基于近紅外激光二極管吸收光譜技術(shù)的汽車尾氣控制研究

基于近紅外激光二極管吸收光譜技術(shù)的汽車尾氣控制研究

汽車污染被認(rèn)為是空氣的主要水源。隨著公眾對(duì)空氣水質(zhì)要求的提高，國(guó)家政府對(duì)汽車排放的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格。為了降低汽車廢氣的排放,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率,就必須精確控制好汽車處在加速、減速、冷啟動(dòng)這三個(gè)關(guān)鍵瞬時(shí)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒空燃比。而研究瞬時(shí)過(guò)程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制與廢氣排放規(guī)律,尋找新的控制策略,就迫切需要能實(shí)時(shí)測(cè)量廢氣中的各種有害成分(主要是CO、HC、NOx等)的動(dòng)態(tài)濃度。基于TDLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)可調(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)有著極高的靈敏度、精確的分辨率和較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映動(dòng)態(tài)過(guò)程中廢氣濃度的變化規(guī)律。本文對(duì)目前主流的近紅外氣體參數(shù)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了具體的理論分析,并結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一個(gè)汽車尾氣動(dòng)態(tài)濃度測(cè)量系統(tǒng),用于研究發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒空燃比。1測(cè)量系統(tǒng)的tdla1.1氣體檢測(cè)技術(shù)TDLAS技術(shù)可提供一種響應(yīng)快速、靈敏度高、可靠、可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)以及在線檢測(cè)的氣體測(cè)量方法,在醫(yī)藥、工業(yè)、和環(huán)境科學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用。在環(huán)境檢測(cè)中,TDLAS已被各個(gè)國(guó)家的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)廣泛用于測(cè)量空氣中的痕量氣體,如CO,CO2,NO,N2O,NH3,CH4,CH2O,HCL等。在工業(yè)燃燒診斷中,利用基于近紅外1800nm波段的可調(diào)諧激光二極管的TDLAS技術(shù),可實(shí)現(xiàn)燃燒中水蒸氣的溫度和濃度的精確、現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)監(jiān)測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒空燃比來(lái)說(shuō),CO是燃燒效率的關(guān)鍵指標(biāo),因而成為燃燒控制的關(guān)鍵參數(shù)。因此需研究一個(gè)快速且便于監(jiān)測(cè)燃燒中CO動(dòng)態(tài)濃度的方法。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)如氣相色譜分析、質(zhì)譜分析等在測(cè)量前要做大量的預(yù)處理而且技術(shù)比較復(fù)雜,導(dǎo)致測(cè)量速度慢且需要足夠量的氣體才能進(jìn)行可靠的測(cè)量,使得這類測(cè)量方法很難滿足實(shí)時(shí)性要求。近二、三十年來(lái),光譜吸收型光纖氣體傳感器技術(shù)得到了極大的發(fā)展,其利用氣體在石英光纖透射窗口內(nèi)的吸收峰,測(cè)量由于氣體吸收而產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減,從而得到的氣體濃度有著較高的精度。其技術(shù)根據(jù)采用半導(dǎo)體光源的不同而不同。