基于熒光光纖傳感的冷藏車溫度監測及動態預

警倪錦 徐文其 沈建

摘要：冷藏車溫度監控是保證水產品運輸過程中質量安全、減少經濟損耗的關鍵，當前冷藏車溫度監控在智能控制方面缺乏較好的方法，常規的冷藏車溫度監測采用傳統傳感器，根據單一閾值的控制方法，缺乏足夠可靠性和動態預警手段。本研究分析了熒光光纖測溫技術原理，建立了基于熒光光纖技術的冷藏溫度監測方案，形成了冷藏車溫度動態預警模型。驗證結果表明，采用均值預測算法能夠較好地預估冷藏車溫度變化趨勢，預測溫度與實測溫度最大偏差為0.27 ℃，冷藏車溫度預測模型中的預警域能夠根據溫度變化，動態調節預警值，實現動態預警，為冷藏車溫度監測提供了一種新方法。

關鍵詞：冷藏車;熒光光纖;溫度監測;動態預警;傳感器

中圖分類號：TP277文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0157-05

收稿日期：2020-05-08

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2018YFD0701005）。

作者簡介：倪錦（1985—），男，江蘇海門人，碩士，助理研究員，主要從事水產品加工裝備技術研究。E-mail：nijin@fmiri.ac.cn。

通信作者：沈建，碩士，研究員，主要從事水產品加工裝備技術研究。E-mail：shenjian@fmiri.ac.cn。

隨著社會的進步和人民生活水平的提高，人們對水產品保鮮要求越來越高，水產品冷鏈物流便應運而生，水產品冷鏈物流是指冷藏冷凍類水產品在生產、運輸、銷售到消費的各個供應鏈環節中始終處于特定的低溫環境下，以保證水產品質量安全、保鮮，減少資源損耗的一項系統工程[1]。我國冷鏈物流系統的發展水平尚處于初級階段，相關設施以及管理體系還不完善，水產品流通損耗率遠高于發達國家的5%的平均水平[2]。水產品冷藏車在水產品冷鏈物流中起到非常重要的作用，是冷鏈物流的關鍵環節[3]，對于一般的溫度不敏感的水產品，當測量的溫度超過一定閾值時會發出警報從而采取應急措施，然而對于某些高價值且對溫度敏感的水產制品等一旦溫度超過一定的閾值將會造成其品質降低[4]。

近年來，國內外學者在冷藏車環境溫度監測、熒光光纖測溫領域開展了相關研究，李錦等基于動態熱平衡方程，對影響車廂內溫度的條件進行了分析，并建立了冷藏車車廂開門時，車廂內溫度的數學模型，對不同參數調解下的溫濕度變化情況開展了仿真驗證[5]。孫桂初介紹了易腐貨物對溫度條件的要求、恒溫控制的基本方式、恒溫與檢溫的配合等問題，并提出冷藏車應選擇的最優檢溫儀表[6]。楊潔等以Atmega16單片機為控制核心的冷藏車空調控制器的原理、功能和設計方案，詳細描述了軟件開發與實現流程，分析了系統的可靠性，該款空調控制器在功能上較普通冷藏車空調控制器有了較大改進[7]。張載龍等針對逆向傳播（BP）神經網絡中存在的收斂速度慢的問題，提出了一種自適應的學習速率的新方法，并將其應用于冷藏車溫度預測中，通過Matlab仿真表明該算法具有很好的預測效果[8]。彭靈利等利用熒光光纖檢測法監測環網柜電纜接口溫度，具有高精度，可以滿足環網柜在線監測實際需求[9]。

綜上所述，冷藏車的溫度監測是保證冷藏貨物品質的重要手段，現有冷藏車的溫度監測采用傳統傳感器根據單一臨界點溫度確定冷藏車溫度的波動情況，缺乏動態預警手段。為此，本研究擬建立基于熒光光纖測溫技術的冷藏溫度監測方法，形成冷藏車溫度動態預警模型，并開展試驗驗證動態預警的可行性。

1熒光光纖測溫的原理

某些特定稀土元素的熒光物質，其熒光壽命與溫度有著固定的關系。從圖1可以看出，熒光壽命從熒光信號Io衰減到Io/e的時間，熒光壽命與溫度存在確定的函數關系，只要獲得熒光壽命與溫度的函數，就可以根據熒光壽命確定溫度的值[10]。

