基于分布式光纤传感测温技术的智能粮仓监测系统

技术详细介绍

一、成果简介：

“基于分布式光纤传感测温技术的智能粮仓监测系统”创新性地将分布式光纤温度传感技术地引入粮仓粮堆监测领域，成功地将各检测单元和系统布线等集成化和简约化，从根本上克服了智能粮仓领域现有测温方式的不足，使粮情测量温度的精度达正负0.5℃，测温点距离缩短到0.5m，在测温点数量上却达到了传统测温方案的3倍，大大提高了粮食温度的采集效率。

二、主要应用及优势：

“基于分布式光纤传感测温技术的智能粮仓监测系统”广泛应用于国家和地方粮库的智能化管理，实现了智能粮仓监测技术的全面升级，为智慧粮食的行业发展贡献了切实可行的解决方案，也为国家实现粮食安全战略提供了强有力的技术支撑。

“基于分布式光纤传感测温技术的智能粮仓监测系统”在实际的运用过程中，可以防欺诈、防作弊，提高了测温数据的真实性；采集的数据上云存储，便于监督管理，提高了粮食储备的安全性；本系统本征无源，使用安全，增加了测温设施设备的使用寿命、减少了维护成本，拥有广泛的社会效益。

此外，“基于分布式光纤传感测温技术的智能粮仓监测系统”可与安防、视频监控系统相结合，形成网络智能化监测系统，准确提供实时数据，有效解决安全隐患（防火，防水，防潮，防盗，防入侵），减少企业损失，降低生产成本，提高企业效益。

三、主要技术指标：

光纤类型：多模光纤，单模光纤可选

测量距离：0-10km

测量通道：1/2/4/8

空间分辨率：0.5-3m

采样间隔：0.25/0.5m

定位精度：0.5-1m

测量时间：典型5s

温度测量范围：-100℃-550℃（取决于光缆）

温度测量精度：正负;0.5℃

温度分辨率：0.1℃

定温报警动作温度：85℃（用户自主设置）

光纤接头：FC/APC

工作电源：12-36VDC，8W

操作温度：0-40℃

存储温度：-20℃-60℃

工作湿度：0-95％R.H. 无凝露

通信接口：以太网，485，RS232，继电器

存储空间：2000条报警记录，配合PC机无限存储

四、总体方案

“基于分布式光纤传感测温技术的智能粮仓监测系统”由四部分组成：

1、设在综合控制室的智能粮情光学处理机；

2、安装在各个粮仓并插入粮堆内的测温光缆；

3、云端设备（包括：服务器、机柜等）；

4、安装在云端设备上的用户软件——智能粮情分析系统。

五、技术路线：

1、将分布式光纤传感测温技术引入智能粮仓监测领域，研究粮堆用分布式光纤传感、测温和定位等关键技术；

2、基于分布式光纤传感测温技术研制智能粮情光学处理机，该设备能发射光脉冲并解析得到光缆各点温度及其位置；

3、选型寿命长、防护能力强的测温光缆用于连接智能粮情光学处理机，并研发光纤测温系统软件；

4、综合智能粮情光学处理机、测温光缆、光纤测温系统软件等设备，打造适用于粮堆温度监测的智能粮仓监测系统；

5、将系统在粮食储藏单位进行推广应用，并探索在粮食储藏单位实地部署安装测温光缆的工艺技术。

六、主要创新点：

1、把分布式光纤传感技术应用于粮仓粮堆温度监测领域，并提出了一种高精度DTS粮堆检测定位及温度标定和校验算法。本创新点属电子与通信技术，申请1项发明专利。

2、研制了智能粮情光学处理机，该设备向测温光缆发送光脉冲信号，解析得到与其连接的光纤各点温度及位置信息，并可以同时支持对接多根光缆。本创新点属计算机科学技术，申请了1项外观设计专利。

3、形成了一套粮库部署系统的施工工艺。本创新点属电子与通信技术、计算机科学技术，申请了1项发明专利。

4、开发了测试数据分析及展示软件，采用云平台架构，既能按照传统展示方法进行行、列、层温度展示，又能根据光纤测温数据展示任意点的温度，还能根据测得的温度数据生成温度云图。本创新点属计算机科学技术，获得了一项软件著作权。

