基于近紅外激光二極管吸收光譜技術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的汽車尾氣控制研究

汽車污染被認為是空氣的主要水源。隨著公眾對空氣水質要求的提高，國家政府對汽車排放的標準越來越嚴格。為了降低汽車廢氣的排放,提高發(fā)動機的燃燒效率,就必須精確控制好汽車處在加速、減速、冷啟動這三個關鍵瞬時過程中發(fā)動機的燃燒空燃比。而研究瞬時過程汽車發(fā)動機控制與廢氣排放規(guī)律,尋找新的控制策略,就迫切需要能實時測量廢氣中的各種有害成分(主要是CO、HC、NOx等)的動態(tài)濃度?；赥DLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)可調諧激光二極管吸收光譜技術測量系統(tǒng)有著極高的靈敏度、精確的分辨率和較高的動態(tài)響應速度,能實時、準確地反映動態(tài)過程中廢氣濃度的變化規(guī)律。本文對目前主流的近紅外氣體參數(shù)測量技術進行了具體的理論分析,并結合項目的實際需要設計和構建了一個汽車尾氣動態(tài)濃度測量系統(tǒng),用于研究發(fā)動機的燃燒空燃比。1測量系統(tǒng)的tdla1.1氣體檢測技術TDLAS技術可提供一種響應快速、靈敏度高、可靠、可現(xiàn)場實時以及在線檢測的氣體測量方法,在醫(yī)藥、工業(yè)、和環(huán)境科學得到了廣泛的應用。在環(huán)境檢測中,TDLAS已被各個國家的有關研究機構廣泛用于測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波段的可調諧激光二極管的TDLAS技術,可實現(xiàn)燃燒中水蒸氣的溫度和濃度的精確、現(xiàn)場、實時測量。對監(jiān)測汽車發(fā)動機的燃燒空燃比來說,CO是燃燒效率的關鍵指標,因而成為燃燒控制的關鍵參數(shù)。因此需研究一個快速且便于監(jiān)測燃燒中CO動態(tài)濃度的方法。傳統(tǒng)的測量技術如氣相色譜分析、質譜分析等在測量前要做大量的預處理而且技術比較復雜,導致測量速度慢且需要足夠量的氣體才能進行可靠的測量,使得這類測量方法很難滿足實時性要求。近二、三十年來,光譜吸收型光纖氣體傳感器技術得到了極大的發(fā)展,其利用氣體在石英光纖透射窗口內(nèi)的吸收峰,測量由于氣體吸收而產(chǎn)生的光強衰減,從而得到的氣體濃度有著較高的精度。其技術根據(jù)采用半導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作為半導體光源,這種半導體光源造價低廉,可廣泛應用,但由于是寬帶光源,需外加濾光片來獲得單色光源,光路結構復雜,靈敏度不高;后來被可調諧激光二極管(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90年代,很多國外的研究機構和大學實驗室都是采用中紅外的激光源來進行氣體的光譜分析,因為其吸收峰強度比近紅外的高兩三個數(shù)量級,測量靈敏度高。然而,由于其工作在低溫環(huán)境,需要用液氮冷卻,設備復雜且笨重,其應用一直止步于實驗室。近年來,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左右的可調諧激光二極管的氣體測量系統(tǒng)得到了普及應用。這些激光二極管遵循工業(yè)通訊標準,規(guī)格嚴謹,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半導體光源,設計了一個新型的吸收式光纖氣體傳感器,用于測量汽車尾氣的動態(tài)濃度。1.2濃度測量原理1.2.1氣體濃度測量當激光光源發(fā)出一定頻率υ(cm-1)的單頻光穿透裝有一定濃度的待測氣體時,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去。設濃度為N,入射光強為I0,穿透光強為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,L是通過吸收氣體的光程,g(υ)(cm)是吸收譜線線型函數(shù),S(T)是吸收譜線的譜線強度。測量氣體的濃度,最簡單的方法是直接吸收測量。這種方法需要一個參考光強I0,并要求激光光源的中心波長要嚴格鎖定在氣體吸收線的中心波長附近,這對激光光源參數(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)取決于復雜的運動和碰撞過程,求取準確的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,使得通過光電探測器檢測的光強損失并不能區(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)結構簡單,但測量困難,精度不高,可靠性差。這些缺點可以通過掃描波長方法克服。