熒光型光纖傳感器在使用的過程中，被測目標的溫度是熒光光纖材料發出熒光壽命的單值函數，與系統的其他變量無關，即不受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射等影響，相對于其他測溫方法具有明顯的優勢[11]。（1）熒光光纖溫度傳感探頭采用全光纖微小探頭，無金屬材料，具有完全的電絕緣性、可耐受化學腐蝕、高壓、強電磁場等;（2）熒光光纖溫度傳感器的測溫探頭尺寸小，柔韌性好，耐高溫，可實現探頭直徑0.2～3.0 mm，彎曲半徑最小到5 mm以下，可以應用在微小功能系統;（3）測溫探頭可以互換，測溫探頭替換后不須要校正，可采用直接接觸式實時溫度監測，性能可靠穩定。

熒光光纖測溫裝置原理見圖2，熒光光纖傳感器的溫度測量方法為熒光物質的分子外層電子受到激發光照射后，出現電子吸收能量躍遷，當激發光照射結束后，電子重新返回基態的過程有能量輻射，產生熒光。其物質表面溫度與熒光余輝衰減存在關聯，關系如下：

I（t）=AIp（T）e1τ（T）（1）

式中：A為常系數;t為余輝衰減時間;τ（T）為熒光壽命;T為溫度;AIp為熒光峰值強度。

2冷藏車內溫度監測方法

2.1冷藏車內的傳感器布置

熒光光纖傳感器布置在冷藏車中回風口區域，以懸掛的方式固定傳感器，用來監測回風氣流溫度，在冷藏車靠近箱柜門的貨物堆放區和冷藏車幾何中心位置分別設置傳感器，在車廂頂部設置傳感器。在冷藏車內布置的傳感器見圖3。

2.2冷藏車溫度監測方案

冷藏車的溫度監測系統包括熒光光纖探頭、光纖溫度變送器、光電轉換模塊以及采集軟件等。熒光傳感器參數見表1，熒光光纖探頭由ST接頭、光纖光纜、末端感溫端等3部分組成，熒光光纖探頭整體耐200 ℃高溫，外表直徑為3 mm，長期彎曲半徑為13.2 cm，短期彎曲半徑為4.4 cm。光纖引出線對地距離為0.4 m的情況下，耐受工頻電壓100 kV，持續時間為5 min。光纖溫度變送器擁有標準的通信接口，可將溫度信息遠傳至后臺。通信方式包括RS485、Modbus和模擬信號燈。測量精度為±1% ℃，分辨率為0.1 ℃。光電轉換模塊負責發送、接收并解析熒光光纖傳回的含有溫度信息的光信號。

3冷藏車溫度動態預警模型

3.1冷藏車溫度均值預測算法

冷藏車溫度特指冷藏車車廂內部的環境溫度。假設冷藏車內的溫度時間矩陣為[Tt，Tt-Δt，…，T1]，冷藏車溫度變化是一個連續過程，距離當前時刻越近的溫度數據對此刻溫度的影響越大。給不同的歷史數據分配不同的權值。設t時刻的權重為n2，則t-Δt時刻的權重為（n-1）2，依此類推。計算 t+Δt 時刻的預測溫度Tt+Δt為

Tt+Δt=n2Tt+（n-1）2Tt-Δt+…+T1n2+（n-1）2+…+1。（1）

n為自然數序列，根據采樣次數動態調整。采樣間隔時間Δt預先設定。

計算t+Δt時刻的溫度改變速率（α）：

α=Tt+Δt-Tt|Tt+Δt-Tt|×2Tt+Δt-TtΔt。（2）

式中：Δt為溫度采樣間隔時間。

溫度動態臨界點的初始值由經驗值HT給定，記作ini=HT，溫度動態臨界點的下限值為min，上限值為max，根據α的數值調整臨界點值*t+Δt：

*t+Δt=*t-μα;（3）

其中初始時：

*t=*1=*ini=HT。（4）

其中，μ為調整系數，μ為自然數。

溫度動態臨界點上限值和下限值的計算公式為

min=e1*t+Δt;（5）

max=e2*t+Δt。（6）

其中：e1、e2為調節系數，由工藝試驗決定。

以冷藏車溫度為評價指標，將冷藏車溫度的專家預警域T設為[Tmin、Tmax]（單位： ℃），預警專家域T是動態預測算法的補充。根據冷藏車的溫度情況，預警專家域中的Tmin，Tmax根據專家經驗設定，跟前述的動態臨界點上限值min和下限值max比較，動態更新動態溫度臨界點上限值和下限值：

