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[摘 要]由于船舶舱底水的排放是关乎海洋环境状况和国际的生态平衡。受到各个国家和国际海事组织的高度重视，对舱底水乱排放造成海洋污染的船舶给予高额的罚款惩罚。虽然国际上要求严格，但是随着船舶的航行，舱底水必须要进行排放，但并不是每一次都可以把舱底水排到陆地上，所以在把舱底水排到海洋中时，必须符合一定得标准，一般是小于等于15PPM。在这个时候最重要的部分就是舱底水油份浓度的检测。研究结果表明用光纤去检测舱底水浓度误差在±5PPM，满足其精度要求。并且和其它检测法相比，光纤检测法克服了不少缺点，还有其它检测法没有的优点。
[关键词]光纤；舱底水；传感器；检测原理
中图分类号：U285.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0022-02
一、光纤检测机理
根据瑞利散射定律可知：液体介质中粒物质在光波的作用下会产生振动，成为发生次波的波频，在非均匀介质中，由于不均匀粒子破坏了次波的相干性，会出现散射光，不均匀粒子越多，在一定的范围内散射光越强。舱底的油污水在经过油水分离器以后，虽然分离出了绝大部分的污油，但呈乳化状的油颗粒和其它杂质仍然存在于排水中，是一种非均匀介质，所以测量排水中油颗粒产散射光强度可以间接地测量出水中的含度。瑞利散射定律的表达式可写为：[1]
N——单位体积中的粒子数
Q——入射光同散射光之间的夹
Iλ——入射光光强
IQ——Q方向的散射光光强
V90°——Q=90°时的散射体积
λ——溶液中的光的波长
m——粒子对溶液的折射率
D——粒子的直径
r——从粒子到观测点（光敏元件）的距离
对定型生产的仪表，Q、Iλ、V90°、m、D、r均为常数，故上式可简化为：
IQ =K0N=KC （1）
式中K0、K——比例常数
C——油份浓度，与N成比例关系
由式（1）可知：Q方向的散射光光强与油份浓度C成线性关系，其检测原理与特性如图13所示，可以看出散射光光强与油份浓度只在一定的范围内成线性关系。当油份浓度超过一定值时，散射光光强不仅不随油份浓度的增加而增加，反而随油份浓度的增加而减弱。这是因为油份浓度的增加以后，油颗粒的增多反而阻挡了散射光的原因。因此，为了得到油份浓度与散射光光强之间的线性关系，以保证测量仪表的精度，油份浓度传感器的量程通常制成为0～30ppm的范围。该测量范围已满足国际海事组织规定的15ppm排放标准的要求。[2]
比耳定律是研究非均匀介质中，透射光光强与入射光光强之间关系的规律。其表达式为：
I0=Iλeτlk
式中 I0——透散光强度
Iλ——入射光强度
τ——介质的浓度
l——介质的厚度
k——与介质中的分子结构有关的系数
对已制成的仪表，Iλ、l、k均为常数。故透射光光强随着油份浓度的增加呈指数规律下降。
油份浓度传感器在电路设计上，充分利用了瑞利散射和比耳定律，获得反映油份浓度的散射光强度，经光敏电池将散射光光强成比例地转变为电流信号，再用测量电路把电流信号成比例地转化为电压信号，送给显示电路显示，以及送到报警电路，与报警设定值（15ppm）比较，判断油份浓度是否超标，以决定何时进行报警和切断向舷外的排水。
二、传感器的设计
（一）测量系统的设计
为了准确获得油液中颗粒分布，需对整个测量系统精心设计以满足实验系统对光路的严格要求，测量系统如图2所示。包括光源、测量区、光探测器、数据采集和信号处理等部分。
