CN106442403B - 一种柴油机scr氨污染光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统

技术领域

本发明属于气体浓度检测设备技术领域，尤其是一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统。

背景技术

能源和环境是人类社会生存和发展的物质基础，发动机作为与能源和环境关系极为密切的载体，已成为与各行业、家庭密切相关的生产生活必需品。柴油机以其油耗低、扭矩大的优势，被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等领域，尤其在车用动力方面的发展优势最为明显。近年来随着柴油汽车和工程机械的快速、持续增长，柴油机尾气排放的主要污染物氮氧化物(NO_x)和颗粒物(PM)对环境的污染问题日益突出，NO_x是大气主要污染物之一，严重危害人体健康，其对光化学烟雾的生成具有重要作用，而柴油机作为移动污染源所排放废气是城市大气中NO_x的主要来源之一。据公安部交管局数据显示，截至2012年6月，我国机动车保有量达2.33亿辆，2010年，我国汽车氮氧化物NO_x的排放量约为600万吨(不包括非道路机械)，其中占汽车保有总量不到20％的柴油汽车排放了60％左右的NO_x，而“十二五”规划要求2015年NO_x排放总量比2010年减少10％，作为移动污染源的柴油机NO_x排放也应承担相应比例减排任务。控制柴油机的排放是减少大气中NO_x的关键，目前减少柴油机NO_x排放的措施主要分燃烧控制和烟气脱氨两种方式，技术上主要为废气再循环(Exhaust Gas Recirculation-EGR)和选择性催化还原(Selective CatalyticReduction-SCR)。研究表明，以尿素水溶液为还原剂的选择性催化还原(SCR)技术是唯一能够满足国IV甚至未来国V 要求的排气后处理方法，其利用排气管废气的热量使得还原剂(尿素+水，比例32.5％)热解生成氨气(NH₃)，并在催化器的表面涂层的催化作用下与废气中NO_x进行还原反应生成氮气和水。然而SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与 NO_x的浓度相匹配，在保证降低NO_x的同时，不能超过份量，现实情况是，尿素的喷入量过多，多余的氨气排入大气，导致新的大气环境污染。

氨气(NH₃)是一种碱性、无色而又强烈刺激性臭味的气体，会腐蚀和刺激人体粘膜组织，造成粘膜上皮组织损害，使病原微生物易于侵入，减弱身体对疾病的抵抗力。大量吸入会严重伤害人体的心血管、内脏、神经和免疫系统，严重者导致死亡。同时，已有大量研究表明，一定浓度的氨气会对植物产生严重的伤害，致使叶子出现伤斑，叶片枯焦，甚至死亡。

因此对基于SCR净化路线技术的柴油发动机进行氨气污染浓度排放检测成为了一项新的课题，从环境联合防控角度，对发动机降氮技术提出了更高的检测要求进而对催化转化器制造企业提出新的技术标准。为降低净化过程中氨的排放，柴油机研究中迫切需要新的、高精度的、动态检测的技术手段。

国际上对于发动机排放SCR净化技术所带来的氨气污染已较为重视，从法规规范及仪器条件角度都已开展了较多工作，欧IV及欧V标准对于车载OBD系统及汽车氨气排放限值都已作出相应要求。世界两大老牌发动机排放检测设备集成系统提供商日本崛场公司(HORIBA)和奥地利李斯特内燃机研究所(AVL)均已针对SCR系统带来的氨气污染问题推出相应检测设备以应对应用领域的检测需求。目前以上两家公司的检测路线都为“转换器 +HCLD”方式，对于NH₃测量，是通过转换器将NH₃转换为NO，再用HCLD法对NO进行测量，同参比通道浓度求差值得出NH₃以及NO_x的成分浓度，检测手段采用热化学发光法 (heated-chenmiluminescent detector-HCLD)，但由于非直接测量NH₃浓度，因此造成测量结果精度较低，仪器响应时间过慢，不适于尾气排放中的瞬态NH₃浓度测量，难以支持净化过程中降低氨排放的研究需要。

