基于电磁法的水面油膜探测技术研究

论文摘要

随着我国经济的高速发展,我国海上石油开采和运输在近年来也得到了高速发展,规模在不断扩张。在海上石油开采、运输等各个流程中溢油发生的风险随之提高,对生态环境、水产养殖、码头产业等造成较大的影响和危害。为了更有效更快速地对溢油进行应急处置,降低溢油对海洋生态环境所带来的影响以及对经济造成的损失,在第一时间获取准确的溢油信息就显得尤为重要。溢油信息的检测及获取是溢油应急处置过程中的一项技术难题,特别是对油膜厚度的检测,至今还没有行之有效的方法。本文基于电磁波在海水中的传播规律,根据有耗媒质良导体(海水)和弱耗媒质绝缘体(油)电导率的大小差异,研究电磁波在不同电导率下幅值衰减规律,设计一种电磁波的发射和接收检测装置,通过检测分析电磁波接收信息,实现海面溢油的监测和油膜厚度的测量,具体工作如下:(1)基于海水与石油物质导电特征的差异,分析电磁波在电导率不同的液体物质中传播时出现的差异,比如电场和磁场的相位、幅值衰减程度等,并且根据上述理论利用MATLAB对电磁波在电导率不同的三类介质(无耗媒质如真空、有耗媒质良导体如海水和弱耗媒质绝缘体如油)传播时进行仿真;(2)根据电磁波在介质中传播的基础理论,通过Altium designer设计基于电磁法的水面油膜探测装置,该系统以STM32单片机作为系统的控制模块生成交流信号后在介质中传播,并将接收信号经过整流之后转变为直流信号,经示波器采集数据并存储分析;(3)研究电磁波接收端和发射端距离与电磁波衰减之间的关系,通过测量不同间距下的探测信号,得到油厚和接收线圈电压的关系及板间距和接收线圈电压的关系,并利用MATLAB的Curve Fitting Tool模块,得到在不同油厚时,接收线圈的电压值随线圈间距变化的函数表达式。选择最佳线圈间距,得到接收线圈的电压值随油厚的函数变化关系,实现海面油膜厚度测量。本文基于电磁波在不同介质中的传播规律,设计开发相应的电磁波发生和检测接收装置,实现海面油膜的快速监测,并选择最佳探测间距,实现海面油膜厚度的测量,从而实现油膜厚度信息提取,提高了我国海上溢油的应急处置能力,降低溢油事故对海洋生态坏境影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•     1.1.1 海洋溢油的来源及危害
•     1.1.2 全球海洋溢油事故
•     1.1.3 国内外海洋电磁法溢油检测技术
•   1.2 本文主要完成工作
• 2 电磁波的基础理论
•   2.1 海水导电性
•   2.2 基于麦克斯韦方程组的电磁波传播理论
•     2.2.1 电磁波在线性介质中的传播
•     2.2.2 电磁波在非线性介质中的传播
•     2.2.3 本节结论
•   2.3 海水中电磁波的传播特性
•     2.3.1 海水中电磁波的波速分析
•     2.3.2 海水中电磁波的波长分析
•     2.3.3 海水中电磁波的相位常数和衰减常数分析
•     2.3.4 海水中电磁波的衰减分析
•     2.3.5 小论
•   2.4 电导率对电磁波特性影响的分析
•     2.4.1 电磁波波段在海水中的传播特性
•     2.4.2 海洋电磁场
• 3 水面油膜探测仿真
•   3.1 仿真工具选择及仿真依据
•   3.2 仿真代码编写
•   3.3 仿真结果
•   3.4 小论
• 4 水面油膜探测传感器设计
•   4.1 硬件部分电路图设计
•     4.1.1 硬件电路图总体设计
•     4.1.2 升降压供电模块设计
•     4.1.3 MOS管整流模块设计
•     4.1.4 IR2110驱动模块设计
•     4.1.5 单片机产生的PWM波
•     4.1.6 桥式整流模块设计
•   4.2 硬件部分PCB设计
•     4.2.1 PCB介绍
•     4.2.2 PCB绘制
•   4.3 硬件部分实物焊接设计
•   4.4 软件部分设计
•     4.4.1 单片机系统选择
•     4.4.2 单片机程序设计之主程序编写
• 5 水面油膜探测实验及数据分析
•   5.1 水面油膜探测实验
•     5.1.1 实验步骤
•     5.1.2 实验用品及实验数据
•     5.1.3 数据拟合函数
•     5.1.4 实验结论
•   5.2 实验误差分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王若诗

导师: 李颖,朱金善

关键词: 电导率,电磁波的传播,仿真,电路图,油厚

来源: 大连海事大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 大连海事大学

分类号: X55;X834

DOI: 10.26989/d.cnki.gdlhu.2019.000561

总页数: 63

文件大小: 4257K

下载量: 8