CN209841233U - 一种基于脉冲编码技术的粮仓分布式光纤拉曼温度监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于粮仓安全检测的基于脉冲编码技术的粮仓分布式光纤拉曼温度监测仪，属于粮食储备领域。其特征包括粮仓内测温光缆的布设，激光光源，声光脉冲调制器，光纤双向耦合器，光波分复用器，雪崩二极管，放大器，信号处理器，PC主机组成的测温解调模块，以及通信模块，报警模块和远程客户端的监控。当激光光源向光纤注入光脉冲后，会产生部分与温度密切相关的拉曼散射光，由光时域反射技术进行定位，经单工循环编码解码技术提高信噪比，可以得出待测点温度。针对目前粮仓内人工巡检费时费力，精确度不高，电子监控短路，传感点有限，容易引起火灾等，本实用新型提出了一种安全，实用，高灵敏的粮仓测温监测仪。

Description

一种基于脉冲编码技术的粮仓分布式光纤拉曼温度监测仪

技术领域

本实用新型属于粮食储备技术领域，特别涉及一种基于脉冲编码技术的粮仓分布式光纤拉曼温度监测仪

背景技术

粮食问题关系着国计民生，是人类社会生存、维系发展的第一要务。“民以食为天”的古谚，从侧面反映出粮食产业的基础性位置和重要战略地位，因此粮食产业的安全问题、安全策略，关系着任何一个国家的经济政治局面。粮食的自给自足意味着国家的经济独立，在国际经济舞台上不受制于人。如果国家不能做到粮食的自给自足，则在国际关系中难免受制于人。因此，可以说粮食问题是关系着国家安全和社会稳定的民生大计国家的稳定，社会的发展、经济的起飞都以粮食安全问题为基础保证。中国是一个拥有13亿人口8亿农民的农业大国，需要以占世界7％的承载世界21％的人口，粮食安全问题更显得尤为重要，粮食安全问题是国家稳定的基础和前提条件。在此国情下，对粮食安全问题展开系统的分析和有效的研究具有重要的国家战略意义和现实民生意义。

近年来，随着我国粮食需求的日益增加，粮食存放的安全问题也日益突出。目前我国大部分的粮仓仍然采用了传统的人工定时巡检，和电子温度监测。人工巡检存在人为疏漏，不能实时反映粮仓内的温度变化和探测精度不高的问题，而电子监测则存在短路引起火灾，温度传感点有限，电磁辐射导致仪器失灵的问题。

光纤传感技术是伴随着光纤技术和光通信技术，迅猛发展起来的一种新型传感技术。近年来，光纤传感在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了卓有成效的发展和推广。

光纤传感器的优点：

(1)灵敏度高。由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化。

(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。

(3)测量速度快。光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率，应用电子学的方法难以实现，利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。

(4)信息容量大。被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。

(5)适用于恶劣环境。光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。

此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。

实用新型内容

针对上述粮食储备存在的问题和缺陷，为了更安全，高效的储备粮食，尽快发现气温升高或是微生物繁殖引起的粮食温度变化导致的霉变或火灾。本实用新型采用分布光纤拉曼传感技术，可实现对多个粮仓温度全方位温度监测，可克服现有的无线粮仓温度监测系统存在传输距离短、速率低、组网复杂，解决传感器节点间依赖性强、穿墙效果不好、功耗较高、需定期更换电池等问题。分布光纤拉曼温度传感系统，本征安全，传感距离长，分布式测点，准确度高，为国家粮食的安全储备作出贡献。

本实用新型为了解决上述问题提出了以下技术方案：

一种基于脉冲编码技术的粮仓分布式光纤拉曼温度监测仪，其中主要包括测温光缆和测温系统，测温系统由基于脉冲编码技术的测温解调模块，通信模块，报警模块及后台监控客户端模块构成。

选用的测温光缆为铠装光缆。将测温光缆等间隔自然埋入粮食堆中，用支架固定每段测温光缆的位置，测温光缆转弯时，其弯曲半径应大于光缆自身半径的20倍。采用总线式结构，将每个粮仓通过测温光缆串联，对粮仓编号，便于分区管理，实现对多个粮仓同时监测。