如果激光波長能掃描整個吸收區(qū)域,吸收氣體的濃度可以通過對測量吸收的積分得出: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,這樣就能消除對譜線線型函數(shù)的依賴。相對于固定波長測量方法,掃描波長方法更可靠、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器的熱噪音都較高,因此檢測的靈敏度低于調制光譜學技術。1.2.2次諧波仿真調制光譜技術主要可分為兩種:波長調制光譜(WMS)技術和頻率調制光譜(FMS)技術,兩者的主要區(qū)別在于調制頻率大小的不同。FMS的調制頻率可高達幾個GHz,使得信噪比提高幾個數(shù)量級,遠遠高于WMS的調制頻率,從而可獲得比WMS更高的靈敏度。據(jù)國外研究報導,目前采用FMS已經(jīng)可實現(xiàn)10-7至10-8數(shù)量級的靈敏度。然而影響系統(tǒng)靈敏度極限的關鍵因素是由于頻率調制而產(chǎn)生的RAM(Residualamplitudemodulation)信號。如果RAM信號能被有效的消除,WMS將可獲得與FMS相近的靈敏度。通過對光源的注入電流進行正弦調制,光源頻率和輸出光強也將受到相應的調制。υ=υ0+υmsin2πftI′0=I0[1+ηsin2πft](3)υ=υ0+υmsin2πftΙ0′=Ι0[1+ηsin2πft](3)假設光源沒經(jīng)調制時的中心頻率為υ0(cm-1);νm為頻率調制幅度;η為光強調制系數(shù),f為電流調制頻率。代入式(2)得It=I0SIN2πFT×exp{-S(T)g(υ0+υmsin2πft)NPabsL}(4)將上式展開傅立葉級數(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,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)的輸出來獲得的氣體濃度信息,能消除光強波動等因素帶來的干擾。由圖1的二次諧波波形仿真可知,當X=0,即υ=υ0,激光光源頻率對準氣體吸收譜線中心時,H2f(m)達到最大值。采用調制光譜技術,對激光二極管注入電流進行頻率調制,把檢測頻率提高到一個較高頻率上,并通過諧波檢測技術降低檢測的頻譜帶寬,從而有效地抑制了系統(tǒng)的低頻噪音,較之直接檢測透射光強,其檢測靈敏度提高了幾個數(shù)量級,實現(xiàn)微弱信號的信號檢測。2tdl的實用指標激光的高單色性、方向性、高強度性,使其成為大氣監(jiān)測的理想工具。采用TDLAS技術可獲得較高的靈敏度和較高的分辨率,實用指標可以做到×10-6量級,最高可以達到×10-9量級。又由于TDL的體積小、安裝方便、能夠測量更長的光程距離,且信噪比高;特別是狹窄的線寬、大范圍的波長調諧和穩(wěn)定的輸出,使其比起以往系統(tǒng)有更快的響應時間。綜合上面的分析,為了對汽車排放尾中的一氧化碳、二氧化碳濃度進行測量,搭建了如圖2所示的基于TDLAS近紅外氣體動態(tài)濃度探測系統(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)的直接測量方法非常困難。而分布反饋式半導體激光器(DFBLD)則具有譜線窄,功率大的優(yōu)點,故而成為研究吸收光譜學的首選光源。我們采用了在通信領域應用較多,價格相對便宜的可調諧二極管DFB激光器(NLK1556STG),該激光二極管可室溫工作,輸出功率為12mW,基準波長為1583.69nm,輸出中心頻率同氣體的吸收譜特性相吻合,并可以通過激光控制器調整溫度和注入電流來粗調和精調其輸出波長。激光控制器采用ILXLightwave公司的LDC-3724B,并結合對應的配件LDM-4989(26-pinbutterfly)底座來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)變化時可使得激光波長輸出從1581nm到1583nm內(nèi)變化,波長隨溫度變化速率為0.1nm/K。設置工作溫度為25℃,利用DSP產(chǎn)生頻率為30kHz的正弦信號和頻率為50Hz的鋸齒波信號,迭加后輸入到激光控制器中作為電流調制信號。其中低頻鋸齒波信號用于對待測氣體吸收譜線進行掃描,高頻正弦信號用于波長調制。2.2參比氣室的參數(shù)標定及補償為了滿足實際的檢測需要,就必須研究在開放光路氣室下的CO、CO2濃度測量。開放光路氣室與一般的密封氣室相比,可現(xiàn)場大面積直接地測量氣體濃度,可擺脫密封氣室苛刻的工作條件,使得測量方便易行,利于工業(yè)應用。然而,研究如何在開放光路氣室條件下測量,一直是TDLAS近紅外氣體檢測的難點所在,這是因為采用開放氣室給測量帶來很多新的難題:如譜線的壓力加寬嚴重的限制了測量的靈敏度極限;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,使得每次測量不穩(wěn)定.為了解決這個難題,最重要的選擇合適的吸收譜線。