基于malab的氣體測量系統(tǒng)仿真模型

基于malab的氣體測量系統(tǒng)仿真模型

1氣體傳感器工藝為了有效監(jiān)控和控制環(huán)境，需要調(diào)整的新傳感器?；赥DLAS(可調(diào)諧半導(dǎo)體二極管激光器吸收光譜學(xué))的氣體測量系統(tǒng)能實(shí)時的測量氣體動態(tài)參數(shù),使得TDLAS技術(shù)成為氣體傳感器的一個重要發(fā)展方向。由于TDLAS測量方法是微弱信號測量,有很多因素影響測量精度,所以在構(gòu)造實(shí)際TDLAS系統(tǒng)前,最好能進(jìn)行系統(tǒng)仿真,找到各種參數(shù)變化對測量精度的影響。本論文基于Matlab6.5中的動態(tài)仿真工具給出相關(guān)檢測系統(tǒng)的仿真模型,并詳細(xì)分析了有關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2測量原理與tdla系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)2.1氣體分子的iti0當(dāng)激光光源發(fā)出一定頻率v的單頻光穿透一定濃度的待測氣體時,假設(shè)入射光強(qiáng)為I0,穿透光強(qiáng)為It,依據(jù)Lambert-Beer定律,得出:ΙtΙ0=exp(-L∫0kv(x)dx)=exp(-S(Τ)g(v)ΡabsΝL)(1)ItI0=exp(?∫0Lkv(x)dx)=exp(?S(T)g(v)PabsNL)(1)式中,S(T)是吸收氣體分子的一個基本屬性并可以在公開數(shù)據(jù)庫中查到,g(v)是吸收譜線線型函數(shù),Pabs是總體壓強(qiáng),N是氣體濃度,L是通過吸收氣體的光程。2.2lorenz曲線由于光譜吸收非常微弱,一般采用頻率調(diào)制技術(shù)向激光二極管注入正弦波電流進(jìn)行頻率調(diào)制。調(diào)制光譜技術(shù)能有效地減少激光源和探測器自身帶來的噪音,可以提高信噪比幾個數(shù)量級。激光光源經(jīng)過正弦波調(diào)制后頻率和光強(qiáng)都受到相應(yīng)的調(diào)制,具體如下所示:v=v0+vmsin2πftI′0=I0[1+ηsin2πft](2)式中,v0為中心頻率,vm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。為了掃描整個待測氣體吸收譜線,對激光光源注入頻率為10Hz的鋸齒波。假設(shè)二極管激光器在研究波段附近的電流—頻率關(guān)系為kv,在低頻調(diào)制范圍內(nèi)認(rèn)為激光二極管的輸出波長是隨注入電流強(qiáng)度線形變化的,則在一個周期內(nèi)激光光源的輸出波長為:ˉv=v0+A?kv?t?(0≤t≤0.1)(3)vˉ=v0+A?kv?t?(0≤t≤0.1)(3)式中,A為鋸齒波電流的幅度。一般工業(yè)應(yīng)用中吸收譜線用Lorentz函數(shù)或Gauss線型來擬合。本系統(tǒng)用Lorentz曲線描述氣體分子的吸收譜線線型。g(v)=12πΔvc(v-v0)2+(Δvc2)2(4)g(v)=12πΔvc(v?v0)2+(Δvc2)2(4)式中,Δvc=Ρabs∑iΝi(2γi)Δvc=Pabs∑iNi(2γi),代表半最大值全寬(FWHM)也就是碰撞寬度,γ是碰撞加寬系數(shù)。調(diào)制后的激光通過待測樣本后透射激光光強(qiáng)變?yōu)?Ι(t)=Ι0{1+ηsin2πft-S(Τ)ΝΡabsL[2πΔv11+(x+msin2πft)2]}(5)I(t)=I0{1+ηsin2πft?S(T)NPabsL[2πΔv11+(x+msin2πft)2]}(5)式中m=vmΔvc/2?x=ˉv-v0Δvc/2m=vmΔvc/2?x=vˉ?v0Δvc/2。將I(t)展開傅立葉級數(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(6)I2f=I0H2(x,m)(7)Η2(x,m)=2ΝLΡabsS(Τ)πΔvc{√2m2(Μ+1-x2)√Μ+√Μ2+4x2m2√Μ2+4x2+4xm2√√Μ2-4x2-Μm2√Μ2+4x2-4√Μ2+4x2m2√Μ2+4x2}(8)式中M=1-x2+m2激光器每次掃描指定波長范圍,可以測量透射光強(qiáng)信號的二次諧波I2f最大值P2f,根據(jù)式(8)得出氣體濃度N:Ν=πΔvcΡ2f2LΡabsS(Τ)Ι0{2m2[2+m2(1+m2)1/2-2]}-1(9)2.3測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于TDLAS氣體動態(tài)參數(shù)快速測量系統(tǒng)主要由光源部分、氣室部分以及數(shù)據(jù)檢測與信號處理部分構(gòu)成。