早期的吸收式氣體傳感器系統(tǒng)一般是采用發(fā)光二極管LED作為半導(dǎo)體光源,這種半導(dǎo)體光源造價(jià)低廉,可廣泛應(yīng)用,但由于是寬帶光源,需外加濾光片來(lái)獲得單色光源,光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,靈敏度不高;后來(lái)被可調(diào)諧激光二極管(TDL)所替代。TDL按照其激光譜線的不同可分成兩種:近紅外和中紅外。在上世紀(jì)90年代,很多國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室都是采用中紅外的激光源來(lái)進(jìn)行氣體的光譜分析,因?yàn)槠湮辗鍙?qiáng)度比近紅外的高兩三個(gè)數(shù)量級(jí),測(cè)量靈敏度高。然而,由于其工作在低溫環(huán)境,需要用液氮冷卻,設(shè)備復(fù)雜且笨重,其應(yīng)用一直止步于實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái),由于分布反饋式激光二極管(DFBLD)在商業(yè)上的普及,基于在近紅外波段1550nm左右的可調(diào)諧激光二極管的氣體測(cè)量系統(tǒng)得到了普及應(yīng)用。這些激光二極管遵循工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn),規(guī)格嚴(yán)謹(jǐn),性能可靠,室溫工作,噪音低,還可接入低損耗的光纖,使得在線診斷成為可能。因此,本文選擇使用DFBLD半導(dǎo)體光源,設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的吸收式光纖氣體傳感器,用于測(cè)量汽車尾氣的動(dòng)態(tài)濃度。1.2濃度測(cè)量原理1.2.1氣體濃度測(cè)量當(dāng)激光光源發(fā)出一定頻率υ(cm-1)的單頻光穿透裝有一定濃度的待測(cè)氣體時(shí),氣室中的樣品在中心頻率υ0有吸收線或吸收帶,光被吸收和散射一部分后透射過(guò)去。設(shè)濃度為N,入射光強(qiáng)為I0,穿透光強(qiáng)為It,由Lambert-Beer定律可得到:ItI0=exp????∫0Lkv(x)dx???=exp(?S(T)g(υ)PabsNL)(1)ΙtΙ0=exp(-∫0Lkv(x)dx)=exp(-S(Τ)g(υ)ΡabsΝL)(1)式中kυ(cm-1)是吸收系數(shù),Pabs(atm)是總體壓強(qiáng),L是通過(guò)吸收氣體的光程,g(υ)(cm)是吸收譜線線型函數(shù),S(T)是吸收譜線的譜線強(qiáng)度。測(cè)量氣體的濃度,最簡(jiǎn)單的方法是直接吸收測(cè)量。這種方法需要一個(gè)參考光強(qiáng)I0,并要求激光光源的中心波長(zhǎng)要嚴(yán)格鎖定在氣體吸收線的中心波長(zhǎng)附近,這對(duì)激光光源參數(shù)要求很高。雖然只要知道S(T)和g(υ)就可根據(jù)式(1)得出氣體濃度N。但是譜線線型函數(shù)g(υ)取決于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和碰撞過(guò)程,求取準(zhǔn)確的g(υ)十分困難,而且由于氣室多種分子的存在造成吸收譜線線型重疊在一起,使得通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)的光強(qiáng)損失并不能區(qū)分是其他分子的吸收還是散射損失。因此,該方法雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但測(cè)量困難,精度不高,可靠性差。這些缺點(diǎn)可以通過(guò)掃描波長(zhǎng)方法克服。如果激光波長(zhǎng)能掃描整個(gè)吸收區(qū)域,吸收氣體的濃度可以通過(guò)對(duì)測(cè)量吸收的積分得出:N=1SPabsL∫∞0ln(I0I)dυ(2)Ν=1SΡabsL∫0∞ln(Ι0Ι)dυ(2)式中包含在I0/I的∫υg(υ)dυ≡1,這樣就能消除對(duì)譜線線型函數(shù)的依賴。相對(duì)于固定波長(zhǎng)測(cè)量方法,掃描波長(zhǎng)方法更可靠、精確。但是由于注入電流頻率不高(一般500Hz),因此存在的激光冗余噪音和光電檢測(cè)器的熱噪音都較高,因此檢測(cè)的靈敏度低于調(diào)制光譜學(xué)技術(shù)。1.2.2次諧波仿真調(diào)制光譜技術(shù)主要可分為兩種:波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)和頻率調(diào)制光譜(FMS)技術(shù),兩者的主要區(qū)別在于調(diào)制頻率大小的不同。