[发明专利]分层溶液上层液体厚度检测方法

说明书

本发明涉及激光技术。本发明的目的是要解决目前测量两种不相溶液体的上层液体厚度时测量范围较小或系统复杂的问题，提供一种分层溶液上层液体厚度检测方法，其技术方案可概括为：采用检测激光对所需要检测的分层溶液进行照射，获取当前击穿光谱，根据击穿距离、比例系数及所获取击穿光谱中的上层特征元素的特征谱线中的特征峰与下层特征元素的特征谱线中的特征峰的比值计算得出上层液体厚度。本发明的有益效果是：可以大大提高测量分层溶液上层液体的厚度范围，适用于测量分层溶液上层液体的厚度。

技术领域

本发明涉及激光技术，特别涉及基于激光等离子体光谱法的分层溶液上层液体厚度检测技术。

背景技术

目前，在现实中有多种情况下需要测量两种不相溶液体的上层液体厚度，典型的例如油水分离时，以油水分离技术为例，目前已知的油水分离方法有重力式分离、过滤式分离、离心式分离、电分离、吸附分离及膜处理等，油水分离方法的发展也促进油水监测方法的快速发展，而油水监测中很重要的一点就是测量油层厚度，目前利用电导率差异、拉曼光谱法、激光超声遥感、热红外光谱、差分激光三角测量及光纤位移传感器等检测方法，实现了多种方式的油层厚度测量，替代了传统的标尺检测，且易于自动化。

但在实际测量中，由于油品种类的复杂多样，油面的自身属性差异，例如化学组成、折射率、密度、颜色及透光性等，会使得已有测量方式的普适性受到限制。参见“AhmadH,Yasin M,Thambiratnam K,et al.Fiber optic displacement sensor for micro-thickness measurement[J].Sensor Review,2012,32(3):230-235.”，其中，Ahmad,H等提出一种基于光纤的传感器，能够进行3μm以内的微厚度精细测量；参见“Denkilkian,Hovig；Koulakezian,Agop；Ohannessian,Rostom,et al.Wireless Sensor for ContinuoμsReal—Time Oil Spill Thickness and Location Measurement.IEEE TRANSACTIONS ONINSTRμmENTATION AND MEASUREMENT[J].2009.58.4001.”，其中，Denkilkian等人基于油和水的吸收光谱特征和电导率特性的差异，设计了一种能够感应、处理和传输漏油位置和厚度的传感器设备，并讨论了不同光照、盐度、温度和波浪条件下结果的准确性和重复性，适用于cm量级厚度测量；参见“S.Patsayeva,V.Yuzhakov,V.Varlamov,R.Barbini,R.Fantoni,C.Frassanito,A.Palucc.Laser spectroscopy of mineral oils on thewater surface.Proceedings of the 4^th EARSel workshop on Lidar Remote Sensingof Land and Sea.[J]2000.12.1—12.”，其中，S.Patsayeva等利用激光诱发荧光法测量油膜厚度，实现油膜厚度小于10μm的估测；参见“Christian Néron,Padioleau C,Daniel Lévesque,et al.Laser-Ultrasonic Remote Sensing of Oil-on-Water Slick Thickness[C]//Optical Instrumentation for EnergyEnvironmental Applications.2013.”，其中，Christian Néron等人利用激光超声遥感成功测量浮油在水中的厚度，制造1、3、6、12mm油厚环境，最终测量到油面厚度为10.4mm；参见“Besaw L E,Hewitt G F S,Haas J W,etal.Estimating oil layer thickness:a vibrational spectroscopic approach[C]//Spie Defense,Security,Sensing.2013.”，其中，Besaw L E等人利用傅里叶红外光谱法测量五种原油和一种精制油的厚度，发现系统的测量性能随油厚阈值而变化，在100μm效果最佳；参见“Brown C E,Fingas M F.Development of airborne oil thicknessmeasurements[J].Marine Pollution Bulletin,2003,47(9-12):485-492.”，其中，Brown等人研制了激光-超声波油层厚度遥感(LURSOT)传感器，并在实验室进行了一系列测量，可测量250μm～35mm的油层厚度，但该系统体积大，成本高，对天气依赖性强；参见“JannesarM,Jafari G R,Vasheghani Farahani S,et al.Thin film thickness measurement bythe conductivity theory in the framework of Born approximation[J].Thin SolidFilms,2014,562:372-376.”，其中，Jannesar M等通过电导率和形貌参数估计薄层厚度，进行10nm以内的厚度验证；参见“Baozhen G,Jingbin S,Pengcheng L,et al.Designing anoptical set-up of differential laser triangulation for oil film thicknessmeasurement on water[J].Review of Scientific Instruments,2013,84(1):013105.”，其中，Baozhen G等人设计了一种测水上油膜厚度的装置，实现了0.1mm～10mm范围油膜测量，绝对误差小于等于25μm。另外，德国Micro-Epsion公司的optoNCDT系列完成2～750mm的测量任务；日本Keyence公司生产的LJ-G系列2D激光位移传感器，实现8点同时测量和判定，量程5～22mm；美国banner公司生产的LT3、LT7、LG和Q50系列测量范围45～125mm范围。日本OPTEX公司生产的CD5系列测量范围2～400mm。激光差分三角法对于油膜厚度监测精度高，研究成熟，但利用光路测量对油品均匀性依赖大，对于亲水性油品厚度测量以及不透光油品测量误差极大，油膜厚度足够低时，不能够识别油是否存在。