一种基于三光源的水中油原位检测装置、方法及用途

本发明属于环境监测与光学检测，涉及一种基于三光源的水中油原位检测装置、方法及用途。

背景技术：

1、在石油化工、海洋工程及环境监测等领域，水体中油类污染物的实时原位检测对生产安全与生态保护具有重要意义。水中油的存在不仅会污染水体环境，还可能对设备运行、工艺流程及产品质量造成不良影响。因此，开发高效、准确、可实现在线监测的水中油检测方法成为一项重要需求。

2、目前，常见的水中油检测方法包括紫外荧光法、红外吸收法、激光散射法等。这些方法在实际应用中仍存在一定局限性：例如，基于单一光源或单一光学模式的检测系统，往往因油品成分复杂、水体背景干扰、油滴粒径分布不均等因素，导致检测灵敏度低、稳定性差或适应性不足。此外，传统方法多依赖于离线采样与实验室分析，难以实现真正意义上的原位、实时、连续监测，无法满足现代工业中对快速响应与智能化管理的需求。

3、目前，现有技术中已出现针对上述问题的改进方案，但仍存在明显缺陷。例如，现有技术中采用紫外光源和红外光源分别测量绝缘油荧光和海水浊度，并通过浊度信息对荧光信号强度进行校正。然而，该方案仍存在以下实质性缺陷：第一，其浊度校正采用红外散射光测量浊度，对于含有色溶解有机物（cdom）的水体，有色物质会同时吸收紫外和可见光，导致红外散射法无法校正由有色物质引起的荧光衰减；第二，该方案仅能检测单一类型的绝缘油（烷基苯），无法区分矿物油与动植物油；第三，该对比文件未设置时序交替控制机制，存在多光源同时工作时的光谱串扰问题。

4、因此，更需发展一种能够适应复杂水体环境、具备多参数同步获取能力、并可在实际工况下稳定运行的水中油原位光学检测技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中背景干扰消除不彻底、油类区分能力弱及长期稳定性差的问题，提供了一种基于三光源的水中油原位检测装置、方法及用途，该方法通过集成254nm紫外光、430nm可见光与2930cm-1红外光三种不同波段与特性的光源，并结合三维光路微调、浊度自适应时序控制、实时基线校正及窗口自清洁等协同策略，实现对水中油类污染物的高精度、高可靠性识别与定量分析，同时有效区分矿物油与动植物油，满足原位、实时、长期稳定监测的工程需求。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，提供一种基于三光源的水中油原位检测装置，包括光学模块、样品流通与反应模块、机械结构与集成模块和分析处理模块。

4、具体而言，光学模块用于产生检测光线并接收经被测水样作用后的光学信号，包括发光单元和探测单元；

5、样品流通与反应模块用于引导被测水样流通并提供光与样品的相互作用空间，包括检测腔体和密封盖板，所述检测腔体用于形成限定的光路通道与样品流道，所述密封盖板用于密封所述检测腔体以构成封闭的光学反应环境；

6、机械结构与集成模块用于承载、固定并集成各功能模块，包括主支撑结构和顶部安装调平接口，所述主支撑结构用于固定安装所述光学模块和所述样品流通与反应模块，所述顶部安装调平接口用于将整个装置连接至外部支撑体；

7、分析处理模块与所述光学模块电性连接，用于根据所述探测单元转换的电信号，基于可见光吸收度实时校正紫外荧光信号与红外吸收信号的基线漂移，并分析得到水中油的种类与浓度信息；

8、其中，所述发光单元包括紫外光源单元、可见光源单元和红外光源单元，分别用于向所述检测腔体内的被测水样发射紫外光、可见光和红外光；所述探测单元用于接收所述紫外光激发所述检测腔体内被测水样中油类物质产生的荧光信号、所述可见光经所述检测腔体内被测水样吸收后的透射光信号、以及所述红外光经所述检测腔体内被测水样吸收后的透射光信号，并将其转换为电信号。