在图2中，由光源产生的光通量I0，通过光导纤维和透镜将光引入测量区域，即布置于光路上的样品区域。油液管路中装有石英玻璃作为观察窗口，未被颗粒散射和吸收的部分出射光由透镜会聚，经第2根光纤导出到光电处理信号单元，即光点接收管的光敏表面上。利用光电信号放大器可以测量出载有信息的光通量，通过信号采集系统输入计算机进行数据处理和分析。计算机主要完成对信号的存储、运算、线性化和灵敏度调整以及标定等，最后显示被测量的结果。
在单通道系统中，直接测量光通量值，并通过与标准样品的对比测定被测量的方法称作直读法。例如，为了测量样品的透光率，为了测量样品的透光率，在图2所示的光路中事先放置了透光率已知的标准样品，每次对光通量进行标定。经过这样处理后再将被测样品放在光路中，即可由光通量大小直接得到被测样品的透光率值。
不过，上述单通道测量方法在实际中是很难获得应用的。因为作为光源的电子器件都有一定的温度漂移和时间漂移，光源的驱动电路也会受到外界干扰，因而使光源的光强不稳定，使测量结果产生误差。为此，我在测量系统中设计了光源波动修正系统，如图3所示。
这样，当光源波动时，其波动信息由参考光路检测到，这时传感器检测到的量值变化就知道是由光源波动引起的，可根据参考光路信号的大小加以修正。而当光源未波动时，参考光路量值不变，这时传感器测量的变化就是由检测对象的变化引起的，代表了被测量的真实情况。
（二）测量电路
对于本传感器中采用光敏电池可采用硅或硒光敏电池，其PN结根据固体物理的理论有：
iQ=iS-i0（e
式中 iQ——流过负载的电流
i0——无光照时的反向饱和电流
V——PN结的端电压
Q——电子电荷
k——波尔兹曼常数
t——光电池的绝对温度
iS——光照形成的电流 is=S·IQ （4）
S——光电积分灵敏度
IQ——接收到的散射光光强
当V=0，即负载为零时，式（3）变为：
IQ=IS=S·IQ （5）
由（5）式可知：在V=0时，光敏电池输出的光电流iQ与输入的散射光光强IQ成线性关系。所以，为了得到输入光强与输出光电流之间的线性关系，在设计测量电路时必须使光敏电池的两端压降趋于零。
温度补偿电阻TM具有负的温度系数，用于补偿散射光光电池PD对环境温度的敏感性。当环境温度增加时，光电池PD发出的电流会比正常情况有所下降，使A2同相端的电压有所下降，但是由于增加的环境温度也会使温度补偿电阻TM的阻值下降，放大器A2的反相端电压也会有所下降，从而可以避免放大器A2的输出电压受环境温度的影响，在环境温度变化时保持ub与油份浓度C的线性关系。
放大器A3的输出电压与放大器A2的输出电压之间的关系为：
式中 Rk——调增益电位器
R′k——调增益电位器Rk的上半部的阻值
uf——调零电位器RZ的抽头电压
由式（9）可以看出，可用调零电位器RZ调零，用调增益电位器Rk调增益，使得当油份浓度由0ppm逐渐上升到30ppm时，ud的电压也正好由0V成比例地上升到5V。放大器A4采用正反馈接法，用于感受光源故障和污油情况。在油份浓度较低的情况下，F点的电位大于H点的电位，A4的输出电压为-15V左右，二极管D1截止，放大器A3的输出只随散射光光强变化。随着油份浓度的增加，透射光光强会不断减少，感受透射光的光敏晶体管PT的集电极E与发射极F之间的等效阻抗不断增加，从而F点的电位会不断减少。当F点的电位低于H点的电位时，放大器A4就会输出接近-15V的低电压，二极管D1导通，A3放大器会立刻输出接近+15V的高电压，作为光源故障或污油情况，用于触原发后面的报警电路。
（三）实验影响因素分析
测量系统的实验测试包括两部分：一是传感器线性度的测试；二是传感器灵敏度的测试。前者必须构造符合标准的影响因素（如已知分布等级的多种油样），后者主要模拟实际中可能出现的多种情况（如舱底水中含有不同数量的磨粒或油份等）。下面我们就实验的若干影响因素进行简要的分析
（1）油液颜色的影响[3]