所述的基于脉冲编码技术的测温解调模块包括了粮仓测温铺设的传输光缆，激光器，声光调制器，光纤双向耦合器，光波分复用器，光电雪崩二极管，放大器，信号处理器，PC主机。

激光器发出脉冲激光与声光调制器的光输入端口相连，进入声光调制器的输入端，编码后与光纤双向耦合器的1口相连，沿光缆传输的脉冲激光在光光缆内会激发出拉曼散射光，散射光经光纤双向耦合器的2口进入光波分复用器的输入端，光波分复用器的输出端分别与两路光电雪崩二极管输入端相连，光电雪崩二极管的输出端与两路放大器的输入端相连，放大器的输出端与信号处理器输入端相连，信号处理器输出端与PC机相连，进行温度信息解调；

将解调以后的温度信息通过无线网传输至报警模块，若所测温度超过报警设定阈值，则报警系统发出警报告知人员进行现场查验。同时，温度信息也将传输到后方客户端，得到粮仓内各个待测点的温度变化图和温度变化速率，实时动态反映粮仓内温度。

所述的通信模块，通过UDP协议将测温解调模块的温度信息传输给报警模块和后台的监控客户端。

所述的报警模块通过通信模块得到测温解调模块的温度信息，若所测温度超过报警设定的阈值，则报警系统发出警报告知人员进行现场检查。

所述的后台监控客户端，将从测温解调模块得到的各个点的位置信息和温度信息实时反演成动态图形，更加直观的了解粮仓内温度分布情况，若发生某处温度异常可快速定位配合报警系统进行有效处理。

本实用新型的有益效果为：

1.光纤拉曼传感可以对粮仓空间及粮食内部进行多层分布传感，一次获得整个粮仓的温度分布情况，避免了无线温度传感器使用传感点数不够所带来的不全面，光纤分布拉曼传感技术无串扰，可全方位、高灵敏的监测粮仓的温度空间分布，给出温度空间分布图。

2.光纤分布拉曼传感系统中的每一个传感点就是光纤光缆本身，不需要像无线温度传感器自身必须携带电池，从监测中心总机的脉冲激光源发出的脉冲激光沿着光纤光缆传输，光纤不同位置处的拉曼散射光信号就携带了此位置处的温度信息，后向散射的拉曼信号返回到监测中心总机进行拉曼光的解调即可获得相对应的温度信息，在整个监测过程中，本质安全，不会额外发热，不用像无线温度传感器那样需要经常更换电池，显示出了极大的优势。

3.光纤分布拉曼传感只对温度变化敏感，而对于应力、应变等物理量不敏感，埋入粮堆内部使用并不会给温度监测带来不良影响。因此，本实用新型针对粮仓温度监测中存在的问题，提高储粮安全，本实用新型提出采用分布光纤拉曼技术进行监测，充分发挥光纤分布拉曼传感技术的优势，解决目前粮仓监测系统存在的问题，实现实时、在线、全面、高效的粮仓温度监测，满足国家生产安全监测的重大需求。

4.本实用新型采用的单工循环编码解码技术，提高了传输信号的信噪比，使测量距离大大增加，实现远距离，多粮仓的温度实时监控。本实用新型能够精确定位粮仓待测点异常温度的位置信息和温度信息，测温精度可达±1℃，空间分辨率可达±1米。

5.本实用新型中的测温光缆耐腐蚀，不受电磁辐射干扰，稳定性高，自身不会引起粮食霉变，产生有害毒素。

附图说明

图1为粮仓内光缆布设剖面示意图

图2为基于脉冲编码技术的分布式温度光纤拉曼粮仓监测仪的框架图

图3为测温系统内部结构图

图4为模拟粮仓内光缆布设示意图

图5为实验测试图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步描述。

如图1所示，将测温光纤等间隔自然埋入粮堆中，输入脉冲激光会在测温光纤中激发产生拉曼散射光，将反向散射拉曼信号光通过测温光纤传入测温解调系统中。所有传感光缆链路由一个1*N的光开关实现复用，每根采用总线式结构，将多个粮仓传感光纤串联。拉曼散射强度会受到环境温度的影响，利用自发拉曼散射效应产生的反斯托克斯光和斯托克斯光的强度的比值与温度呈线性关系可以实现测温。

