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基于荧光光纤传感的冷藏车温度监测及动态预

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警倪锦徐文其沈建

摘要：冷藏车温度监控是保证水产品运输过程中质量安全、减少经济损耗的关键，当前冷藏车温度监控在智能控制方面缺乏较好的方法，常规的冷藏车温度监测采用传统传感器，根据单一阈值的控制方法，缺乏足够可靠性和动态预警手段。本研究分析了荧光光纤测温技术原理，建立了基于荧光光纤技术的冷藏温度监测方案，形成了冷藏车温度动态预警模型。验证结果表明，采用均值预测算法能够较好地预估冷藏车温度变化趋势，预测温度与实测温度最大偏差为0.27 ℃，冷藏车温度预测模型中的预警域能够根据温度变化，动态调节预警值，实现动态预警，为冷藏车温度监测提供了一种新方法。

关键词：冷藏车;荧光光纤;温度监测;动态预警;传感器

中图分类号：TP277文献标志码： A文章编号：1002-1302（2021）02-0157-05

收稿日期：2020-05-08

基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFD0701005）。

作者简介：倪锦（1985—），男，江苏海门人，硕士，助理研究员，主要从事水产品加工装备技术研究。E-mail：nijin@fmiri.ac.cn。

通信作者：沈建，硕士，研究员，主要从事水产品加工装备技术研究。E-mail：shenjian@fmiri.ac.cn。

随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们对水产品保鲜要求越来越高，水产品冷链物流便应运而生，水产品冷链物流是指冷藏冷冻类水产品在生产、运输、销售到消费的各个供应链环节中始终处于特定的低温环境下，以保证水产品质量安全、保鲜，减少资源损耗的一项系统工程[1]。我国冷链物流系统的发展水平尚处于初级阶段，相关设施以及管理体系还不完善，水产品流通损耗率远高于发达国家的5%的平均水平[2]。水产品冷藏车在水产品冷链物流中起到非常重要的作用，是冷链物流的关键环节[3]，对于一般的温度不敏感的水产品，当测量的温度超过一定阈值时会发出警报从而采取应急措施，然而对于某些高价值且对温度敏感的水产制品等一旦温度超过一定的阈值将会造成其品质降低[4]。

近年来，国内外学者在冷藏车环境温度监测、荧光光纤测温领域开展了相关研究，李锦等基于动态热平衡方程，對影响车厢内温度的条件进行了分析，并建立了冷藏车车厢开门时，车厢内温度的数学模型，对不同参数调解下的温湿度变化情况开展了仿真验证[5]。孙桂初介绍了易腐货物对温度条件的要求、恒温控制的基本方式、恒温与检温的配合等问题，并提出冷藏车应选择的最优检温仪表[6]。杨洁等以Atmega16单片机为控制核心的冷藏车空调控制器的原理、功能和设计方案，详细描述了软件开发与实现流程，分析了系统的可靠性，该款空调控制器在功能上较普通冷藏车空调控制器有了较大改进[7]。张载龙等针对逆向传播（BP）神经网络中存在的收敛速度慢的问题，提出了一种自适应的学习速率的新方法，并将其应用于冷藏车温度预测中，通过Matlab仿真表明该算法具有很好的预测效果[8]。彭灵利等利用荧光光纤检测法监测环网柜电缆接口温度，具有高精度，可以满足环网柜在线监测实际需求[9]。

综上所述，冷藏车的温度监测是保证冷藏货物品质的重要手段，现有冷藏车的温度监测采用传统传感器根据单一临界点温度确定冷藏车温度的波动情况，缺乏动态预警手段。为此，本研究拟建立基于荧光光纤测温技术的冷藏温度监测方法，形成冷藏车温度动态预警模型，并开展试验验证动态预警的可行性。