七、研发内容和实施方案

1、智能粮情光学处理机的研发

智能粮情光学处理机是本粮仓温度监测系统的核心，实现温度测量和温度事件判断。智能粮情光学处理机采用模块化设计，可靠性高；同时凭借高速微弱信号处理技术优势，最高可实现0.5m空间分辨率，技术指标达到国内领先水平。

智能粮情光学处理机工作原理如下：

大功率窄脉宽激光脉冲LD入射到传感光纤后，激光与光纤分子相互作用，产生极其微弱的背向散射光，散射光有三个波长，分别是Rayleigh（瑞利）、anti-stokes（反斯托克斯）和stokes（斯托克斯）光；其中anti-stokes温度敏感，为信号光；stokes温度不敏感，为参考光。从传感光纤背向散射的信号光经再次经过分光模块WF，隔离Rayleigh散射光，透过温度敏感的anti-stokes信号光和温度不敏感的stokes参考光，并且由同一探测器（APD）接收，根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OTDR技术，利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。

2、测温光缆选型

光纤由石英玻璃拉制而成，通过各种封装形成各种特性的光缆。光缆既是信号传输介质，又是温度感测元件。考虑到现场的恶劣环境，感温探测光缆应具备良好的抗啮咬、抗震特性。所以感温探测光缆应具备坚固的护套，提供良好的防护特性，但同时感温探测光缆也应该提供良好的温度传导性能，以保证快速的温度事件探测。

本系统选用的螺旋钢管铠装测温光缆是专为线型光纤感温系统设计的探测单元，采用双层不锈钢铠装护套进行保护，具有高性能的抗拉、抗压、防扭、防水防潮、柔软坚韧等特点，适合各种恶劣的使用环境。光缆结构简单，机械强度高，最大限度地协调了导热速度与光缆强度之间的矛盾。光缆广泛用于DTS测温系统的各个领域，是线型光纤感温系统理想的探测器。

本系统测温光缆具有以下特点：

高抗拉, 抗压, 抗弯折等机械性能, 保证优良的光学特性；

结构简单，外径小，有优良的导热性能，提升整个系统性能；

采用阻燃环保材料, 可以满足消防等防火等级要求；

光缆柔软、韧性好，便于后续的安装布放及维护。

3、软件系统研发

系统提供界面友好、操作简单的光纤温度监测应用软件。该软件主要包括：温度监测、温度事件报警、可视化显示等功能模块。

软件的主界面由6个区位组成，其中第1区位包括设备连接、显示设置、权限管理、设备配置、运行记录和技术支持主菜单模块；第2区位显示当前光纤测温通道；第3区位为温度曲线显示主界面，根据光纤通道可以选择全显示与部分通道显示；第4区位包括设备运行状态显示；第5区位为设备连接状态显示，通常分为设备连接正常与设备连接中断两种状态；第6个区位为运行过程中的提示信息。

4、云端设备选型

云端设备包括服务器和机柜部分。

机柜部分不是必备部分，根据项目实际情况，可以选择配置或者不配置。因本设备是独立设备，可以不依赖于工控机电脑，机柜等外围设备。在设备调试完成以后，只需要供电，通过网线将数据接入到服务器即可。如果配置为本地现场设备，则需要配置机柜，工控机，机柜为19英寸标准机柜，除测温主机外，还包括工业计算机、机架式液晶显示器、键盘鼠标、消防电源、蓄电池等外围设备。

液晶显示器：选用机架式工业级液晶显示器，适于安装在标准机柜上。面板铝镁合金喷塑处理，美观坚固；箱体电镀锌板强抗氧化抗腐蚀特性，达到IP65防护等级。

消防电源：选用标准面板式结构消防电源，适于安装在标准机柜上。具有稳定可靠的不间断直流输出，无间隔主电和备电工作转换，输出过载、输出短路保护，故障解除后自动恢复等优点。采用独立的自控离线式集成充电模式，完善的对蓄电池充电和维护功能，具有电池过放电的切断保护功能和极低的维持电流。

八、技术难点：

1、利用分布式光纤传感测温技术攻克了如何测定某一点的温度和定位的难题。

2、解决了智能粮情光学处理机如何进行温度标定及校准的难题。

3、解决了测温光缆在粮堆中如何下线的难题。