我国环境保护部门出台的机动车尾气排放标准也参考欧洲标准制定，其中对于柴油机 NH₃浓度排放指标的确定，目前还没有完整自主的仪器检测条件体系和模型评价体系给予科学决策支撑，这使得我国在国际环境保护经济政治大环境下处于了劣势地位，也与我国经济发展水平不相称，因此亟需研制开发自主的仪器测量手段和建立仪器评价体系。

柴油机尾气中氨气检测的难点主要是氨气的含量较低，而且易被其他物质反应吸附，很难实现瞬态工况下快速实时高精度测量。如何在现有条件下，克服以上测量缺陷，建立新的测量仪器体系及评价体系成为了目前要重点完成的方向。

基于直接采样法的柴油机净化技术氨排放污染检测是直接从发动机排放出口采集气体进行污染物测量，响应时间短，能实时测量发动机排放物的瞬时值，对发动机瞬时污染物排放量的研究具有科学意义。由于发动机在不同工况下产生的NO_x浓度不同，加之SCR净化系统去除NO_x为动态过程，因此采用直接采样法对NH₃的实时测量可动态直观反映出发动机与 SCR净化系统的工作状态，既对氨污染物实时排放情况进行跟踪监测，也对发动机净化系统控制模式的研究与开发具有指导意义。在基于直接采样法的氨污染排放研究中，国外已经开始研究可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy-TDLAS)技术在发动机排放的应用，Pisano,JT于2009年利用TDLAS技术测量了柴油机排气中的低浓度 NH₃，目前国内柴油机SCR净化效率评价和柴油机尾气排放测量应用领域未见同类报道。 TDLAS技术是近20年发展起来的一种高灵敏、高分辨的痕量气体吸收光谱检测技术,它是利用半导体激光窄线宽(<10MHz)和快速调谐特性,通过检测吸收分子的一条孤立振转吸收线实现对气体的快速检测,通过与长光程技术相结合,能够实现10^-9甚至10^-12量级的气体检测灵敏度，在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可以在ms量级。特别是在近红外波段，由于光通讯和消费电子领域的广泛应用，这个波段的气体半导体激光器在技术上已经成熟，可在室温下工作，并且结构紧凑、能耗低，只需要改变激光器和标准气，同样的仪器可以适应其他组分的测量需求，特别适合于对痕量气体的现场检测。国外较早的开展了基于TDLAS 技术的气体检测技术的研究,已经实现了对CO，CO₂，CH₄，NO₂,H₂O等气体的高灵敏检测, 在环境以及工业过程监测等领域表现出了广泛的应用前景。中国科学院环境光学与技术重点实验室、中国科学院安徽光学精密机械研究所的陈东，刘文清等人利用TDLAS红外激光光谱技术实现了对北京城区大气中氨气浓度的连续检测。

综上所述，柴油机SCR氨污染已经逐渐成为构成环境污染的重要因素之一，其特征是为降低柴油机的氮氧化物排放采取的技术手段而引入的新型污染。由于柴油车，特别是重型柴油机械车辆废气排量大，且保有量大，其对大气环境排放污染的贡献与日俱增，以往PM2.5监测所需控制的铵盐污染源通常是关注煤电厂脱硝处理氨气排放，而国内其他开展过TDLAS测试系统研究的单位并未针对柴油机净化过程中带来的尾气排放氨污染检测问题进行过深入研究，也未有对柴油机尾气中的NH₃气体快速实时高精度检测的技术手段进行跟进解决。

经过检索，尚未发现与本专利申请相关的专利公开文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统，该系统以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。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

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，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。

而且，所述SCR净化系统通过膜采样泵、恒温加热管与过滤系统相连接设置，所述膜采样泵能够对被测气体进行恒流采集，恒温加热管道能够对被测气体进行恒温加热，所述SCR 净化系统的输出端与膜采样泵的输入端相连接设置，该膜采样泵的输出端与恒温加热管的输入端相连接设置，该恒温加热管的输出端与过滤系统的输入端相连接设置。