1荧光光纤测温的原理

某些特定稀土元素的荧光物质，其荧光寿命与温度有着固定的关系。从图1可以看出，荧光寿命从荧光信号Io衰减到Io/e的时间，荧光寿命与温度存在确定的函数关系，只要获得荧光寿命与温度的函数，就可以根据荧光寿命确定温度的值[10]。

荧光型光纤传感器在使用的过程中，被测目标的温度是荧光光纤材料发出荧光寿命的单值函数，与系统的其他变量无关，即不受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射等影响，相对于其他测温方法具有明显的优势[11]。（1）荧光光纤温度传感探头采用全光纤微小探头，无金属材料，具有完全的电绝缘性、可耐受化学腐蚀、高压、强电磁场等;（2）荧光光纤温度传感器的测温探头尺寸小，柔韧性好，耐高温，可实现探头直径0.2～3.0 mm，弯曲半径最小到5 mm以下，可以应用在微小功能系统;（3）测温探头可以互换，测温探头替换后不须要校正，可采用直接接触式实时温度监测，性能可靠稳定。

荧光光纤测温装置原理见图2，荧光光纤传感器的温度测量方法为荧光物质的分子外层电子受到激发光照射后，出现电子吸收能量跃迁，当激发光照射结束后，电子重新返回基态的过程有能量辐射，产生荧光。其物质表面温度与荧光余辉衰减存在关联，关系如下：

I（t）=AIp（T）e1τ（T）（1）

式中：A为常系数;t为余辉衰减时间;τ（T）为荧光寿命;T为温度;AIp为荧光峰值强度。

2冷藏车内温度监测方法

2.1冷藏车内的传感器布置

荧光光纤传感器布置在冷藏车中回风口区域，以悬挂的方式固定传感器，用来监测回风气流温度，在冷藏车靠近箱柜门的货物堆放区和冷藏车几何中心位置分别设置传感器，在车厢顶部设置传感器。在冷藏车内布置的传感器见图3。

2.2冷藏车温度监测方案

冷藏车的温度监测系统包括荧光光纤探头、光纤温度变送器、光电转换模块以及采集软件等。荧光传感器参数见表1，荧光光纤探头由ST接头、光纤光缆、末端感温端等3部分组成，荧光光纤探头整体耐200 ℃高温，外表直径为3 mm，长期弯曲半径为13.2 cm，短期弯曲半径为4.4 cm。光纤引出线对地距离为0.4 m的情况下，耐受工频电压100 kV，持续时间为5 min。光纤温度变送器拥有标准的通信接口，可将温度信息远传至后台。通信方式包括RS485、Modbus和模拟信号灯。测量精度为±1% ℃，分辨率为0.1 ℃。光电转换模块负责发送、接收并解析荧光光纤传回的含有温度信息的光信号。

3冷藏车温度动态预警模型

3.1冷藏车温度均值预测算法

冷藏车温度特指冷藏车车厢内部的环境温度。假设冷藏车内的温度时间矩阵为[Tt，Tt-Δt，…，T1]，冷藏车温度变化是一个连续过程，距离当前时刻越近的温度数据对此刻温度的影响越大。给不同的历史数据分配不同的权值。设t时刻的权重为n2，则t-Δt时刻的权重为（n-1）2，依此类推。计算 t+Δt 时刻的预测温度Tt+Δt为

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

n为自然数序列，根据采样次数动态调整。采样间隔时间Δt预先设定。

计算t+Δt时刻的温度改变速率（α）：

α=Tt+Δt-Tt|Tt+Δt-Tt|×2Tt+Δt-TtΔt。（2）

式中：Δt为温度采样间隔时间。

温度动态临界点的初始值由经验值HT给定，记作ini=HT，温度动态临界点的下限值为min，上限值为max，根据α的数值调整临界点值*t+Δt：

*t+Δt=*t-μα;（3）

其中初始时：

*t=*1=*ini=HT。（4）

其中，μ为调整系数，μ为自然数。

温度动态临界点上限值和下限值的计算公式为

min=e1*t+Δt;（5）

max=e2*t+Δt。（6）

其中：e1、e2为调节系数，由工艺试验决定。

以冷藏车温度为评价指标，将冷藏车温度的专家预警域T设为[Tmin、Tmax]（单位： ℃），预警专家域T是动态预测算法的补充。根据冷藏车的温度情况，预警专家域中的Tmin，Tmax根据专家经验设定，跟前述的动态临界点上限值min和下限值max比较，动态更新动态温度临界点上限值和下限值：

