基于tdlas技術(shù)的氨氣檢測仿真系統(tǒng)及其仿真分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種發(fā)動機尾氣中氨氣檢測技術(shù)，特別是涉及一種基于TDLAS技術(shù)的 氨氣檢測仿真系統(tǒng)及其仿真分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源和環(huán)境是人類社會生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，發(fā)動機作為與能源和環(huán)境關(guān)系極 為密切的載體，已成為與各行業(yè)、家庭密切相關(guān)的生產(chǎn)生活必需品。柴油機以其油耗低、扭 矩大的優(yōu)勢，被廣泛應用于船舶動力、發(fā)電、灌溉、車輛動力等領(lǐng)域，尤其在車輛動力方面的 發(fā)展優(yōu)勢最為明顯。隨著柴油汽車保有量的快速、持續(xù)增長，柴油汽車尾氣排放的主要氣體 成分氮氧化物（NOx)和顆粒物（PM)對環(huán)境的污染問題日益突出。研宄和實踐表明，以尿素 水溶液為還原劑的SCR技術(shù)是唯一能夠滿足國IV甚至未來國V要求的排氣后處理方法。 其原理是利用柴油汽車排氣管排氣的熱量使得還原劑（尿素+水，比例32. 5% )熱解生成 NH3，在催化劑的作用下與排氣中N0X進行還原反應生成氮氣和水。尿素劑量由SCR電控系 統(tǒng)控制，實際工作中噴出的尿素量應略多于化學反應所需要的量，以確保還原完全，剩余的 NH3排放到大氣中。這一部分排放的NH3又造成了新的大氣環(huán)境污染。
[0003] 此外，NH3很容易和大氣中的一些酸性氣體發(fā)生中和反應生成銨鹽，促進大氣細顆 粒物（PM2. 5)的形成，排放到空氣中會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境效應，對空氣質(zhì)量、大氣能見度及酸 性沉降有重要影響。
[0004] 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TunableDiodeLaserAbsorption Spectros-copy，TDLAS)，作為一種高選擇性、高靈敏度、高精度的快速在線檢測技術(shù)，被廣 泛應用于環(huán)境大氣檢測領(lǐng)域。TDLAS利用半導體激光器調(diào)諧特性，結(jié)合諧波檢測技術(shù)，對特 定頻率處的待測氣體進行吸收探測。由于探測的譜線線寬很窄，故可避免其他氣體干擾，實 現(xiàn)近似"單線光譜"檢測。由于激光的相干性好且光功率密度高，因而可實現(xiàn)高精度檢測。 諧波探測技術(shù)結(jié)合長光程技術(shù)，能夠很好的抑制噪聲，提高檢測靈敏度，檢測限可達ppm~ ppt級別[18][19]。此外，它可以實現(xiàn)開放光程的實時、在線檢測，一系列優(yōu)越性能使其在 大氣線檢測方面迅速發(fā)展，成為重要檢測手段之一。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中亟待研發(fā)一種以SCR型機動車逃逸氨為檢測目標，開展TDLAS檢測的 氨氣檢測仿真系統(tǒng)，以便于學術(shù)研宄，乃至于產(chǎn)業(yè)預測分析的借鑒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了基于TDLAS技術(shù)的氨氣檢測仿真系統(tǒng)及其 仿真分析方法，對檢測系統(tǒng)進行了基于Simulink軟件的仿真建模，并且實現(xiàn)了二次諧波信 號的建模分析。
[0007] 本發(fā)明提出了一種基于TDLAS技術(shù)的氨氣檢測仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括利用計算機 仿真軟件工具Simulink仿真出的光源模塊、氣室模塊以及信號檢測模塊；其中：
[0008] 所述光源模塊，用于將調(diào)制電流注入到激光器中進行波長調(diào)制，由激光器輸出一 定頻率及強度的激光；
[0009] 所述氣室模塊，用于實現(xiàn)待測氣體在特定中心波長處，按照特定譜線吸收線型對 激光進行吸收，主要在于譜線線型的確定，完成模擬激光在氣室中的吸收；
[0010] 所述信號檢測模塊，用于探測二次諧波信號，封裝后的仿真模塊如圖6所示，洛倫 茲和高斯線型下的二次諧波信號的仿真結(jié)果。
[0011] 本發(fā)明還提出了一種利用基于TDLAS技術(shù)的氨氣檢測仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的仿真分析 方法，考慮光強調(diào)制下的二次諧振信號進行仿真分析，該方法包括以下步驟：
[0012] 步驟1、仿真分析光強調(diào)制的線性部分對二次諧波的影響，給定非線性部分參數(shù)， 通常非線性部分較小，設置非線性部分參數(shù)如下：巾 2= 100°，k2= 0.05,模擬結(jié)果通過 Simulink的存儲模塊"ToWorkspaces"導出到Matlab里進行分析顯示，其中橫坐標為歸一 化頻率失諧量x= (v。、) /Av;
