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Ｖ０ｌ＿２３ Ｎｏ．４ 安徽工业大学学报 第２３卷第４期 Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００６ Ｊ．ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００６年１０月 文章编号：１６７１—７８７２（２００６）０４—０４５３—０２ 测定低含油量的传感器系统的设计及实验 陈玉榜 （厦门星鲨仪器有限公司，福建厦门３６１００５） 摘要：提出光散射法监测低含油量方案，对传感系统进行了设计。在不同的油份含量下进行了数据采集实验。结果表明，该系 统直接运用Ｂｅｅｒ定理存在不可忽略的误差，需要进行数据拟合处理。 关键词：油份监测；散射；传感器 中图分类号：ＴＰ３１ 文献标识码：Ｂ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｌｏｗ Ｏｉｌ－ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＨＥＮ Ｙｕ－ｂａｎｇ （Ｘｉａｍｅｎ Ｘｉｎｇｓｈａ Ｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｏｗ ｏｉｌ－ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｙ ｓｃａｔｔｅｒ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ａｎｄ ａ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｉｌ－ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｍａｒｋｅｄ ｅｒｒｏｒ ｉｆ ｊｕｓｔ ｕｓｅ ｔｈｅ Ｂｅｅｒ Ｓ ｌａｗ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄａｔａ—ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｎｅｅｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｉｌ ｍｏｎｉｔｏｒ；ｓｃａｔｔｅｒ；ｓｅｎｓｏｒ 引 言 油类物质对水体和环境的污染已成为一个全球关注的、越来越严重的问题。其中，矿物油水体污染监测 问题受到各国环保部门的高度重视。目前的油份监测多根据Ｂｅｅｒ定理【 】进行（吸收透射法），即光透过均匀 液体时，透射光通量，与入射光通量，０的关系为（ 为液体的体积分数；ｄ为液体的厚度； 为常数）： ／＝／０・ｅｘｐ（一础ｃｆ） （１） 直接应用（１）式进行含量测定，要求液体介质是均匀的，且无散射。然而实际的油份监测中，油滴的大小 往往并不一致，而且对光的散射也是不可忽略的。因此直接采用（１）式进行油份监测误差较大。为此提出散射 法油份监测方案（即通过测量散射光而非直透光来实施油份监测）。对散射法传感系统进行了设计，并在不同 油份含量下进行了数据采集实验，以探索更加合理的监测方案。 １传感系统设计 传感系统设计包括４块：遮光罩（如图１中Ｅ）、敏感部分（将待测量 油份浓度转换为红外光强）、传感部分（将红外光强转换成电压信号）和 测量电路（将电压信号转换成数字信号，由ＭＣＵ经ＲＳ２３２串口通信，传 送给上位机）。其中敏感部分和遮光罩如图１所示。 图１敏感部分示意图 图１中，Ａ管为红外发光管，Ｂ和ｃ为光电转换模块（将红外光强转换成电压信号），Ｄ管为玻璃管（待测 油份含量的水经此管流过）。通过设计Ｄ管的直径、Ａ至Ｄ的距离和ｃ至Ｄ的距离，使ｃ接受到的是散射光 而非直透光。遮光罩为黑色，设计中要达到：足够的强度、可阻挡环境中的背景光、可隔离罩内的杂散光。 收稿日期：２００６－０５－０８ 作者简介：陈玉榜（１９６６一），男，福建仙游县人，工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com