不同颜色的油液对光的吸收作用不同，因而，即使污染度相同，由于颜色不同，测量结果也会产生差异。为了提高测量精度，消除油液颜色及其他油液自身特性的影响，可以利用图17所示的方法。其原理是：利用分光器得到两束强度相等的光，分别通过同一牌号、不同污染度的两个油样，其中一个油样的已知污染度，作为参比，另一油样为被测对象，二者的光程相同。根据透射光强度之差就可得知两油样之间的污染度差异。由Lambert-Beer定律，可表示为：[4]
（6）
则待测油样的污染物重量1为：
（7）
式（7）中的对数项部分可以通过相应的电路实现。
（2）油液黏度（速度）的影响
油液及其所含颗粒的相对折射率随油液的黏度变化而发生改变。而温度改变时其黏度变化比较明显，因此必须在适当的温度下确定污染度指标。另外由于样品池体积很小，如果黏度太大则有可能发生堵塞，油液中残留的污染物容易粘附到石英玻璃的表面，改变油液系统的传光方向，造成极大的测量误差。在每次测量中由于黏度愈大则残余油膜产生厚度越大，严重地影响了后续测量的准确性，这方面必须在数据处理中加以分析和考虑。在实际过程中应尽量保证样品池要小，使其能快速适应外界浓度变化，并保证被测油样都通过测量区域，然后迅速排出。对于黏度太大的舱底水测量必需考虑稀释或增加抽吸装置。只有当测量的变化量随黏度的变化很小或不在一个数量级时才能认为不受黏度的影响。[5]
（3）透光率变化原因分析
透光率的变化可认为是由两部分产生。其一是舱底水中添加剂浓度和杂质颗粒的影响，任何小的颗粒与油混合后都会使油液浊度提高而透光率降低，这种引起变化的原因属于检测的主要部分；其二是由于水或气泡的混入而引起的，一般情况下机械扰动紊流因素形成的水滴或气泡等颗粒较粗大，影响相对较小，而当该液滴均匀细化为微小颗粒后，影响会明显升高。因此测量中应该选择背景浊度数据作比较，求出两者之差可认为浊度的变化即为固体杂质颗粒的影响。
参考文献
[1] 邓乐，卫富军.用光透消光测定油液污染度的若干影响因素分析[J].焦作工学院学报，1997，16（4）：33-37.
[2] 华听文，郑基立，金起农.水中含油量的检测与激光油份浓度计.上海海运学院学报，1982年.
[3] R.W.狄区本.光学[M].北京：高等教育出版社，1986.
[关键词]光纤；舱底水；传感器；检测原理
中图分类号：U285.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0022-02
一、光纤检测机理
根据瑞利散射定律可知：液体介质中粒物质在光波的作用下会产生振动，成为发生次波的波频，在非均匀介质中，由于不均匀粒子破坏了次波的相干性，会出现散射光，不均匀粒子越多，在一定的范围内散射光越强。舱底的油污水在经过油水分离器以后，虽然分离出了绝大部分的污油，但呈乳化状的油颗粒和其它杂质仍然存在于排水中，是一种非均匀介质，所以测量排水中油颗粒产散射光强度可以间接地测量出水中的含度。瑞利散射定律的表达式可写为：[1]
N——单位体积中的粒子数
Q——入射光同散射光之间的夹
Iλ——入射光光强
IQ——Q方向的散射光光强
V90°——Q=90°时的散射体积
λ——溶液中的光的波长
m——粒子对溶液的折射率
D——粒子的直径
r——从粒子到观测点（光敏元件）的距离
对定型生产的仪表，Q、Iλ、V90°、m、D、r均为常数，故上式可简化为：
IQ =K0N=KC （1）
式中K0、K——比例常数
C——油份浓度，与N成比例关系