如图2所示，基于光纤拉曼散射的粮仓测温系统包括多路测温光缆1，测温解调模块2，通信模块3，监控客户端4和报警系统5组成。为了保证实时监测每个粮仓内的温度情况，每个粮仓内都铺设有测温用光缆。

所述的测温光缆1采用总线式结构，将每个粮仓串联，便于对粮仓分区管理。在光纤中的散射光信号与温解调模块2的信号输入端相连，温解调模块2 将温度信息降噪处理后通过通信模块3传输至监控客户端4和报警系统5。监控客户端4由PC机和系统软件构成，是对整个子系统进行管理的监控平台。可根据所得温度信息反演出粮仓内的温度场，实时动态监控每个粮仓内的温度变化。报警系统5将所得温度信息与自身设定温度阈值作比较，作出相应的警示提醒。

如图3所示，测温系统模块内部包括激光器1,声光调制器2，光纤双向耦合器3，测温光缆4，光波分复用器5，光电雪崩二极管6，放大器7，信号处理器8和计算机9。激光器1的输出端通过光纤与声光调制器2的输入端相连。声光调制器2的输出端与光纤双向耦合器3的一端相连，声光调制器和电光调制器相比，拥有更高的的消光比和更优良的温度稳定性。光纤双向耦合器3的另一端与测温光缆4相连。激光在测温光缆4反射后得到的散射光经过光纤双向耦合器 3，光纤双向耦合器3的输出端与光波分复用器5的输入端相连。光波分复用器 5将散射光分解成斯托克斯和反斯托克斯散射。斯托克斯散射和反斯托克斯散射都对温度敏感，可根据散射光强度的变化得到测温光缆每个测温点的温度变化，同时温度的变化会引起光纤损耗的变化，可根据损耗变化得到该测温点的位置。分解后的散射光分两路分别送入两个光电雪崩二极管6。光电雪崩二极管6将得到的散射光信号转换为电信号送入放大器7的输入端。经放大器7放大后的模拟电信号的输出端与信号处理器8的输入端相连。信号处理器8将放大器中的模拟电信号逐点采集并转换为数字电信号送入计算机9。计算机利用单工循环编码解码技术将信号解码，解调，恢复出真实的温度值。

本实用新型的工作方式：激光器1发射脉冲激光，通过声光调制器2编码后通过光纤双向耦合器3射入埋入多个粮仓中的测温光缆4，激光在光缆中反射后产生拉曼散射由光纤双向耦合器3接收并送入光波分复用器5。光波分复用器 5将拉曼散射分解成斯托克斯和反斯托克斯散射光分别送入两个光电雪崩二极管6，光电雪崩二极管6将光信号转换为电信号后送入放大器7，信号处理器8 将由放大器7放大后的电信号进行逐点采样，并将模拟电信号转换为数字信号送给计算机9进行温度的信息的解码和解调得到实时的粮仓温度信息，最后通过传输光缆将信息传入监控客户端和报警系统进行下一步操作。

该系统能够实现粮仓温度监测的关键技术有

利用光脉冲射入光纤中发生背向散射产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起结构性损耗，当光纤某一点温度变化时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息的光时域反射技术。

光脉冲和光纤分子作用产生的背向散射光可分解成斯托克斯和反斯托克斯散射，两者都对温度敏感，可通过测量散射光的强弱获取该光纤点的温度值的拉曼散射技术。需要说明的是由于斯托克斯和反斯托克斯散射本身相对于瑞利散射较弱，所以需要通过降噪和信号放大才可获取准确的温度值。