FMS的調(diào)制頻率可高達(dá)幾個(gè)GHz,使得信噪比提高幾個(gè)數(shù)量級(jí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WMS的調(diào)制頻率,從而可獲得比WMS更高的靈敏度。據(jù)國(guó)外研究報(bào)導(dǎo),目前采用FMS已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)10-7至10-8數(shù)量級(jí)的靈敏度。然而影響系統(tǒng)靈敏度極限的關(guān)鍵因素是由于頻率調(diào)制而產(chǎn)生的RAM(Residualamplitudemodulation)信號(hào)。如果RAM信號(hào)能被有效的消除,WMS將可獲得與FMS相近的靈敏度。通過(guò)對(duì)光源的注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制,光源頻率和輸出光強(qiáng)也將受到相應(yīng)的調(diào)制。υ=υ0+υmsin2πftI′0=I0[1+ηsin2πft](3)υ=υ0+υmsin2πftΙ0′=Ι0[1+ηsin2πft](3)假設(shè)光源沒(méi)經(jīng)調(diào)制時(shí)的中心頻率為υ0(cm-1);νm為頻率調(diào)制幅度;η為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù),f為電流調(diào)制頻率。代入式(2)得It=I0SIN2πFT×exp{-S(T)g(υ0+υmsin2πft)NPabsL}(4)將上式展開(kāi)傅立葉級(jí)數(shù)序列,它的一次諧波(f)和二次諧波(2f)的系數(shù)分別為:If=I0η,I2f=I0H2(x,m)(5)H2(x,m)=2NLPabsS(T)πΔυc{2√m2(M+1?x2)M+M2+4x2√√+4xM2+4x2√?M√M2+4x2√?4m2}(6)Η2(x,m)=2ΝLΡabsS(Τ)πΔυc{2m2(Μ+1-x2)Μ+Μ2+4x2+4xΜ2+4x2-ΜΜ2+4x2-4m2}(6)式中M=1-x2+m2,用二次諧波I2f和一次諧波If的比值作為系統(tǒng)的輸出來(lái)獲得的氣體濃度信息,能消除光強(qiáng)波動(dòng)等因素帶來(lái)的干擾。由圖1的二次諧波波形仿真可知,當(dāng)X=0,即υ=υ0,激光光源頻率對(duì)準(zhǔn)氣體吸收譜線中心時(shí),H2f(m)達(dá)到最大值。采用調(diào)制光譜技術(shù),對(duì)激光二極管注入電流進(jìn)行頻率調(diào)制,把檢測(cè)頻率提高到一個(gè)較高頻率上,并通過(guò)諧波檢測(cè)技術(shù)降低檢測(cè)的頻譜帶寬,從而有效地抑制了系統(tǒng)的低頻噪音,較之直接檢測(cè)透射光強(qiáng),其檢測(cè)靈敏度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí),實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的信號(hào)檢測(cè)。2tdl的實(shí)用指標(biāo)激光的高單色性、方向性、高強(qiáng)度性,使其成為大氣監(jiān)測(cè)的理想工具。采用TDLAS技術(shù)可獲得較高的靈敏度和較高的分辨率,實(shí)用指標(biāo)可以做到×10-6量級(jí),最高可以達(dá)到×10-9量級(jí)。又由于TDL的體積小、安裝方便、能夠測(cè)量更長(zhǎng)的光程距離,且信噪比高;特別是狹窄的線寬、大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧和穩(wěn)定的輸出,使其比起以往系統(tǒng)有更快的響應(yīng)時(shí)間。綜合上面的分析,為了對(duì)汽車排放尾中的一氧化碳、二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量,搭建了如圖2所示的基于TDLAS近紅外氣體動(dòng)態(tài)濃度探測(cè)系統(tǒng)。2.1dfb激光器CO、CO2的吸收譜線很窄,吸收率很低,圖3顯示了CO和CO2在近紅外1581nm到1584nm的特征吸收譜線,采用傳統(tǒng)的直接測(cè)量方法非常困難。而分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)則具有譜線窄,功率大的優(yōu)點(diǎn),故而成為研究吸收光譜學(xué)的首選光源。