若min≥Tmax或max≤Tmin，則min=Tmin，max=Tmax;若Tmin≤min≤max≤Tmax，則min=min，max=max;若min

按照冷藏車溫度T變化情況將人們對溫度的反應大致分為溫度過高、溫度正常、溫度過低。分別用VHT、MT和VLT來表示。

確定冷藏車溫度的動態預警域VHT、MT和VLT分別如下：

VHT的區域為[max，max+α2];

VLT的區域為[min-α1，min];

MT的區域為（min，max）。

其中，α1、α2為正數，其數值由專家經驗值決定。

3.2動態預警的模糊推理決策機制

利用模糊推理算法進行智能決策。以Tt+Δt、Tt、Tt-Δt等3個時刻的溫度進行模糊推理判斷預警信息發送時機，綜合溫度變化趨勢，按照人類推理的思維方式對冷藏車溫度監控進行智能化處理。模糊推理的預警決策規則如下;

若溫度Tt-Δt、Tt、Tt+Δt中任意一個值在動態預警域VHT、MT和VLT區域外，那么屬于溫度異常，發出溫度異常報警;若Tt∈VHT，Tt+Δt∈VHT，溫度過高，發出高溫報警;若Tt∈MT，Tt+Δt∈VHT，溫度過高，發出高溫報警;若Tt∈VLT，Tt+Δt∈VHT，溫度過高，發出高溫報警;若Tt∈VLT，Tt+Δt∈VLT，溫度過低，發出低溫報警;若 Tt∈MT，Tt+Δt∈VLT，溫度過低，發出低溫報警;若Tt∈VHT，Tt+Δt∈VLT，溫度過低，發出低溫報警;其余情況，不發出溫度異常預警。

4監測實況與預警效果判別

測試的冷藏車為單溫區冷凍車，車廂尺寸為 5 040 mm×2 240 mm×2 140 mm，凍結預設溫度為-20 ℃，設定控制精度為±1 ℃。制冷機組的單蒸發器固定在車廂冷凍區處，車廂內的氣流循環主要通過蒸發器的出風和回風來實現。采用熒光光纖傳感器測量冷藏車內溫度，開展冷藏車溫度監測與預警效果分析研究，穩定狀態下冷藏車內溫度與預測值對比情況見圖4。從圖4可以看出，采用均值預測算法能夠較好地預估冷藏車溫度變化趨勢，預測溫度與實測溫度最大偏差為0.27 ℃，測試結果驗證了前述預測溫度模型的準確性。

從圖5可以看出，本研究設計的冷藏車溫度預測模型中的溫度預警域的上限值與下限值是動態變化的，當實測溫度偏高時，溫度預警域的上限值向下逼近;當實測溫度偏低時，溫度預警域的下限值向上逼近。冷藏車溫度預測模型中的預警域能夠根據溫度的變化，動態調節預警值，實現動態預警。

從圖6可以看出，冷藏車溫度預警的動態上限值和下限值屬于專家預警的上限和下限之間，預測溫度位于動態上限和動態下限之間，通過使用動態預警域能夠較好地實現冷藏車溫度的動態預警。

5結論

熒光光纖測溫技術相對于傳統測溫優勢明顯，可靠性高，維護成本低。本研究建立了基于熒光光纖傳感器的冷藏車溫度監測方案，建立了冷藏車溫度動態預警模型，開展了試驗驗證，主要結論如下：（1）利用均值預測法實現了冷藏車溫度動態預測，利用模糊推理決策機制建立了冷藏車溫度預警的動態預警機制，為冷藏車溫度動態預警提供了理論依據。（2）冷藏車溫度監測試驗驗證了冷藏溫度動態預警模型的可行性，為冷藏車溫度監測提供了嶄新的方法。參考文獻：

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