单工循环编码解码技术是循环向测温光纤发送一行N位的二进制编码光脉冲信号，相邻码位的光脉冲保持固定的间隔时间，N位编码光脉冲信号的循环周期等于或大于(会增加测量时间)光信号在测温光纤来回所需的时间，这样使整个测温光纤充满了间隔的光脉冲信号，系统测到的背向散射信号时域曲线是各个码位光脉冲背向散射时域曲线的叠加.由于N位编码光脉冲信号间隔分布在循环周期内，相邻码位的光脉冲有足够大的时间间隔，有效提高了测温光纤的非线性峰值阈值光功率，使系统可采用大峰值功率激光器，获得更好的信噪比。

本实用新型的一个具体实例中，模拟粮仓环境，如图4所示，使用纤芯为 50/125的多模渐变型铠装光缆。模拟粮仓大小为10mx8mx5m，粮食高度为3m。每隔3m等间距使用牵引管将测温光缆埋入粮堆中，每个模拟粮仓内测温光缆总长度为100米，可根据粮仓内测温光缆布设方式，得到温度异常点位置。使用 1550nm光纤激光器发出脉冲光，通过测温解调模块得到温度信息，通过传输光缆在PC主机的显示器上显示测量的温度曲线。控制模拟粮仓内温度变化从40℃至75℃慢慢加温，测温系统每隔10秒进行一次温度和位置的采集，并将所得数据与标准温度计和标准测量工具进行测量温度和测量距离的比较。由客户端可得到如表1所示温度信息和表2所示的位置信息。由表数据可知，系统测温精度可达±1℃，空间分辨率可达±1米。

表1：光缆测温与标准温度计测温比较

表2：光缆定位与标准测量工具比较

选择测温点1388米处模拟温度异常点进行50℃加热，其他各点均保持室温，可得到如图5所示客户端监控温度曲线图。

以上所述的及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也因视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于脉冲编码技术的粮仓分布式光纤拉曼温度监测仪，其特征在于包括测温光缆和测温系统，测温系统由基于脉冲编码技术的测温解调模块，通信模块，报警模块及后台监控客户端模块构成；

所述的测温光缆为铠装光缆；将测温光缆等间隔自然埋入粮食堆中，用支架固定每段测温光缆的位置，测温光缆转弯时，其弯曲半径应大于光缆自身半径的20倍，采用总线式结构，将每个粮仓通过测温光缆串联，对粮仓编号，分区管理，对多个粮仓同时监测；

所述的基于脉冲编码技术的测温解调模块，包括激光器、声光调制器、光纤双向耦合器、光波分复用器、光电雪崩二极管、放大器、信号处理器、PC主机；

激光器发出脉冲激光与声光调制器的光输入端口相连，进入声光调制器的输入端，编码后与光纤双向耦合器的1口相连，沿光缆传输的脉冲激光在光缆内会激发出拉曼散射光，散射光经光纤双向耦合器的2口进入光波分复用器的输入端，光波分复用器的输出端分别与两路光电雪崩二极管输入端相连，光电雪崩二极管的输出端与两路放大器的输入端相连，放大器的输出端与信号处理器输入端相连，信号处理器输出端与PC机相连，进行温度信息解调；

将解调以后的温度信息通过无线网传输至报警模块，若所测温度超过报警设定阈值，则报警模块发出警报告知人员进行现场查验，同时，温度信息也将传输到后方客户端，得到粮仓内各个待测点的温度变化图和温度变化速率，实时动态反映粮仓内温度；

所述的通信模块，通过UDP协议将测温解调模块的温度信息传输给报警模块和后台的监控客户端；

所述的报警模块通过通信模块得到测温解调模块的温度信息，若所测温度超过报警设定的阈值，则报警模块发出警报告知人员进行现场检查；

所述的后台监控客户端，将从测温解调模块得到的各个点的位置信息和温度信息实时反演成动态图形，更加直观的了解粮仓内温度分布情况，若发生某处温度异常可快速定位配合报警模块进行有效处理。