而且，所述过滤系统采用以三氧化二铝与二氧化硅为基质的烧结材料。

而且，所述激光器采用DFB激光器，波长为1512nm，光强为4.97dB；

或者，所述激光驱动器用来驱动激光器正常工作和检测其工作状态，为使激光器扫描气体吸收谱线，所述激光驱动器温度为29℃，选用ILX Lightwave公司的LDC3900；

或者，所述信号发生器选用美国泰克公司的AFG320两通道任意波形发生器，产生驱动激光器波长变化的低频扫描信号，幅度为200mV，频率为5Hz和高频调制信号，幅度为600mV，频率为30kHz；

或者，所述气体池为半米长气体池，利用单次反射将光程增加为一米，此气体池设有进气与出气口，激光器出射激光经准直器从一端射入，从另一端射出，经过角立方反射镜后反射回去，实现光程加倍；

或者，所述光电探测器是本系统中的信号探测部件，可将经过气体池和标准气体模块的光信号转换为电流信号，选用武汉欧迪公司的PD500铟镓砷光电二极管；

或者，所述前置放大器用于将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号并进行放大，为德国Femto公司的可变增益低噪声电流放大器DLPCA-200，增益从10³-10¹¹V/A可调，精度1％，带宽为1Hz至500kHz，电压输出范围为10V，输入噪声电流密度小于20pA；

或者，所述锁相放大器利用相敏检测技术为基础提取各次谐波信号，输出与参考信号频率的同频或倍频的谐波信号，利用低通滤波器滤除与检测谐波信号无关的噪声成分，选用美国AMETEK公司生产的Model 7270，频率范围为0.001Hz-250kHz，灵敏度为2nV-1V，动态储量大于100dB，相位分辨率达到0.01°，探测谐波范围为1-127f，时间常数范围为10μs-100ks；

或者，所述数据采集卡采用北京阿尔泰科技有限公司的四通道16位同步数据采集卡 PCI8757，通过PCI接口与上位机通信，采样率最大可达800kSa/s，输入电压范围为10V；

或者，所述上位机中软件采用Labview编程，功能包括参数设置、数据采集与处理、波形显示以及控制功能；参数设置包括采样模式、采样率和采样时间的设置；数据采集包括两路二次谐波和一路锯齿波信号的采集；波形显示包括谐波信号和浓度曲线的显示；控制功能是指输出三路控制信号，一路通过GPIB接口控制激光器的工作温度，用于改变激光器中心波长，另两路通过USB接口控制两台锁相放大器的探测相位，这三路控制信号均用于三台设备的参数设置。

而且，所述标准气体模块选用美国Wavelength公司生产的光进光出透射式标准浓度NH₃气体模块，气室长度均为2.5cm，浓度分别为等效每米500ppm。

而且，所述数据采集卡进行数据处理的方法如下：

⑴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下，可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，就可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；

⑵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；

⑶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；

⑷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；

⑸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可以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，将分解后该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；

⑹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可得到新的谱图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；

⑺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，可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。

而且，所述数据采集卡进行数据处理的方法如下：

采用MATLAB Script节点方式来进行MATLAB调用，将数据运算过程封入MATLABscrip脚本接入LabVIEW系统中，经过LabVIEW图形语言编程环境的整合，成功地将数据采集、硬件环境监测、浓度运算、系统参数设置等众多功能串联到了一起，对采集数据进行数据处理；

系统在打开Labview程序后，首先判断数据是否有误，有误则结束，无误则开始测量，采集3路数据分别为参比数据、样品数据和锯齿波信号；采集后的信号按照MATLAB处理流程框图中对应的方法进行数据处理和浓度反演，并输出NH₃浓度曲线显示和数值显示。