４５４ 安徽工业大学学报 ２００６焦 ２实验结果 采用上述设计的传感器系统进行实验。单片机将各含量下采集到Ｂ管和ｃ管的电压值，经串口ＲＳ２３２ 传人上位机，上位机将传来的实时测量数据存人数据库供后续分析和处理。 实验中，先分别在 （油份）＝Ｏ，３ｘ１Ｏ ，６×１Ｏ ，９ｘｌＯ￣，１２ｘ１０ ，１５ｘｌＯ４，１８ｘ１０４，２１ｘ１０４，２４ｘ１０４，２７ｘ１０４，３０ｘ１０ 下进行检测，３０ ｍｉｎ后再从 （油份）＝３０ｘ１０４，２７ｘ１０４，２４ｘ１０４，２１ｘ１０ ，１８ｘｌＯ４，１５ｘ１０ ，１２ｘ１０４，９ｘｌ０４，６ｘｌ０４，３ｘ １０４，０下进行检测。每种含量下每隔３ ｓ测一个数据共测得２Ｏ个数据，将２Ｏ个数据根据文献［２］所述的方法 剔除粗大误差后取算术平均值，结果见表１。 表１各含量下测得的实验数据（环境温度２７℃） 序号妒（油份） Ｂ处信号电压 Ｃ处信号电压 序号 妒（油份） Ｂ处信号电压 ｃ处信号电压 ｘｌＯ－６ （５ Ｖ，４０９６） （５ Ｖ／４０９６） ｘｌ０ （５ Ｖ／４０９６） （５ Ｖ／４０９６） １ ０ １２９．２ ２９０．９ １２ ３０ １２６．５ ３９１．２ ２ ３ １３３．５ ３２７．８ １３ ２７ １３１．６５ ４０３．０ ３ ６ １３５．３ ３５２．６ １４ ２４ １３６．９ ４１２．１ ４ ９ １３６．５ ３７３．２ １５ ２１ １４２．２ ４１８．６ ５ １２ １３８．９ ３９４．５ １６ １８ １４５．１ ４１４．５ ６ １５ １４１．２ ４０９．６ １７ １５ １４４．２ ４０４．８ ７ １８ １４２．９ ４２１．９ １８ １２ １４３．４ ３９３．９ ８ ２１ １４９．９ ４３６．３ １９ ９ １４１．５ ３７５．１ ９ ２４ １５２．２ ４４７＿３ ２０ ６ １３８．３ ３４７．２ １０ ２７ １５３．３ ４５４．５ ２１ ３ １３４．３ ３２１．０ １１ ３０ １５４．５ ４５９．５ ２２ ０ １３０．０ ２８６．８ 实验中，采用乳化技术使油滴直径小于 表２不同油含量下的ｌｎＲｏ／Ｂ）值 ３ Ｉｘｍ，均匀地分散在水中。 序号妒（油份）ｘｌ０ ｌｎ（￣ｏ／Ｂ） 序号妒（油份）ｘｌ０ ｌｎ（￣ｏ／Ｂ） １ ０ ０．８１ １２ ３０ １．１３ ３分析与讨论 ２ ３ ０．９ １３ ２７ １．１２ ３ ６ ０．９６ １４ ２４ １．１ 由表１中的数据，可计算得到各含量下的 ４ ９ １．０１ １５ ２１ １．０８ ｌｎ（￣ｏ／Ｂ）值见表２。 ５ １２ １．０４ １６ １８ １．０５ 由表２中１—１１序号数据作ｌｎ（ ）与 （油 ６ １５ １．０６ １７ １５ １．０３ 份）的关系曲线如图２中曲线１；由１２—２２序号数 ７ １８ １．０８ １８ １２ １．０１ 据作ｌｎ（￣ｏ／Ｂ）与 （油份）的关系曲线如图２中曲线 ８ ２１ １．０７ １９ ９ ０．９７ ２。图２中曲线１为含量上升曲线，曲线２为含量 ９ ２４ １．０８ ２０ ６ ０．９２ 下降曲线。 １Ｏ ２７ １．Ｏ９ ２１ ３ Ｏ．８７ 由图２可见：无论是含量上升曲线，还是含量 １１ ３０ １．０９ ２２ ０ ０．７９ 下降曲线，Ｉｎ ）与 （油份）的关系为非直线关系。而根据式 ｝ 一． （１），ｌ￣（Ｘ／Ｘｏ）与 （油份）的关系（亦即本实验中ｌｎ（ｇ，／Ｂ）与含量 ｌ ，Ｉ一：＝＝≥ 一 一 （油份）的关系）应是直线关系。表明本传感器系统如果直接采 ｝／ ／ 用式（１）来建立数据模型进行监测将存在不可忽略的误差（分ｊ ０．９｝ ，／ 析表明，该误差大于５ｘ１０ ，超过目前市场上对油份含量监测 的普遍要求。为减小测量误差，需要采用数据拟合等方法【３】来 ｎ Ｌ一一一一一～一…一一～一一一 建立数学模型，有关内容将另文报道。０ ６ １２ １８ ２４ ３０ 图２中在３０ｘｌＯ４处的两个值不同，主要是由于隔３０ ｍｉｎ ‘ｐ（油份） １０ 后传感系统Ａ，Ｂ，Ｃ的温度在往初始温度恢复，即主要是温度 图２’ｎ Ｊ与 份Ｊ的关系曲线 的影响。表明温度的影响在油份含量的散射法测量中不可忽视，在进行传感器系统设计时，需要剔除这一影 响。 （下转４５８页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