由式（1）可知：Q方向的散射光光强与油份浓度C成线性关系，其检测原理与特性如图13所示，可以看出散射光光强与油份浓度只在一定的范围内成线性关系。当油份浓度超过一定值时，散射光光强不仅不随油份浓度的增加而增加，反而随油份浓度的增加而减弱。这是因为油份浓度的增加以后，油颗粒的增多反而阻挡了散射光的原因。因此，为了得到油份浓度与散射光光强之间的线性关系，以保证测量仪表的精度，油份浓度传感器的量程通常制成为0～30ppm的范围。该测量范围已满足国际海事组织规定的15ppm排放标准的要求。[2]
比耳定律是研究非均匀介质中，透射光光强与入射光光强之间关系的规律。其表达式为：
I0=Iλeτlk
式中 I0——透散光强度
Iλ——入射光强度
τ——介质的浓度
l——介质的厚度
k——与介质中的分子结构有关的系数
对已制成的仪表，Iλ、l、k均为常数。故透射光光强随着油份浓度的增加呈指数规律下降。
油份浓度传感器在电路设计上，充分利用了瑞利散射和比耳定律，获得反映油份浓度的散射光强度，经光敏电池将散射光光强成比例地转变为电流信号，再用测量电路把电流信号成比例地转化为电压信号，送给显示电路显示，以及送到报警电路，与报警设定值（15ppm）比较，判断油份浓度是否超标，以决定何时进行报警和切断向舷外的排水。
二、传感器的设计
（一）测量系统的设计
为了准确获得油液中颗粒分布，需对整个测量系统精心设计以满足实验系统对光路的严格要求，测量系统如图2所示。包括光源、测量区、光探测器、数据采集和信号处理等部分。
在图2中，由光源产生的光通量I0，通过光导纤维和透镜将光引入测量区域，即布置于光路上的样品区域。油液管路中装有石英玻璃作为观察窗口，未被颗粒散射和吸收的部分出射光由透镜会聚，经第2根光纤导出到光电处理信号单元，即光点接收管的光敏表面上。利用光电信号放大器可以测量出载有信息的光通量，通过信号采集系统输入计算机进行数据处理和分析。计算机主要完成对信号的存储、运算、线性化和灵敏度调整以及标定等，最后显示被测量的结果。
在单通道系统中，直接测量光通量值，并通过与标准样品的对比测定被测量的方法称作直读法。例如，为了测量样品的透光率，为了测量样品的透光率，在图2所示的光路中事先放置了透光率已知的标准样品，每次对光通量进行标定。经过这样处理后再将被测样品放在光路中，即可由光通量大小直接得到被测样品的透光率值。
不过，上述单通道测量方法在实际中是很难获得应用的。因为作为光源的电子器件都有一定的温度漂移和时间漂移，光源的驱动电路也会受到外界干扰，因而使光源的光强不稳定，使测量结果产生误差。为此，我在测量系统中设计了光源波动修正系统，如图3所示。
这样，当光源波动时，其波动信息由参考光路检测到，这时传感器检测到的量值变化就知道是由光源波动引起的，可根据参考光路信号的大小加以修正。而当光源未波动时，参考光路量值不变，这时传感器测量的变化就是由检测对象的变化引起的，代表了被测量的真实情况。
（二）测量电路
对于本传感器中采用光敏电池可采用硅或硒光敏电池，其PN结根据固体物理的理论有：
iQ=iS-i0（e
式中 iQ——流过负载的电流
i0——无光照时的反向饱和电流
V——PN结的端电压
Q——电子电荷
k——波尔兹曼常数
t——光电池的绝对温度
iS——光照形成的电流 is=S·IQ （4）
S——光电积分灵敏度
IQ——接收到的散射光光强
当V=0，即负载为零时，式（3）变为：
IQ=IS=S·IQ （5）
由（5）式可知：在V=0时，光敏电池输出的光电流iQ与输入的散射光光强IQ成线性关系。所以，为了得到输入光强与输出光电流之间的线性关系，在设计测量电路时必须使光敏电池的两端压降趋于零。
温度补偿电阻TM具有负的温度系数，用于补偿散射光光电池PD对环境温度的敏感性。当环境温度增加时，光电池PD发出的电流会比正常情况有所下降，使A2同相端的电压有所下降，但是由于增加的环境温度也会使温度补偿电阻TM的阻值下降，放大器A2的反相端电压也会有所下降，从而可以避免放大器A2的输出电压受环境温度的影响，在环境温度变化时保持ub与油份浓度C的线性关系。
