基于三维荧光光谱的水中矿物油检测技术的研究

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1、博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目基于三维荧光光谱的水中矿物油检测技术的研究作者姓名王惠新学科专业仪器科学与技术指导教师王玉田教授2015年5月中图分类号：TP212学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工学博士学位论文基于三维荧光光谱的水中矿物油检测技术的研究博士研究生：王惠新导师：王玉田教授申请学位：工学博士学科专业：仪器科学与技术所在单位：电气工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinInstrumentScience

2、andTechnologyTHESTUDYOFTHEDETECTIONTECHNOLOGYOFMINERALOILINWATERBASEDONTHREE-DIMENSIONALFLUORESCENCESPECTRUMbyWangHuixinSupervisor:ProfessorWangYutianYanshanUniversityMay,2015燕山大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《基于三维荧光光谱的水中矿物油检测技术的研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博士学

3、位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学博士学位论文使用授权书《基于三维荧光光谱的水中矿物油检测技术的研究》系本人在燕山大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送

4、交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密√。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要随着我国陆地与海洋石油开采规模的不断扩大，城镇农村生活污水、工业废水排放量的逐渐增加，污水中矿物油类污染物逐渐增加，越来越威胁到人类与生态环境的安全。因此，快速准确地检测水中矿物油的种类与含量具有十分重要的意义。水中矿物油含量的测

5、量方法主要有重量法、浊度法、超声波法、气液相色谱法、分光光度法、荧光光度法等。但是对于微量的溶于水中的污染物，测量的精度和技术方法的实现非常关键。本文对国内外采用的荧光法进行了分析与研究，针对水中矿物油的检测现状，提出了基于荧光技术的三维荧光光谱和特征参量提取相结合的方法。三维荧光光谱法(Three-DimensionalFluorescenceSpectrum，TDFS)是一种新的荧光分析方法，此方法获得的三维数据包含丰富的信息量，增加了数据处理的全面性和可选择性。研究荧光分析法，以朗伯-比尔定律为

6、依据，分析矿物油的二维荧光特性，通过分析多种油品实验，确定所要检测矿物油的激发光谱和荧光光谱的波长范围，得到几种矿物油的二维荧光光谱，研究荧光强度与被测物质浓度之间的关系，对传统荧光光谱法的不足提出了理论依据。阐述三维荧光光谱法的基本原理，研究利用三维荧光光谱法对水中矿物油进行测量与油种鉴别的方法。设计基于三维荧光光谱技术的水中矿物油检测装置，分析具体元器件的选择方案。激发光源采用脉冲氙灯，单色器采用闪耀型分光光栅。选择CCD作为光电转换器件。采用低损耗石英光纤束作为光信号传输通道，设计前置放大电路、

7、滤波电路和Boxcar取样积分器组成的双通道检测电路，实现对背景噪声中微弱荧光信号的提取。研究Monte-Carlo方法计算三维荧光总体积积分值。研究三维荧光总体积积分法中常用的峰值法、均值法、体积法。通过水中矿物油单一成分和混合成分的荧光光谱实验，提取三维光谱的平均值、标准差、荧光强度的累积率分布、原点距、中心距、重心、密集椭圆等敏感特征参量，对三维荧光总体积积分法的工作曲线、灵敏度和积分区域进行研究。基于小波分析和Shannon熵原理，提出荧光信号的小波Shannon熵阈值去噪算法。将小波熵去噪分

8、析法应用于水中矿物油的检测信号中，通过实验确定荧光信号去噪的最优小波函数。比较传统小波去噪法和小波Shannon熵阈值去噪方法，得出I燕山大学工学博士学位论文两种算法的仿真数据和结论，验证小波Shannon熵阈值去噪分析法对荧光信号的信噪分离效果。关键词：三维荧光光谱；矿物油；光纤传感；信号检测；小波Shannon熵IIAbstractAbstractWiththecontinuousexpansionofthescaleofthelandandoffs