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光纤光栅传感器
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基于光纤传感技术的危险品生产设施分布式监测系统实施方案
- 作者：聚华信息官
- 发表时间：2019-08-12 15:03
- 来源：聚华光纤传感实验室
概述
石油化工工业生产是一个高风险的产业体系，安全生产在石油化工工业生产中具有十分重要的地位。在生产过程中，原料和产品多为易燃易爆、有毒有害的物质，生产技术复杂，稍有不慎，容易发生事故，造成人员的伤亡和国家财产的损失。近年来，化工事故时有发生，给人民生命财产安全与社会经济发展造成了严重的影响，因此，多数化工企业都在寻找保证生产安全的解决方案。同时如何防止化工事故造成损失也成为科技工作者的紧迫课题。
目前问题与不足
经过对数百起石油化工安全事故的调查发现，引发事故的主要原因归类如下：
1、设备变形、腐蚀损坏导致事故发生
2、工作人员违反操作规程
3、温度变化或者引发明火造成爆炸事件
4、气体浓度发生变化引发爆炸
5、工业用料发生泄漏引发事故
6、管道压力变化导致泄漏引发事故
经分析事故原因我们发现，目前石油化工生产在安全方面主要面临如下的挑战：
1、设备出现异常无相应的监测手段，一旦人员疏忽导致无法及时发现，形成安全事故隐患。
2、人工巡检效率低：传统油田采用人工巡检的方式采集生产数据或者防范非法人员的入侵，周期长，收集现场信息的延迟较大。
3、无报警或报警不及时：当一些风险事故发生时，如油气泄漏、燃烧，现场缺乏气体探测设施，报警不及时，容易导致事故扩大化和人员伤亡。
4、应急指挥效率低：多种监控系统孤立，管理人员无法掌握足够信息；现有通信方式主要为语音，手段单一，不能快速协调各方资源快速定位和解决问题，容易扩大影响。
方案目标
本方案的总体目标是解决复杂环境下的不同监测传感器类型的有效融合、采用4G无线网络传输技术，通过云计算方式建立统一的防灾减灾安全监测系统平台。
1、信号数据采集融合技术：由于化工行业生产的特殊性，所需监测的内容种类繁多，导致所需的传感器也非常之广，主要常用的有压力传感器、应变传感器、温度传感器、风向传感器、加速度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、气体传感器、灰尘传感器、湿度传感器、腐蚀传感器等。目前，在该领域的数据采集设备，普遍只能实现对单一物理量测量的多传感器同步采集。对于不同类型传感器需要不同采样率的的情况，缺乏相应的同步采集功能，针对监测中的传感器种类多、数量大、分布广、信号测量精度和同步性要求高、信号分析处理实时性强的需求，本项目拟采用基于PAC平台的嵌入式硬件平台架构，并研制开发出一种多信号采集解调系统，实现对不同传感器原始信号的有效采集。
2、4G无线通信技术：针对化工行业采用的传感器种类多、数量大、分布广，难布线等特点，该项目将开发针对性较强的4G通信传输设备，将分散的大量现场采集数据高速、实时的传输到监测数据中心，由数据中心统一进行分析处理。
3、云计算技术：该项目将利用云计算技术建立数据监测中心，可对所有不同类型数据进行存储、智能分析、实时预警、应急响应，保障化工企业的安全运营。
总体设计模式研究方案
本项目从监测的实际需求出发，解决监测数据采集、处理、分析、相应、反馈、存储的一些关键难题。本项目采用分布式云数据中心端到端解决方案，将传统的分散、异构、分级的传感数据采集业务架构整合替换为物理分散、逻辑集中的分布式云数据中心架构，将不同地点、不同时期、不同规模的传感数据采集点整合为一个统一的信号“逻辑资源池”，实现统一分析、统一管理、统一监测、统一呈现。
关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
关于光纤光栅传感器
光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor ）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com www.juhualab.com
石油化工工业生产是一个高风险的产业体系，安全生产在石油化工工业生产中具有十分重要的地位。在生产过程中，原料和产品多为易燃易爆、有毒有害的物质，生产技术复杂，稍有不慎，容易发生事故，造成人员的伤亡和国家财产的损失。近年来，化工事故时有发生，给人民生命财产安全与社会经济发展造成了严重的影响，因此，多数化工企业都在寻找保证生产安全的解决方案。同时如何防止化工事故造成损失也成为科技工作者的紧迫课题。
目前问题与不足
经过对数百起石油化工安全事故的调查发现，引发事故的主要原因归类如下：
1、设备变形、腐蚀损坏导致事故发生
2、工作人员违反操作规程
3、温度变化或者引发明火造成爆炸事件
4、气体浓度发生变化引发爆炸
5、工业用料发生泄漏引发事故
6、管道压力变化导致泄漏引发事故
经分析事故原因我们发现，目前石油化工生产在安全方面主要面临如下的挑战：
1、设备出现异常无相应的监测手段，一旦人员疏忽导致无法及时发现，形成安全事故隐患。
2、人工巡检效率低：传统油田采用人工巡检的方式采集生产数据或者防范非法人员的入侵，周期长，收集现场信息的延迟较大。
3、无报警或报警不及时：当一些风险事故发生时，如油气泄漏、燃烧，现场缺乏气体探测设施，报警不及时，容易导致事故扩大化和人员伤亡。
4、应急指挥效率低：多种监控系统孤立，管理人员无法掌握足够信息；现有通信方式主要为语音，手段单一，不能快速协调各方资源快速定位和解决问题，容易扩大影响。
方案目标
本方案的总体目标是解决复杂环境下的不同监测传感器类型的有效融合、采用4G无线网络传输技术，通过云计算方式建立统一的防灾减灾安全监测系统平台。
1、信号数据采集融合技术：由于化工行业生产的特殊性，所需监测的内容种类繁多，导致所需的传感器也非常之广，主要常用的有压力传感器、应变传感器、温度传感器、风向传感器、加速度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、气体传感器、灰尘传感器、湿度传感器、腐蚀传感器等。目前，在该领域的数据采集设备，普遍只能实现对单一物理量测量的多传感器同步采集。对于不同类型传感器需要不同采样率的的情况，缺乏相应的同步采集功能，针对监测中的传感器种类多、数量大、分布广、信号测量精度和同步性要求高、信号分析处理实时性强的需求，本项目拟采用基于PAC平台的嵌入式硬件平台架构，并研制开发出一种多信号采集解调系统，实现对不同传感器原始信号的有效采集。
2、4G无线通信技术：针对化工行业采用的传感器种类多、数量大、分布广，难布线等特点，该项目将开发针对性较强的4G通信传输设备，将分散的大量现场采集数据高速、实时的传输到监测数据中心，由数据中心统一进行分析处理。
3、云计算技术：该项目将利用云计算技术建立数据监测中心，可对所有不同类型数据进行存储、智能分析、实时预警、应急响应，保障化工企业的安全运营。
总体设计模式研究方案
本项目从监测的实际需求出发，解决监测数据采集、处理、分析、相应、反馈、存储的一些关键难题。本项目采用分布式云数据中心端到端解决方案，将传统的分散、异构、分级的传感数据采集业务架构整合替换为物理分散、逻辑集中的分布式云数据中心架构，将不同地点、不同时期、不同规模的传感数据采集点整合为一个统一的信号“逻辑资源池”，实现统一分析、统一管理、统一监测、统一呈现。
关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
关于光纤光栅传感器
光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor ）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com www.juhualab.com
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