放大器A3的输出电压与放大器A2的输出电压之间的关系为：
式中 Rk——调增益电位器
R′k——调增益电位器Rk的上半部的阻值
uf——调零电位器RZ的抽头电压
由式（9）可以看出，可用调零电位器RZ调零，用调增益电位器Rk调增益，使得当油份浓度由0ppm逐渐上升到30ppm时，ud的电压也正好由0V成比例地上升到5V。放大器A4采用正反馈接法，用于感受光源故障和污油情况。在油份浓度较低的情况下，F点的电位大于H点的电位，A4的输出电压为-15V左右，二极管D1截止，放大器A3的输出只随散射光光强变化。随着油份浓度的增加，透射光光强会不断减少，感受透射光的光敏晶体管PT的集电极E与发射极F之间的等效阻抗不断增加，从而F点的电位会不断减少。当F点的电位低于H点的电位时，放大器A4就会输出接近-15V的低电压，二极管D1导通，A3放大器会立刻输出接近+15V的高电压，作为光源故障或污油情况，用于触原发后面的报警电路。
（三）实验影响因素分析
测量系统的实验测试包括两部分：一是传感器线性度的测试；二是传感器灵敏度的测试。前者必须构造符合标准的影响因素（如已知分布等级的多种油样），后者主要模拟实际中可能出现的多种情况（如舱底水中含有不同数量的磨粒或油份等）。下面我们就实验的若干影响因素进行简要的分析
（1）油液颜色的影响[3]
不同颜色的油液对光的吸收作用不同，因而，即使污染度相同，由于颜色不同，测量结果也会产生差异。为了提高测量精度，消除油液颜色及其他油液自身特性的影响，可以利用图17所示的方法。其原理是：利用分光器得到两束强度相等的光，分别通过同一牌号、不同污染度的两个油样，其中一个油样的已知污染度，作为参比，另一油样为被测对象，二者的光程相同。根据透射光强度之差就可得知两油样之间的污染度差异。由Lambert-Beer定律，可表示为：[4]
（6）
则待测油样的污染物重量1为：
（7）
式（7）中的对数项部分可以通过相应的电路实现。
（2）油液黏度（速度）的影响
油液及其所含颗粒的相对折射率随油液的黏度变化而发生改变。而温度改变时其黏度变化比较明显，因此必须在适当的温度下确定污染度指标。另外由于样品池体积很小，如果黏度太大则有可能发生堵塞，油液中残留的污染物容易粘附到石英玻璃的表面，改变油液系统的传光方向，造成极大的测量误差。在每次测量中由于黏度愈大则残余油膜产生厚度越大，严重地影响了后续测量的准确性，这方面必须在数据处理中加以分析和考虑。在实际过程中应尽量保证样品池要小，使其能快速适应外界浓度变化，并保证被测油样都通过测量区域，然后迅速排出。对于黏度太大的舱底水测量必需考虑稀释或增加抽吸装置。只有当测量的变化量随黏度的变化很小或不在一个数量级时才能认为不受黏度的影响。[5]
（3）透光率变化原因分析
透光率的变化可认为是由两部分产生。其一是舱底水中添加剂浓度和杂质颗粒的影响，任何小的颗粒与油混合后都会使油液浊度提高而透光率降低，这种引起变化的原因属于检测的主要部分；其二是由于水或气泡的混入而引起的，一般情况下机械扰动紊流因素形成的水滴或气泡等颗粒较粗大，影响相对较小，而当该液滴均匀细化为微小颗粒后，影响会明显升高。因此测量中应该选择背景浊度数据作比较，求出两者之差可认为浊度的变化即为固体杂质颗粒的影响。
参考文献
[1] 邓乐，卫富军.用光透消光测定油液污染度的若干影响因素分析[J].焦作工学院学报，1997，16（4）：33-37.
[2] 华听文，郑基立，金起农.水中含油量的检测与激光油份浓度计.上海海运学院学报，1982年.
[3] R.W.狄区本.光学[M].北京：高等教育出版社，1986.