基于tdlas技術的氨氣檢測仿真系統及其仿真分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種發動機尾氣中氨氣檢測技術，特別是涉及一種基于TDLAS技術的 氨氣檢測仿真系統及其仿真分析方法。
【背景技術】
[0002] 能源和環境是人類社會生存和發展的物質基礎，發動機作為與能源和環境關系極 為密切的載體，已成為與各行業、家庭密切相關的生產生活必需品。柴油機以其油耗低、扭 矩大的優勢，被廣泛應用于船舶動力、發電、灌溉、車輛動力等領域，尤其在車輛動力方面的 發展優勢最為明顯。隨著柴油汽車保有量的快速、持續增長，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境污染。
[0003] 此外，NH3很容易和大氣中的一些酸性氣體發生中和反應生成銨鹽，促進大氣細顆 粒物（PM2. 5)的形成，排放到空氣中會產生嚴重的環境效應，對空氣質量、大氣能見度及酸 性沉降有重要影響。
[0004] 可調諧二極管激光吸收光譜技術（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，被廣 泛應用于環境大氣檢測領域。TDLAS利用半導體激光器調諧特性，結合諧波檢測技術，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，因而可實現高精度檢測。 諧波探測技術結合長光程技術，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，它可以實現開放光程的實時、在線檢測，一系列優越性能使其在 大氣線檢測方面迅速發展，成為重要檢測手段之一。
[0005] 現有技術中亟待研發一種以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，以便于學術研宄，乃至于產業預測分析的借鑒。
【發明內容】
[0006] 為了克服上述現有技術，本發明提出了基于TDLAS技術的氨氣檢測仿真系統及其 仿真分析方法，對檢測系統進行了基于Simulink軟件的仿真建模，并且實現了二次諧波信 號的建模分析。
[0007] 本發明提出了一種基于TDLAS技術的氨氣檢測仿真系統，該系統包括利用計算機 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，用于將調制電流注入到激光器中進行波長調制，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果。
[0011] 本發明還提出了一種利用基于TDLAS技術的氨氣檢測仿真系統實現的仿真分析 方法，考慮光強調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、仿真分析光強調制的線性部分對二次諧波的影響，給定非線性部分參數， 通常非線性部分較小，設置非線性部分參數如下：巾 2= 100°，k2= 0.05,模擬結果通過 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、仿真分析光強調制的非線性部分對二次諧波的影響；給定線性部分參數， 設置線性部分相移為180°進行建模分析。設置參數如下 ：(^= 180°，k1= 0.1。
[0017] 非線性相移巾2的影響：固定非線性系數令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的增大而減小；峰高比基本保持不變，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] 調制度對二次諧波的影響：改變調制度m，探測信號峰高比及基線水平變化結果； 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，正弦調制信號為15kHz，調節掃描幅度100mV到 500mV，得到二次諧波信號。
[0021] 與現有技術相比，本發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，分別對光強調制的線性部分、非線性部分、調制度對二次諧波的影響進行了分析。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明的仿真系統結構示意圖；
[0023] 圖2為光源模塊的仿真結構示意圖；
[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構圖；
[0026] 圖5為經過氣室相應吸收線型函數吸收后，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構圖；
[0028] 圖7為二次諧波信號的仿真結果圖：（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制度變化圖；
[0032] 圖11為高斯吸收線型下二次諧波隨調調制度的變化圖；
[0033] 圖12為高斯吸收線型下二次諧波的峰型特征值隨調制度變化圖；
[0034] 圖13為調制后的光強信號圖；
[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信號隨調制幅度變化圖；
[0046] 圖25為2f信號特征隨調制幅度變化圖：（25a)峰高比；（25b)基線水平；
[0047] 圖26為2f信號標準差圖。
【具體