9、进一步地，所述紫外光的波长为254nm，所述可见光的波长为430nm，所述红外光的波数为2930cm-1。

10、进一步地，所述分析处理模块根据所述探测单元转换的电信号，调用预存的光谱数据库，将接收到的荧光光谱特征、可见光吸收度与红外吸收峰特征与数据库中不同油类的标准光谱特征进行拟合比对，识别出油类种类，并根据荧光强度、可见光吸收度与红外光吸收强度，结合预标定的浓度曲线，计算出对应油类的浓度。

11、更进一步地，所述紫外光源单元、所述可见光源单元和所述红外光源单元按预设时序交替开启，以避免三波段检测光线之间的相互干扰。所述分析处理模块还用于根据所述探测单元在不同时序段采集的电信号，分别提取对应时序段的荧光信号、可见光吸收信号和红外吸收信号，作为所述拟合比对和浓度计算的基础数据。

12、进一步地，所述探测单元包括光电二极管固定板、光电探测器和汇聚透镜，所述光电二极管固定板用于固定所述光电探测器，所述汇聚透镜设置在所述检测腔体与所述光电探测器 之间的光路上，用于将所述检测腔体内被测水样作用后的光线汇聚至所述光电探测器 的感光面；所述汇聚透镜的焦距与所述检测腔体的光路长度匹配，使所述光线精确汇聚至所述光电探测器 的感光面中心；所述光电二极管固定板上还设有遮光罩，所述遮光罩套设于所述探测单元外周，用于屏蔽环境杂散光对探测信号的干扰。

13、进一步地，所述检测腔体由化学惰性材料制成，其内部流道表面具有低吸附性氟碳涂层，且流道采用曲面设计以减少样品残留；所述密封盖板与所述检测腔体之间设有密封圈以实现压力密封。

14、进一步地，还包括自清洁单元，所述自清洁单元设置在所述检测腔体的光学窗口外侧，用于清除附着在所述光学窗口上的污染物；所述自清洁单元包括压电陶瓷片与聚四氟乙烯刮刷，所述压电陶瓷片的振动频率为40khz～100khz。

15、进一步地，所述紫外光源单元、所述可见光源单元和所述红外光源单元均具有对应的调节装置，所述调节装置安装在所述主支撑结构上，用于调节各光源单元的俯仰角度、水平位置和竖直位置中的至少一个，使各光源单元发射的检测光线穿过所述检测腔体的光路通道中心。

16、进一步地，所述主支撑结构为一体化成型的金属框架，其内部设有定位基准面，所述光学模块与所述样品流通与反应模块通过所述定位基准面对位安装；所述装置还包括防护外壳，所述防护外壳用于容纳所述光学模块、所述样品流通与反应模块及所述分析处理模块。

17、第二方面，提供一种基于三光源的水中油原位检测方法，应用于上述装置，所述方法包括以下步骤：

18、s1：将所述检测装置通过顶部安装调平接口固定在待测水体中，使所述样品流通与反应模块与待测水体连通，以使待测水体作为被测水样流入所述检测腔体；

19、s2：控制所述光学模块的发光单元按预设时序交替开启，依次发射紫外光、可见光和红外光至所述检测腔体中的被测水样；

20、s3：通过所述探测单元接收经被测水样中油类物质作用后的光线，并将转换得到的电信号传输至所述分析处理模块；

21、s4：所述分析处理模块根据接收到的电信号，基于可见光吸收度实时校正紫外荧光信号与红外吸收信号的基线漂移，并分析得到水中油的种类与浓度信息。

22、进一步地，步骤s2中，依次发射紫外光、可见光和红外光至所述检测腔体中的被测水样，包括：

23、s21：开启所述紫外光源单元，发射第一波长的紫外光至所述检测腔体中的被测水样，以激发被测水样中油类物质产生荧光，所述第一波长被配置为易激发水中油类产生荧光的波长；