我們采用了在通信領(lǐng)域應(yīng)用較多,價(jià)格相對(duì)便宜的可調(diào)諧二極管DFB激光器(NLK1556STG),該激光二極管可室溫工作,輸出功率為12mW,基準(zhǔn)波長(zhǎng)為1583.69nm,輸出中心頻率同氣體的吸收譜特性相吻合,并可以通過(guò)激光控制器調(diào)整溫度和注入電流來(lái)粗調(diào)和精調(diào)其輸出波長(zhǎng)。激光控制器采用ILXLightwave公司的LDC-3724B,并結(jié)合對(duì)應(yīng)的配件LDM-4989(26-pinbutterfly)底座來(lái)固定激光二極管并提供高精度的恒溫環(huán)境。該LDC內(nèi)置了多種溫度傳感器(選擇使用其中的熱變電阻器),溫度從10℃到40℃內(nèi)變化時(shí)可使得激光波長(zhǎng)輸出從1581nm到1583nm內(nèi)變化,波長(zhǎng)隨溫度變化速率為0.1nm/K。設(shè)置工作溫度為25℃,利用DSP產(chǎn)生頻率為30kHz的正弦信號(hào)和頻率為50Hz的鋸齒波信號(hào),迭加后輸入到激光控制器中作為電流調(diào)制信號(hào)。其中低頻鋸齒波信號(hào)用于對(duì)待測(cè)氣體吸收譜線進(jìn)行掃描,高頻正弦信號(hào)用于波長(zhǎng)調(diào)制。2.2參比氣室的參數(shù)標(biāo)定及補(bǔ)償為了滿足實(shí)際的檢測(cè)需要,就必須研究在開(kāi)放光路氣室下的CO、CO2濃度測(cè)量。開(kāi)放光路氣室與一般的密封氣室相比,可現(xiàn)場(chǎng)大面積直接地測(cè)量氣體濃度,可擺脫密封氣室苛刻的工作條件,使得測(cè)量方便易行,利于工業(yè)應(yīng)用。然而,研究如何在開(kāi)放光路氣室條件下測(cè)量,一直是TDLAS近紅外氣體檢測(cè)的難點(diǎn)所在,這是因?yàn)椴捎瞄_(kāi)放氣室給測(cè)量帶來(lái)很多新的難題:如譜線的壓力加寬嚴(yán)重的限制了測(cè)量的靈敏度極限;由于不是密封的,易受天氣及周圍空氣環(huán)境的水蒸氣、粉塵等的影響,使得每次測(cè)量不穩(wěn)定.為了解決這個(gè)難題,最重要的選擇合適的吸收譜線。由圖4可知,波長(zhǎng)在1583nm附近的二氧化碳的泛頻吸收峰,較少受到水分子的干擾,是理想的吸收區(qū)域。我們通過(guò)分析研究項(xiàng)目工作環(huán)境的具體情況,采用參比氣室對(duì)項(xiàng)目的工作環(huán)境的具體情況進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行干擾氣體和粉塵吸收的補(bǔ)償,取得了一定的進(jìn)展。光纖準(zhǔn)直器采用專門訂做的氣室準(zhǔn)直器,采用G-lens,工作距離為100mm時(shí)插入損耗小于0.58dB,光纖采用SMF-28efiberwith900μmloosetube,設(shè)置兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器相隔50mm,采用一對(duì)Newport公司的五維調(diào)節(jié)架(561-TILT和561-TILT-LH)來(lái)固定,調(diào)節(jié)到完全同軸。2.3自平衡激光閱讀器在WMS系統(tǒng)中,電流調(diào)制會(huì)引起激光器輸出光強(qiáng)的調(diào)制,從而產(chǎn)生了殘余振幅調(diào)制(RAM)信號(hào),這可采用雙光路差分吸收法來(lái)消除。即把輸出的光束經(jīng)過(guò)分光率為70/30的分光器后變?yōu)閮墒?一束直接進(jìn)入到光電探測(cè)器;另一束經(jīng)瞄準(zhǔn)器對(duì)準(zhǔn),穿過(guò)開(kāi)放式光路的氣室后,由光纖接收進(jìn)入到光電探測(cè)器中。再把兩個(gè)接收信號(hào)相減就可大大減小光強(qiáng)共模干擾。系統(tǒng)采用了自動(dòng)平衡激光接收器(NEWFOCUS公司的Model2017),內(nèi)置了兩個(gè)同規(guī)格的探測(cè)直徑為1mm光電探測(cè)器(InGaAsPIN),其最大的AC轉(zhuǎn)換增益可達(dá)1×106V/W。圖5為自平衡激光接收器的電路原理圖,它由兩個(gè)光電二極管、一個(gè)電流分割器、一個(gè)電流抽取節(jié)點(diǎn)、一個(gè)增益放大器和一個(gè)低頻回饋放大器組成。自平衡激光接收器采用了一個(gè)Hobbs發(fā)明的自平衡電路,即引入了一個(gè)低頻反饋回路去維持吸收信號(hào)和參考信號(hào)的自動(dòng)平衡,能有效地消除激光源的強(qiáng)度噪音和電子原件的散粒噪音,其最大共模噪聲抑制比可高達(dá)到50dB,極大地提高了系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。