步建立和完善海洋溢油監(jiān)測體系。但是,多數(shù)大型監(jiān)測設(shè)備仍然依賴于進(jìn)口,成本較高,難以全面推廣,且該類設(shè)備監(jiān)測效果均易受天氣因素影響;而國內(nèi)自主研發(fā)的漂流浮標(biāo)技術(shù)則更多地用于追蹤溢油軌跡,對突發(fā)的小面積溢油響應(yīng)速度慢,缺乏預(yù)警實效性。表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)傳感技術(shù)具有靈敏度高、檢測迅速、耗費樣品較少、可實時在線監(jiān)測等特點,具備實現(xiàn)早期小面積溢油檢測的潛力,在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有著廣泛的需求和實用意義。目前,國內(nèi)將SPR傳感技術(shù)應(yīng)用在溢油檢測方面尚屬空白,且在SPR儀器小型化方面尚不成熟,因此本課題具有很大的研究價值和現(xiàn)實意義。本研究旨在防止重大溢油事故的發(fā)生,以減小對海洋經(jīng)濟和海洋生態(tài)環(huán)境的危害。為實現(xiàn)海上溢油的早期監(jiān)測以避免溢油污染造成的嚴(yán)重影響,在與傳統(tǒng)的溢油監(jiān)測方式對比后,本文結(jié)合SPR傳感技術(shù)的優(yōu)勢提出了Kretschmann棱鏡型耦合結(jié)構(gòu)下的SPR-小型化海上溢油實時在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想,以達(dá)到對溢油早預(yù)警、早定位、早處理的目的。首先,系統(tǒng)方案中詳細(xì)論述了整體設(shè)計理念,確定采用非掃描、寬角度方式入射的角度調(diào)制模式下的四層Kretschmann棱鏡型耦合結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的傳感結(jié)構(gòu),并提出了預(yù)期指標(biāo)。其次,使用MATLAB仿真軟件對該結(jié)構(gòu)中的各傳感組件進(jìn)行參數(shù)仿真,包括棱鏡、光源、金屬膜、各組件相對位置等,為傳感組件的制備和實驗裝置的搭建提供了有力的數(shù)據(jù)支持。然后,開展了對SPR小型溢油檢測實驗裝置的研制工作,根據(jù)裝置的總體設(shè)計方案,認(rèn)真地研究并設(shè)計了各功能結(jié)構(gòu),包括光路結(jié)構(gòu)、硬件電路、軟件操作界面以及機械結(jié)構(gòu),依據(jù)仿真結(jié)果和各功能結(jié)構(gòu)設(shè)計,研制出了SPR小型溢油檢測實驗裝置。最后,通過本裝置對不同折射率樣品進(jìn)行檢測實驗,并將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,本系統(tǒng)對折射率在1.4-1.55范圍內(nèi)的蔗糖溶液的檢測靈敏度達(dá)到9.017×10-5RIU,與理論仿真同數(shù)量級,具有較高的檢測靈敏度,驗證了實驗裝置的有效;原油的檢測結(jié)果符合SPR響應(yīng)趨勢,驗證了系統(tǒng)設(shè)計方案的可行。綜上所述,本研究為實現(xiàn)SPR-小型化海上溢油實時在線檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供實驗支持和技術(shù)積累。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE95
【圖文】：

SPR），是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。如圖 2.1 所示為光激發(fā)產(chǎn)，一束單色光由光密介質(zhì)0n 入射到光疏介質(zhì)2n （折射率，0n大于臨界角時，在界面處發(fā)生全反射。若兩介質(zhì)界面之間鍍有1n （如金、銀等），則在發(fā)生全反射條件下，入射光的 P 偏振Evanescent Wave）的形式透過導(dǎo)電金屬層到達(dá)光疏介質(zhì)層，消中的自由電子并與之相互作用發(fā)生電子振蕩，生成表面e Plasmon Wave，SPW）[41]。改變光線入射角度或入射波長，當(dāng)射光波矢水平分量xk 與 SPW 固有傳播波矢量spwk 滿足xspk k 發(fā)生共振，能量被金屬導(dǎo)電層中的電子大量吸收，檢測到的，此時從響應(yīng)曲線中可以看到一個吸收尖峰，即為共振吸收峰射角 為 SPR 共振角。SPR 傳感器對外界折射率的變化非常隨待測樣品的折射率變化而變化。

第 2 章 基于 SPR 傳感技術(shù)原理的溢油檢測總體方案設(shè)計金屬薄膜的材質(zhì)、厚度等都有關(guān)系[42]。SPR傳感技術(shù)就是以此為基礎(chǔ)通過分析SPR響應(yīng)曲線中包含的共振峰位置及對應(yīng)的共振角度等信息來檢測待測介質(zhì)的物理量，而選擇合適的傳感組件（如光源、棱鏡、金屬膜、線陣 CCD 等）參數(shù)對于提高檢測精度和儀器靈敏度至關(guān)重要[43]。SPR-小型化海上溢油實時在線檢測系統(tǒng)正是基于 SPR 原理提出的設(shè)計思想，并將其用于實現(xiàn)早期小面積溢油實時監(jiān)測。通過前期學(xué)習(xí)、分析表面等離子共振模型，進(jìn)行傳感結(jié)構(gòu)仿真，選取最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行傳感組件制備，搭建實驗平臺、進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析可為后續(xù)系統(tǒng)樣機的研制提供理論依據(jù)。如圖 2.2 為SPR 溢油檢測基本形式示意圖 。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2739820