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示:3測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文在Matlab6.5的Simulink環(huán)境下,利用SimPowerSystemToolbox2.3豐富的模塊庫,在分析TDLAS測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模原理后,建立了氣室吸收曲線、二次諧波的仿真模型,并分析了各主要參數(shù)的變化對二次諧波的影響。3.1塔蘭系統(tǒng)的模擬模型整個TDLAS仿真系統(tǒng)采用層次化結(jié)構(gòu),其總體框圖如圖2所示。它由光源模塊、氣室模塊、數(shù)據(jù)檢測模塊三大部分構(gòu)成。3.2帶振信號正弦波調(diào)諧信號輸入?yún)?shù):①頻率為30kHz的正弦波;②頻率為10的鋸齒波;③頻率調(diào)制幅度B·kv;④中心頻率v0;⑤鋸齒波振幅、正弦波振幅1;⑥待測氣體的吸收譜線中心頻率v0。輸出參數(shù):①調(diào)制輸出頻率v;②中心頻率v0。其中調(diào)諧信號由鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生,調(diào)制信號由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生。圖中假定吸收譜線的中心頻率為6317(cm-1)。3.3譜線線形函數(shù)的構(gòu)建氣室模塊主要是根據(jù)待測氣體在指定中心波長處譜線吸收線形函數(shù)模型來構(gòu)建。其關(guān)鍵在于譜線線形函數(shù)g(v-v0)的選取。其功能是模擬光在氣室中的吸收。3.3.1洛侖茲吸收氣體函數(shù)一般的工業(yè)應(yīng)用中,通常選擇洛倫茲線形函數(shù)模型作為氣體分子的吸收函數(shù)。輸入?yún)?shù):①入射光頻率v;②洛侖茲加寬Δv;③待測氣體的吸收譜線中心頻率v0。輸出參數(shù):譜線線形函數(shù)g(v-v0)。3.3.2洛倫茲函數(shù)模型根據(jù)不同的條件,氣室模型可以由洛倫茲函數(shù),或高斯函數(shù),或兩者的卷積來構(gòu)成。本文選擇洛倫茲函數(shù)模型可以簡化問題。輸入?yún)?shù):①譜線線形函數(shù)g(v-v0);②輸入光強(qiáng)I0;③光程L;④氣壓Pabs;⑤待測氣體分子的克分子數(shù)N;⑦譜線強(qiáng)度S(T)。輸出參數(shù):穿透光強(qiáng)It。3.4氣體分子的激發(fā)計(jì)算數(shù)據(jù)檢測模塊主要是根據(jù)待測氣體在指定吸收譜線的吸收來構(gòu)建的。其關(guān)鍵在于測量方法選取。直接測量方法需要對整個吸收譜線的吸收進(jìn)行積分;而頻率調(diào)制測量方法主要到出二次諧波的波形,求出它的總信號振幅和負(fù)峰值。輸入?yún)?shù):①入射光強(qiáng)I0;②穿透光強(qiáng)It;③入射光頻率v;④待測氣體的吸收譜線中心頻率v0;⑤譜線強(qiáng)度S(T);⑥譜線線形函數(shù)g(v-v0);⑦光程L;⑧氣壓Pabs;⑨待測氣體分子的克分子數(shù)N;輸出參數(shù):①穿透光強(qiáng)的二次諧波I2f;②氣室吸收曲線ln(I0/It)。再由上面的數(shù)據(jù)可以得到氣體分子的濃度(一個或多個)或溫度。本模塊主要針對Lorentz線形函數(shù)模型。4正弦波調(diào)制范圍和強(qiáng)度在初始條件給定的情況下,仿真結(jié)果如圖7、圖8所示,基本上反映了實(shí)際氣室吸收的情況,得到了氣體吸收曲線與二次諧波的波形。由圖8可知,在計(jì)算條件給定的情況下,當(dāng)x=0,即v=v0,激光光源頻率對準(zhǔn)氣體吸收譜線中心時,H2f(m)達(dá)到最大值。由圖7可知,氣體吸收率達(dá)到最大值。此時:Ηmax=2ΝLΡabsS(Τ)πΔvc{2m2[2+m2(1+m2)1/2-2]}(10)在實(shí)際的測量中,一般都要求對準(zhǔn)中心波長以獲得較大的吸收率。由式(9)可知,二次諧波的線型主要取決于譜線線型(本論文用Lorentz曲線描述氣體分子的吸收譜線線型)和調(diào)制深度m。圖9展示了不同m值H2f(x)不同的變化值。隨著m的增大H2f(x)不斷加寬,因此改變正弦波調(diào)制幅度vm就可以改變H2f(x)函數(shù)線型。當(dāng)時m=2.2時,H2f(x)會出現(xiàn)最大值,這對于微弱信號檢測來說是一個最佳值。但是隨著m的增大,H2f(x)的線寬也隨著增大,就會出現(xiàn)跟相鄰的吸收區(qū)域重疊也就是說受到其他干擾的機(jī)會就增大了,因此,工業(yè)應(yīng)用中一般把m設(shè)定一個較小值。同時,改變初始濃度N的值可以得到不同的濃度下氣室的吸收情況以及二次諧波波形,例如當(dāng)N=0.25時得到的吸收曲線、二次諧波波形如圖10、1