24、s22：关闭所述紫外光源单元后开启所述可见光源单元，发射第二波长的可见光至所述检测腔体中的被测水样，以测量被测水样对该第二波长可见光的吸收度，所述第二波长被配置为易被水中油类吸收的波长；

25、s23：关闭所述可见光源单元后开启所述红外光源单元，发射第三波长的红外光至所述检测腔体中的被测水样，以测量被测水样对该第三波长红外光的吸收度，所述第三波长被配置为对应水中油类特征吸收峰的波长。

26、进一步地，步骤s2还包括：

27、开启所述发光单元前进行光路调节，通过调节装置分别调整所述紫外光源单元、所述可见光源单元和所述红外光源单元的俯仰角度、水平位置和竖直位置中的至少一个，使各波段光线的光路均穿过所述检测腔体的光路通道中心。

28、进一步地，步骤s4中，所述分析处理模块根据接收到的电信号，分析得到水中油的种类与浓度信息，包括：

29、s41：所述分析处理模块调用预存的光谱数据库，将接收到的荧光光谱特征、可见光吸收度与红外吸收峰特征，与数据库中不同油类的标准光谱特征进行拟合比对，识别出油类种类；

30、s42：根据识别出的油类种类，调取对应油类的预标定浓度-信号强度标准曲线，分别基于紫外荧光强度、可见光吸收度及红外特征吸收峰强度计算浓度初始值，再通过加权平均算法融合得到最终的油类浓度值。

31、进一步地，上述方法还包括：

32、s5：在检测装置连续运行过程中，每间隔预设时间控制所述自清洁单元启动一次，清除附着在所述检测腔体光学窗口上的污染物。

33、第三方面，提供了一种上述装置在区分矿物油与动植物油中的用途，根据上述中可见光实时测量水样背景吸收度以校正浊度干扰，结合紫外光激发荧光信号与红外光吸收信号的协同分析，实现对矿物油与动植物油的分类识别；其中矿物油的识别依据为所述紫外光激发下产生荧光信号且所述红外光处有红外吸收峰，动植物油的识别依据为所述可见光的吸收度与所述红外光吸收度的比值大于预设阈值。

34、本发明的三光源水中油原位检测装置，通过集成紫外、可见与红外三波段光源构成发光单元，并配置相应的探测单元，相对于现有技术，至少具有如下优点：

35、1.显著提升复杂水体环境下的检测精度与稳定性：通过可见光吸收度作为实时浊度校正基准，从物理层面消除高浊度、色度变化及悬浮物散射带来的背景噪声，确保在工业循环水、近岸海域等恶劣工况下长期运行时检测信号不发生饱和或失真。

36、2.实现矿物油与动植物油的精准区分：通过构建多维信号比值分类模型，有效解决了单一光学模式无法兼顾芳香烃与非芳香烃类物质识别的技术瓶颈，显著降低了因油品成分复杂导致的假阳性或假阴性风险。

37、3.增强装置的环境适应性与长期免维护能力：集成压电陶瓷超声振动与聚四氟乙烯机械刮刷的复合自清洁单元，配合化学惰性氟碳涂层曲面流道设计，从主动清除与被动防污两个维度抑制生物膜附着、泥沙沉积及样品残留，实现了长期无人值守稳定运行。

38、4.优化检测效率与能耗管理：采用时序交替激发与自适应占空比调控策略，既避免了多光源同时工作时的光谱串扰，又可根据实时浊度反馈动态调整积分时间与光源优先级，单次完整检测周期缩短至秒级。

39、5.实现混合油类分析与智能化监测能力：结合数据存储与远程通信功能，支持检测数据的长期记录与实时上传，满足环境监测智能化管理需求。经实验验证，在0.1mg/l～100mg/l浓度范围内，测量误差可控制在±5%以内。