由圖4可知,波長在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。我們通過分析研究項目工作環(huán)境的具體情況,采用參比氣室對項目的工作環(huán)境的具體情況進行參數(shù)標定和對測量結果進行干擾氣體和粉塵吸收的補償,取得了一定的進展。光纖準直器采用專門訂做的氣室準直器,采用G-lens,工作距離為100mm時插入損耗小于0.58dB,光纖采用SMF-28efiberwith900μmloosetube,設置兩個光纖準直器相隔50mm,采用一對Newport公司的五維調節(jié)架(561-TILT和561-TILT-LH)來固定,調節(jié)到完全同軸。2.3自平衡激光閱讀器在WMS系統(tǒng)中,電流調制會引起激光器輸出光強的調制,從而產(chǎn)生了殘余振幅調制(RAM)信號,這可采用雙光路差分吸收法來消除。即把輸出的光束經(jīng)過分光率為70/30的分光器后變?yōu)閮墒?一束直接進入到光電探測器;另一束經(jīng)瞄準器對準,穿過開放式光路的氣室后,由光纖接收進入到光電探測器中。再把兩個接收信號相減就可大大減小光強共模干擾。系統(tǒng)采用了自動平衡激光接收器(NEWFOCUS公司的Model2017),內(nèi)置了兩個同規(guī)格的探測直徑為1mm光電探測器(InGaAsPIN),其最大的AC轉換增益可達1×106V/W。圖5為自平衡激光接收器的電路原理圖,它由兩個光電二極管、一個電流分割器、一個電流抽取節(jié)點、一個增益放大器和一個低頻回饋放大器組成。自平衡激光接收器采用了一個Hobbs發(fā)明的自平衡電路,即引入了一個低頻反饋回路去維持吸收信號和參考信號的自動平衡,能有效地消除激光源的強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到50dB,極大地提高了系統(tǒng)的測量分辨率。3次諧波提取由于在L-波段激光吸收非常微弱,光強的變化非常小,直接吸收水平是10-3至10-6,而來自檢測系統(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大得多。因此,微弱信號的提取是檢測的關鍵所在。系統(tǒng)利用信號處理器(DSP),把信號通過ADC轉換后,先采用DSP實現(xiàn)的FIR數(shù)字濾波器濾波,再采用DSP實現(xiàn)的數(shù)字鎖定放大器,把被測信號的二次諧波信號分量從很強背景噪聲中提取了出來。其所有的數(shù)字信號處理算法都是在eZdspTMF2812最小系統(tǒng)評估板上實現(xiàn)的。最小系統(tǒng)評估版采用了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強大的數(shù)據(jù)處理能力,經(jīng)過濾波算法和相關算法處理后,其噪聲抑制能力Q值能達到106。3.1環(huán)實時仿真及濾波優(yōu)化當進入數(shù)字鎖定放大器的噪音幅度的越小時,信噪比越高。因此很有必要先對信號進行預處理,以減弱噪音的強度。從自平衡接收器出來的信號,在經(jīng)過12bit的AD轉換到變成數(shù)字信號的過程中,受到的噪音干擾主要是白噪音,這可通過數(shù)字濾波器濾除。本系統(tǒng)利用MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開發(fā)的MatlabLinkforCCSDevelopmentTools(CCSLink)工具,把MATLAB和TI集成開發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio(CCS)及DSP開發(fā)板連接起來,搭建了如圖6所示的硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)。利用CCSLink工具,可實現(xiàn)不停止DSP上正在運行的程序而在它們之間實時傳遞數(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行的DSP,再將DSP的濾波輸出結果返回給MATLAB,與MATLAB中的濾波仿真結果進行比較,從而可實時地調整或改變?yōu)V波處理算法,實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的快速設計。該濾波器準確度高,具有較強的實用性與靈活性。3.2數(shù)字鎖定算法實驗結果系統(tǒng)采用了高靈敏度的諧波檢測技術,用基于DSP實現(xiàn)的數(shù)字鎖定放大器把被測信號的二次諧波信號分量從很強背景噪聲中提取了出來。圖7為雙通道相關檢測鎖定放大器的原理圖。其中把經(jīng)過FIR濾波后的輸入信號x(t)與60kHz的倍頻參考信號r(t)相乘后,便可得到輸入信號與參考信號的和頻信號、差頻信號。低通濾波器的主要作用是濾除其中的和頻信號