本发明取得的优点和积极效果是：

1、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。

2、本系统以可调谐激光二极管谐波检测技术作为研究对象，结合LabVIEW虚拟仪器开发环境自主开发了一台TDLAS气体检测系统，实现了气体浓度实时检测与显示、硬件系统控制等功能；与谐波检测及长光程技术的结合更是大大提高了检测系统的信噪比，实现了对低浓度气体的检测功能；该系统针对谐波信号特点就背景、噪声、漂移、谱线重叠干扰问题进行了科学研究及实验论证，研究表明，针对氨气检测及其检测条件中存在的问题，选择合适的数据后处理算法很好的提高了TDLAS系统的检测能力。

附图说明

图1为本发明的系统结构连接示意图；

图2为图1中上位机进行数据处理的MATLAB程序流程图；

图3为本发明中消除背景信号前、后示意图；

图4为本发明中小波变换前、后示意图；

图5为本发明中差分算法对重叠二次谐波谱线的分离图，其中图(a)为分离前图；图(b) 分离后图；

图6为本发明中LabVIEW程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

本发明中未详细描述的结构、连接关系及方法，均可以理解为本领域内的公知常识。

一种柴油机SCR氨污染光谱检测系统，如图1所示，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。在本实施例中，所述SCR净化系统通过膜采样泵、恒温加热管与过滤系统相连接设置(图中未示出)，所述膜采样泵能够对被测气体进行恒流采集，恒温加热管道能够对被测气体进行恒温加热，以防止NH₃气体冷凝吸收，所述SCR净化系统的输出端与膜采样泵的输入端相连接设置，该膜采样泵的输出端与恒温加热管的输入端相连接设置，该恒温加热管的输出端与过滤系统的输入端相连接设置。

在本实施例中，所述过滤系统采用以三氧化二铝与二氧化硅为主要基质的烧结材料，滤除掉颗粒物及油污的“干净”样气以恒流恒压送入气体池。

在本实施例中，所述激光器是系统中产生光源的器件，采用DFB激光器，波长为1512nm，光强为4.97dB。该激光器具有良好的稳定性，输出为窄线宽的单纵模激光。目前，DFB激光器技术比较成熟，并在通信领域得到了广泛应用，成本较低，基本覆盖了大部分的近红外光谱区域，非常适合应用在TDLAS系统中。在系统中为便于安装连接，所选激光器为14引脚蝶形封装并带尾纤输出。

所述激光驱动器用来驱动激光器正常工作和检测其工作状态，为使激光器扫描气体吸收谱线，本系统设置的激光驱动器温度为29℃。选用ILX Lightwave公司的LDC3900，具有四通道、八路隔离输出，带有通用接口总线(General Purpose Interface Bus，GPIB)接口。内置温度、电流驱动模块39427，最大输出电流范围500mA，TEC最大输出功率可达12w，并可测量电压。该驱动器的驱动电流输出长期(24小时)稳定性可达50ppm，温度控制输出长期(24小时)稳定性小于±0.1℃，为系统光源的稳定性提供了有力保障。

所述信号发生器选用美国泰克公司的AFG320两通道任意波形发生器，产生驱动激光器波长变化的低频扫描信号，幅度为200mV，频率为5Hz和高频调制信号，幅度为600mV，频率为30kHz。

所述气体池为半米长气体池，利用单次反射将光程增加为一米，此气体池设有进气与出气口，激光器出射激光经准直器从一端射入，从另一端射出，经过角立方反射镜后反射回去，实现光程加倍。标准气体模块选用美国Wavelength公司生产的光进光出透射式标准浓度NH₃气体模块，气室长度均为2.5cm，浓度分别为等效每米500ppm。

所述光电探测器是本系统中的信号探测部件，可将经过气体池和标准气体模块的光信号转换为电流信号。本系统选用武汉欧迪公司的PD500铟镓砷光电二极管，光敏感应面直径为 0.3mm，响应度在0.9左右。具有光谱响应度曲线范围宽(覆盖900至1600nm)、暗电流低、可靠性较高等特点。

所述前置放大器用于将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号并进行放大。系统中选择德国Femto公司的可变增益低噪声电流放大器DLPCA-200，增益从10³-10¹¹V/A可调，精度1％，带宽为1Hz至500kHz，电压输出范围为10V，输入噪声电流密度小于20pA。