[0013] 隨著相移角的接近，峰高比接近1，對稱性逐漸變好；
[0014] 固定線性相移t，改變線性系數(shù)匕。當線性相移<^= 90°時，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信號和探測信號相同，線性部分為0，匕對信號無影響；
[0015] 當線性相移巾聲90°時，改變線性系數(shù)1^，二次諧波的分析信號和探測信號兩者 的基線隨匕基本保持不變，探測信號依舊存在基線偏移；兩者峰高比隨k/變化相同，均隨著 &的增大而線性減小，對稱性變差，即ki影響線型的不對稱程度。
[0016] 步驟2、仿真分析光強調(diào)制的非線性部分對二次諧波的影響；給定線性部分參數(shù)， 設置線性部分相移為180°進行建模分析。設置參數(shù)如下 ：(^= 180°，k1= 0.1。
[0017] 非線性相移巾2的影響：固定非線性系數(shù)令k2= 0. 05,分析信號基本不隨巾2而變 化，探測信號的基線隨巾2的增大而減?。环甯弑然颈３植蛔?，相移巾 2對探測信號峰高比 沒影響；當巾2= 90°時基線水平為0,基線水平隨著巾2不斷變化，帶來一定程度的背景偏 移信號；
[0018] 非線性系數(shù)k2的影響：固定非線性相移，令巾2= 100°，分析信號幅值基本不隨 k2而變化，探測信號的基線隨k2的增大而減小，峰高比基本保持不變，k2使得基線偏移情況 加重。
[0019] 調(diào)制度對二次諧波的影響：改變調(diào)制度m，探測信號峰高比及基線水平變化結(jié)果； 分析信號和探測信號峰高比變化相同，均隨著m的增大而減小，基線隨著m的增大逐漸向下 移動，m影響信號基線水平即背景信號的大小。
[0020] 設置鋸齒波掃描信號為5Hz，正弦調(diào)制信號為15kHz，調(diào)節(jié)掃描幅度100mV到 500mV，得到二次諧波信號。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明對考慮光強情況下的二次諧波的線型進行了仿真建模分 析，分別對光強調(diào)制的線性部分、非線性部分、調(diào)制度對二次諧波的影響進行了分析。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為光源模塊的仿真結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為光源輸出激光波長的曲線圖；
[0025]圖4為氣室模塊的仿真結(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖5為經(jīng)過氣室相應吸收線型函數(shù)吸收后，得到的吸收信號線型圖：（5a)洛倫茲 線型下吸收信號、（5b)高斯線型下吸收信號；
[0027] 圖6為信號檢測模塊的仿真結(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖7為二次諧波信號的仿真結(jié)果圖：（7a)洛倫茲吸收線型下的二次諧波信號； (7b)高斯吸收線型下的二次諧波信號；
[0029] 圖8洛倫茲吸收線型下二次諧波隨調(diào)制度的變化圖；
[0030] 圖9為二次諧波線型的特征值圖；
[0031]圖10為洛倫茲吸收線型下二次諧波的峰型特征值隨調(diào)制度變化圖；
[0032] 圖11為高斯吸收線型下二次諧波隨調(diào)調(diào)制度的變化圖；
[0033] 圖12為高斯吸收線型下二次諧波的峰型特征值隨調(diào)制度變化圖；
[0034] 圖13為調(diào)制后的光強信號圖；
[0035] 圖14為二次諧波峰型特征圖；
[0036] 圖15為2f信號隨巾i變化圖：（15a)分析信號；（15b)探測信號；
[0037] 圖16為2f信號隨&變化圖：（16a)分析信號；（16b)探測信號；
[0038] 圖17為2f信號峰高比隨t/X變化圖：（17a)PHR隨巾丨變化；（17b)PHR隨1^變 化；
[0039] 圖18為2f信號隨巾/變化圖：（18a)分析信號；（18b)探測信號；
[0040] 圖19為2f信號特征隨巾2變化圖：（19a)PHR隨（i) 2變化；（19b)基線水平隨（i) 2 變化；
[0041] 圖20為2f信號隨巾/變化：（20a)分析信號；（20b)探測信號；
[0042] 圖21為2以言號特征隨匕變化圖：（21&)?冊隨1^變化；（2113)基線水平隨1^ 2變 化；
[0043] 圖22為2f信號隨m變化圖：（22a)分析信號；（22b)探測信號；
[0044] 圖23為2f探測信號特征隨m變化圖：（23a)峰高比；（23b)基線水平；
[0045] 圖24為2f信號隨調(diào)制幅度變化圖；
[0046] 圖25為2f信號特征隨調(diào)制幅度變化圖：（25a)峰高比；（25b)基線水平；
[0047] 圖26為2f信號標準差圖。
【具體