3次諧波提取由于在L-波段激光吸收非常微弱,光強(qiáng)的變化非常小,直接吸收水平是10-3至10-6,而來(lái)自檢測(cè)系統(tǒng)外部的干擾和內(nèi)部元器件散粒噪聲、熱噪聲所形成的白噪聲和低頻噪聲卻比有用信號(hào)大得多。因此,微弱信號(hào)的提取是檢測(cè)的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)利用信號(hào)處理器(DSP),把信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后,先采用DSP實(shí)現(xiàn)的FIR數(shù)字濾波器濾波,再采用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鎖定放大器,把被測(cè)信號(hào)的二次諧波信號(hào)分量從很強(qiáng)背景噪聲中提取了出來(lái)。其所有的數(shù)字信號(hào)處理算法都是在eZdspTMF2812最小系統(tǒng)評(píng)估板上實(shí)現(xiàn)的。最小系統(tǒng)評(píng)估版采用了TI公司的DSP芯片TMS320F2812,該芯片每秒可執(zhí)行1.5億次指令(150MI/S),具有單周期32bit×32bit的乘和累加操作(MAC)功能,特別適合于算法處理。借助于TMS320F2812強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,經(jīng)過(guò)濾波算法和相關(guān)算法處理后,其噪聲抑制能力Q值能達(dá)到106。3.1環(huán)實(shí)時(shí)仿真及濾波優(yōu)化當(dāng)進(jìn)入數(shù)字鎖定放大器的噪音幅度的越小時(shí),信噪比越高。因此很有必要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,以減弱噪音的強(qiáng)度。從自平衡接收器出來(lái)的信號(hào),在經(jīng)過(guò)12bit的AD轉(zhuǎn)換到變成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中,受到的噪音干擾主要是白噪音,這可通過(guò)數(shù)字濾波器濾除。本系統(tǒng)利用MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MatlabLinkforCCSDevelopmentTools(CCSLink)工具,把MATLAB和TI集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio(CCS)及DSP開(kāi)發(fā)板連接起來(lái),搭建了如圖6所示的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。利用CCSLink工具,可實(shí)現(xiàn)不停止DSP上正在運(yùn)行的程序而在它們之間實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù);可在MATLAB中改變FIR帶通數(shù)字濾波器的參數(shù),并把此值傳遞給正在運(yùn)行的DSP,再將DSP的濾波輸出結(jié)果返回給MATLAB,與MATLAB中的濾波仿真結(jié)果進(jìn)行比較,從而可實(shí)時(shí)地調(diào)整或改變?yōu)V波處理算法,實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的快速設(shè)計(jì)。該濾波器準(zhǔn)確度高,具有較強(qiáng)的實(shí)用性與靈活性。3.2數(shù)字鎖定算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)采用了高靈敏度的諧波檢測(cè)技術(shù),用基于DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鎖定放大器把被測(cè)信號(hào)的二次諧波信號(hào)分量從很強(qiáng)背景噪聲中提取了出來(lái)。圖7為雙通道相關(guān)檢測(cè)鎖定放大器的原理圖。其中把經(jīng)過(guò)FIR濾波后的輸入信號(hào)x(t)與60kHz的倍頻參考信號(hào)r(t)相乘后,便可得到輸入信號(hào)與參考信號(hào)的和頻信號(hào)、差頻信號(hào)。低通濾波器的主要作用是濾除其中的和頻信號(hào)