４５８ 安徽工业大学学报 ２００６正 ３状态检测防火墙的应用 图２为屏蔽子网的防火墙系统，用来实现局域园 网的安全建设，其内外部的路由器可以由硬件实现，在 实验中用Ｌｉｎｕｘ系统代替，可随时修改其软件内核，增 加系统的灵活性。 一 图２屏蔽子网防火墙系统 堡垒主机（Ｂａｓｔｉｏｎ ｈｏｓｔ）由１台计算机担当，它是 防火墙的最初设计。堡垒主机的作用就是对进出的数据包进行审核，为进入内部网络设的一个检查点，达到 把整个内部网络的安全问题集中在某个主机上解决的目的。堡垒主机是网络中最容易受到侵害的主机，所以 堡垒主机必须是自身保护最完善的主机。同时它可以安装入侵检测系统，与防火墙相结合，检测出网络中的 异常行为（如对防火墙等的攻击）后，可以对防火墙的规则进行动态修改，更好地保证网络的安全，这也是目 前网络安全的发展趋势之一嘲。 ＤＭＺ（Ｄｅｍｉｌｉｔａｒｉｚｅｄ ｚｏｎｅ）是位于内部网络和外部网络之间的小区域，为内网放置一些必须公开的服务器 设施而设置的，通常放置ＤＮＳ，Ｗｅｂ，Ｅｍａｉｌ，ＦＩ＇Ｐ，Ｐｒｏｘｙ Ｓｅｒｖｅｒ等。同时，通过ＤＭＺ区域，更加有效地保护了 内部网络，这种网络部署，比一般的防火墙方案，对攻击者来说又多了一道关卡。 外部路由器只允许对ＤＭＺ的访问；拒绝所有以内部网络地址为源地址的包进入内部网络。 拒绝所有不以内部网络地址为原地址的包离开网络。 内部路由器保护内部网络，防止来自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或ＤＭＺ的访问。内部网络一般不对外部提供服务，拒绝外 部发起的一切连接，只允许内部对外的访问［６－８］。 ４结束语 状态检测防火墙结合了包过滤防火墙和应用级网点防火墙的优点，对数据流实行自动状态检测分析，有 效地保证了网络安全，经某网络运行实践表明，状态检测防火墙的处理速度快，安全性高。 参考文献： ［１］刘更楼．基于状态检测的防火墙系统研究［Ｊ］．航空计算技术，２００４，３４（１）：１２２—１２５ ［２］Ｄｏｕｇｌａｓ Ｅ Ｃｏｍｅｒ．用ＴＣＰ￣Ｐ进行网际互联（Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１． ［３］Ｗ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｔｅｖｅｎｓ．Ｕｎｉｘ网络编程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，北京：２００２． ［４］Ｗｉｌｌｉａｍ Ｓｔｌｌａｉｎｇｓ．Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｅｓｓｅｎｔｉａｌｓ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． ［５］陈继．基于状态检测机制的网络安全管理系统的设计与实现［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２００４ ［６］Ｒｏｂｅａ Ｌ Ｚｉｅｇｌｅｒ．Ｌｉｎｕｘ防火墙［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０００． 【７］Ａｎｄｒｅｗ Ｓ Ｔａｎｅｎｂａｕｍ．计算机网络【Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９８． ［８］孙砚峰．一种改进的防火墙技术［Ｊ］．计算机应用，１９９８，１８（８）：４１－４２． （上接４５４页） ４结 论 本传感器系统的实验表明，如果直接采用Ｂｅｅｒ定理来建立数据模型进行油份含量的监测将存在不可忽 略的误差，为减小测量误差，需要进一步采用数据拟合等方法来建立数学模型。 温度的影响在油份含量的散射法测量中不可忽视，在进行传感器系统设计时，需要剔除这一影响。 所设计的遮光罩能够满足强度要求，能够阻挡环境中的背景光，较好地隔离罩内的杂散光。 参考文献： 【１】雷玉堂．光电检测技术【Ｍ］．ｊＬ京：中国计量出版社，１９９７：２１９． ［２］费业泰．误差理论与数据处理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００：４６． ［３］赵光兴．干涉条纹的数据拟合方法［Ｊ］．光学学报，２０００，２０（６）：７９７—８００