所述锁相放大器利用相敏检测技术为基础提取各次谐波信号，它由主要由信号与参考通道、相敏检波器、低通滤波器几个部分组成。可以输出与参考信号频率的同频或倍频的谐波信号，利用低通滤波器滤除与检测谐波信号无关的噪声成分。系统选用美国AMETEK公司生产的Model 7270，频率范围为0.001Hz-250kHz，灵敏度为2nV-1V，动态储量大于100dB，相位分辨率达到0.01°，探测谐波范围为1-127f，时间常数范围为10μs-100ks。

所述数据采集卡采用北京阿尔泰科技有限公司的四通道16位同步数据采集卡PCI8757，通过PCI接口与上位机通信，采样率最大可达800kSa/s，输入电压范围为10V，可以达到系统要求。

所述上位机中软件采用Labview编程，功能包括参数设置、数据采集与处理、波形显示以及控制功能。参数设置包括采样模式、采样率和采样时间的设置；数据采集包括两路二次谐波和一路锯齿波信号的采集；波形显示包括谐波信号和浓度曲线的显示；控制功能是指输出三路控制信号，一路通过GPIB接口控制激光器的工作温度，用于改变激光器中心波长，另两路通过USB接口控制两台锁相放大器的探测相位，这三路控制信号均用于三台设备的参数设置。

在本实施例中，所述数据采集卡进行数据处理的MATLAB程序流程如2所示：

1、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下，可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，就可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。

2、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，单一周期信号通常存在一定的波动，在确定适宜的平均周期数后，对50个周期求平均值，可以在一定程度上减小随机噪声的干扰。

3、消除背景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。

图3为二次谐波信号消除背景前后的结果。

4、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。

5、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可以同时进行噪声滤除与基线校正的数据预处理方法。本申请人根据先验知识以及所测量实验信号的特性，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，该小波函数的最佳分解层次均为9层，然后将测得的实验信号进行数据分解。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，将分解后该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。通过实验证明了对于微弱噪声，小波变换的噪声去除率约为95％；对于强噪声，小波变换的滤除效果则更加明显，去除率高达98.5％。分析表面，对于微弱基线漂移系统来说小波变换的校正效果并不明显，而对于强基线漂移，小波变换的校正效果则相当明显，最高去除率达到了95％。

图4中为二次谐波信号利用小波分析方法进行数据预处理的前后示意图。

6、差分折返算法消除谱峰重叠：为了在谱峰重叠的情况下仍然可以实现气体浓度的高灵敏度检测，避免相邻谱线对被测谱线的干扰，为了能够更为简便的实现重叠谱图的分离并达到信息提取的最终目的，系统采用差分折返算法。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可得到新的谱图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。

图5的 (a)中为A和B两个二次谐波谱图的叠加，经差分折返算法处理后的谱图如图(b) 所示，重叠信号得到明显分离。

7、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。系统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，可通过拟合结果进行样品数据浓度反演，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。

NI公司专门设计了MATLAB Script节点方式来进行MATLAB调用，将数据运算过程封入MATLAB scrip脚本接入LabVIEW系统中。经过LabVIEW图形语言编程环境的整合,成功的将数据采集、硬件环境监测、浓度运算、系统参数设置等众多功能串联到了一起，对采集数据进行数据处理。

如图6所示，本系统在打开Labview程序后，首先判断数据是否有误，有误则结束，无误则开始测量，采集3路数据分别为参比数据、样品数据和锯齿波信号。采集后的信号按照 MATLAB处理流程框图中对应的方法进行数据处理和浓度反演，并输出NH₃浓度曲线显示和数值显示。

Claims (6)

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。

2.根据权利要求1所述的柴油机SCR氨污染光谱检测系统，其特征在于：所述SCR净化系统通过膜采样泵、恒温加热管与过滤系统相连接设置，所述膜采样泵能够对被测气体进行恒流采集，恒温加热管道能够对被测气体进行恒温加热，所述SCR净化系统的输出端与膜采样泵的输入端相连接设置，该膜采样泵的输出端与恒温加热管的输入端相连接设置，该恒温加热管的输出端与过滤系统的输入端相连接设置。

