[发明专利]一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统

摘要

本发明涉及一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统，所述系统包括光电器件单元和气路单元；所述光电器件单元包括激光器、分路器、准直器、激光驱动器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡和上位机，所述气路单元包括气体池、标准气体模块、SCR净化系统和过滤系统。本系统以TDLAS技术为理论基础，结合反射池及谐波检测技术，实现了氨气的实时浓度监测、浓度数据存储显示等功能，该系统操作简单，为柴油机氨污染检测应用领域提供了坚实的技术基础，实现柴油机氨排放中检测评价体系，大幅提高系统检测精度与响应速度，为柴油机减排研究和环境监测提供新手段。

主权项

1.一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统，其特征在于：所述系统包括光电器件单元和气路单元；所述光电器件单元包括激光器、分路器、准直器、激光驱动器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡和上位机，所述气路单元包括气体池、标准气体模块、SCR净化系统和过滤系统，所述信号发生器的输出端与激光驱动器的输入端相连接设置，该激光驱动器的输出端与激光器的输入端相连接设置，该激光器的输出端与分路器的输入端相连接设置，该分路器的输出端分别与标准气体模块、准直器的输入端相连接设置，该标准气体模块的输出端与一光电探测器的输入端相连接设置，该光电探测器的输出端与一前置放大器的输入端相连接设置，该前置放大器的输出端与一锁相放大器的输入端相连接设置，该锁相放大器的输出端与数据采集卡的输入端相连接设置，该数据采集卡的输出端与上位机的输入端相连接设置，该上位机的输出端也与激光驱动器的输入端相连接设置；所述准直器的输出端与气体池的输入端相连接设置，该气体池的输出端与另一光电探测器的输入端相连接设置，该光电探测器的输出端与另一前置放大器的输入端相连接设置，该前置放大器的输出端与另一锁相放大器的输入端相连接设置，该锁相放大器的输出端与数据采集卡的输入端相连接设置；所述信号发生器的输出端也与锁相放大器的输入端相连接设置，所述上位机的输出端也与锁相放大器的输入端相连接设置，信号发生器输出正弦波为锁相放大器提供参考信号，上位机通过USB接口设置锁相放大器参数；所述SCR净化系统的输出端与过滤系统的输入端相连接设置，该过滤系统的输出端也与气体池的输入端相连接设置；系统在进行气体检测时，SCR净化系统能够对被测气体进行净化，净化后的样气输入过滤系统，过滤系统能够对净化后的样气滤除掉颗粒物及油污，过滤后的气体送入气体池；经过1分钟稳定后，对样气开始测量；由信号发生器产生驱动激光器波长变化的低频扫描信号和高频调制信号；两路电压信号叠加后输入激光驱动器后，将其转换为电流信号后，控制激光器的电流和温度；激光器输出波长为1512nm的激光，经分路器后分别入射到气体池和标准气体模块，扫描被测气体的吸收谱线；激光经过气体池吸收后，由光电探测器把光信号转换为电流信号，经过前置放大器放大后变换为电压信号，然后再由锁相放大器检测谐波信号；最后通过数据采集卡采集后利用上位机进行后续数据处理，得到气体浓度检测结果；所述数据采集卡进行数据处理的方法如下：在系统工作时，数据采集卡在采集两路检测信号的同时也对锯齿波扫描信号进行采集，作为寻找幅值序列起始点的参考信号；本系统共采集3路信号，在采样率为3kSa/s，由扫描频率计算每一周期的采样点数600个，由此找到第一个周期的起始点，就按照固定长度将各周期信号重新排列，将样品数据和参比数据分别存入600行50列的矩阵A和B中，其中600为每周期采样点数，50为周期数，再进行后续处理；利用MATLAB最擅长的矩阵运算对原始数据进行多周期平均、消除背景信号，由于随机噪声的存在，单一周期信号存在波动，在确定平均周期数后，对50个周期求平均值，减小随机噪声的干扰；消除背景信号采用非吸收谱线区域检测谐波的背景消除方法：先根据谱线选取原则进行谱线选取，确定氨气吸收谱线1512nm，依据激光器不同工作温度时的谐波曲线和信号特征确定激光器工作温度29.0℃；利用向量分解法提取标准背景信号，进行背景分离，再搜索最佳背景位置，其对应的激光器工作温度为26.5℃，实现背景消除；剔除粗大误差：在进行粗大误差判断时，将每一周期的残差绝对值求和，与整体标准差绝对值之和的三倍值进行比较，若前者大于后者则认为此周期为粗大误差周期并从幅值矩阵中剔除；小波变换进行噪声滤除与基线校正：在光谱曲线预处理问题上小波变换是唯一同时进行噪声滤除与基线校正的数据预处理方法；选定小波基函数为dmey并且确定分解层数，针对基线分离问题，该小波函数的分解层次均为9层，然后将测得的信号进行数据分解；要想提取有用的谐波信号，需要甄别被测信号中的噪声和基线信息，将分解后频段上的非显著的小波系数去掉；利用之前经过阈值处理后的剩余系数对实验测量信号进行一维信号的小波重构；重构原则为含有尽量少的噪声和基线信息，而尽量多的保留特征信号；差分折返算法消除谱峰重叠：采用差分折返算法，对差分分解得到的两组谱图U、V作折返处理，以二次谐波峰宽的1/4距离，以峰谷间距离作为峰宽，对正向信号和负向信号向中心方向移位叠加得到新的谱图S，差分后的正向和反向信号向彼此靠近，叠加谱图中A,B两个成分的峰宽变窄，从而达到谱峰分离的目的；浓度反演和输出浓度值：二次谐波信号幅度与气体浓度成正比，而待测NH₃的浓度不能直接以信号的幅值计算得到，这是因为检测到的信号幅值还与入射光强以及系统的放大倍数有关，信号幅值与浓度的比例关系无法得到；因而要选择500ppm的NH₃作为标准气体模块来传递幅值与浓度的比例关系，根据两次测量幅值之比与浓度之比的相等关系，解得待测气体浓度并输出浓度值；采用提取二次谐波峰谷值的方式，在获得参比数据的二次谐波信号峰谷值信息后结合参比数据的浓度500ppm，在提取样品数据峰谷值信息后，通过拟合结果进行样品数据浓度反演，解得待测气体浓度并输出浓度值；峰谷值是指一个周期内峰值和谷值的差值，这里的峰谷值是指左侧峰谷值与右侧峰谷值的平均值。