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

按照冷藏车温度T变化情况将人们对温度的反应大致分为温度过高、温度正常、温度过低。分别用VHT、MT和VLT来表示。

确定冷藏车温度的动态预警域VHT、MT和VLT分别如下：

VHT的区域为[max，max+α2];

VLT的区域为[min-α1，min];

MT的区域为（min，max）。

其中，α1、α2为正数，其数值由专家经验值决定。

3.2动态预警的模糊推理决策机制

利用模糊推理算法进行智能决策。以Tt+Δt、Tt、Tt-Δt等3个时刻的温度进行模糊推理判断预警信息发送时机，综合温度变化趋势，按照人类推理的思维方式对冷藏车温度监控进行智能化处理。模糊推理的预警决策规则如下;

若温度Tt-Δt、Tt、Tt+Δt中任意一个值在动态预警域VHT、MT和VLT区域外，那么属于温度异常，发出温度异常报警;若Tt∈VHT，Tt+Δt∈VHT，温度过高，发出高温报警;若Tt∈MT，Tt+Δt∈VHT，温度过高，发出高温报警;若Tt∈VLT，Tt+Δt∈VHT，温度过高，发出高温报警;若Tt∈VLT，Tt+Δt∈VLT，温度过低，发出低温报警;若 Tt∈MT，Tt+Δt∈VLT，温度过低，发出低温报警;若Tt∈VHT，Tt+Δt∈VLT，温度过低，发出低温报警;其余情况，不发出温度异常预警。

4监测实况与预警效果判别

测试的冷藏车为单温区冷冻车，车厢尺寸为 5 040 mm×2 240 mm×2 140 mm，冻结预设温度为-20 ℃，設定控制精度为±1 ℃。制冷机组的单蒸发器固定在车厢冷冻区处，车厢内的气流循环主要通过蒸发器的出风和回风来实现。采用荧光光纤传感器测量冷藏车内温度，开展冷藏车温度监测与预警效果分析研究，稳定状态下冷藏车内温度与预测值对比情况见图4。从图4可以看出，采用均值预测算法能够较好地预估冷藏车温度变化趋势，预测温度与实测温度最大偏差为0.27 ℃，测试结果验证了前述预测温度模型的准确性。

从图5可以看出，本研究设计的冷藏车温度预测模型中的温度预警域的上限值与下限值是动态变化的，当实测温度偏高时，温度预警域的上限值向下逼近;当实测温度偏低时，温度预警域的下限值向上逼近。冷藏车温度预测模型中的预警域能够根据温度的变化，动态调节预警值，实现动态预警。

从图6可以看出，冷藏车温度预警的动态上限值和下限值属于专家预警的上限和下限之间，预测温度位于动态上限和动态下限之间，通过使用动态预警域能够较好地实现冷藏车温度的动态预警。

5结论

荧光光纤测温技术相对于传统测温优势明显，可靠性高，维护成本低。本研究建立了基于荧光光纤传感器的冷藏车温度监测方案，建立了冷藏车温度动态预警模型，开展了试验验证，主要结论如下：（1）利用均值预测法实现了冷藏车温度动态预测，利用模糊推理决策机制建立了冷藏车温度预警的动态预警机制，为冷藏车温度动态预警提供了理论依据。（2）冷藏车温度监测试验验证了冷藏温度动态预警模型的可行性，为冷藏车温度监测提供了崭新的方法。参考文献：

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