3.根据权利要求1所述的柴油机SCR氨污染光谱检测系统，其特征在于：所述过滤系统采用以三氧化二铝与二氧化硅为基质的烧结材料。

4.根据权利要求1所述的柴油机SCR氨污染光谱检测系统，其特征在于：所述激光器采用DFB激光器，波长为1512nm，光强为4.97dB；

或者，所述激光驱动器用来驱动激光器正常工作和检测其工作状态，为使激光器扫描气体吸收谱线，所述激光驱动器温度为29℃，选用ILX Lightwave公司的LDC3900；

或者，所述信号发生器选用美国泰克公司的AFG320两通道任意波形发生器，产生驱动激光器波长变化的低频扫描信号，幅度为200mV，频率为5Hz和高频调制信号，幅度为600mV，频率为30kHz；

或者，所述气体池为半米长气体池，利用单次反射将光程增加为一米，此气体池设有进气与出气口，激光器出射激光经准直器从一端射入，从另一端射出，经过角立方反射镜后反射回去，实现光程加倍；

或者，所述光电探测器是本系统中的信号探测部件，将经过气体池和标准气体模块的光信号转换为电流信号，选用武汉欧迪公司的PD500铟镓砷光电二极管；

或者，所述前置放大器用于将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号并进行放大，为德国Femto公司的可变增益低噪声电流放大器DLPCA-200，增益从10³-10¹¹V/A可调，精度1%，带宽为1Hz至500kHz，电压输出范围为10V，输入噪声电流密度小于20pA；

或者，所述锁相放大器利用相敏检测技术为基础提取各次谐波信号，输出与参考信号频率的同频或倍频的谐波信号，利用低通滤波器滤除与检测谐波信号无关的噪声成分，选用美国AMETEK公司生产的Model 7270，频率范围为0.001Hz-250kHz，灵敏度为2nV-1V，动态储量大于100dB，相位分辨率达到0.01°，探测谐波范围为1-127f，时间常数范围为10μs-100ks；

或者，所述数据采集卡采用北京阿尔泰科技有限公司的四通道16位同步数据采集卡PCI8757，通过PCI接口与上位机通信，采样率最大达800kSa/s，输入电压范围为10V；

或者，所述上位机中软件采用Labview编程，功能包括参数设置、数据采集与处理、波形显示以及控制功能；参数设置包括采样模式、采样率和采样时间的设置；数据采集包括两路二次谐波和一路锯齿波信号的采集；波形显示包括谐波信号和浓度曲线的显示；控制功能是指输出三路控制信号，一路通过GPIB接口控制激光器的工作温度，用于改变激光器中心波长，另两路通过USB接口控制两台锁相放大器的探测相位，这三路控制信号均用于三台设备的参数设置。

5.根据权利要求4所述的柴油机SCR氨污染光谱检测系统，其特征在于：所述标准气体模块选用美国Wavelength公司生产的光进光出透射式标准浓度NH₃气体模块，气室长度均为2.5cm，浓度分别为等效每米500ppm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的柴油机SCR氨污染光谱检测系统，其特征在于：所述数据采集卡进行数据处理的方法如下：

采用MATLAB Script节点方式来进行MATLAB调用，将数据运算过程封入MATLAB scrip脚本接入LabVIEW系统中，经过LabVIEW图形语言编程环境的整合，成功地将数据采集、硬件环境监测、浓度运算、系统参数设置众多功能串联到了一起，对采集数据进行数据处理；

系统在打开Labview程序后，首先判断数据是否有误，有误则结束，无误则开始测量，采集3路数据分别为参比数据、样品数据和锯齿波信号；采集后的信号按照MATLAB处理流程框图中对应的方法进行数据处理和浓度反演，并输出NH₃浓度曲线显示和数值显示。