CN103134766A - 基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***及其处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，包括探测器，其中：由所述探测器与计算机、光源和一组光纤探头组成，计算机分别连接光源的控制信号输入接口和探测器的电信号输出接口，光源的光波输出接口通过光纤连接相应光纤探头，探测器的光波输入接口通过光纤连接相应光纤探头。直接检测光波的能量，可以快速、准确、低成本地检测汽车尾气是否超标，大大节省了汽车尾气的检测时间与成本。还包括利用该***的处理方法。

Description

基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种成分检测装置和方法，特别是涉及一种用于汽车尾气的成分检测装置和方法。

背景技术

环境保护要从生活中的每一处细节入手，汽车已经日益成为生活中的代步工具，汽车尾气排放的检测越来越引起人们的重视。汽车尾气的主要有害成分是碳氢化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等污染物气体被人吸入后，会使人体组织缺氧，轻者使人头疼流泪、晕眩、反应迟钝、咽喉刺痛，重者使人神经机能下降、呼吸困难，引起多种神经或呼吸疾病，甚至造成死亡。

目前使用的汽车尾气分析仪多采用电化学传感器，电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。电化学传感器存在的问题包括：

稳定性差，理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%；

交叉灵敏度差，即同一传感器对不同气体均有响应，或者说不能区分不同的气体，典型的例子，氢气报警器，环境中有乙醇时，会发生误报；

抗腐蚀性差，传感器暴露于高体积分数目标气体中，检测能力会随暴露时间降低；

寿命有限，电化学传感器寿命一到两年。

采用光谱吸收法，可检测以汽油、石油液化气、天然气及酒精等为燃料的车辆，分析在怠速、双怠速及工况法下汽车的尾气有害成分排放浓度；可分析在自由加速工况和瞬态测量下的汽、柴油车的排放状况。适用于环境监测部门检测、汽车和摩托车制造厂商、汽车维修企业、公安检测站、交通检测站以及科研部门等对车辆维修、机动车审验、路检和科研等汽车尾气排放的检测。

在公开号为CN1412541A的申请中，对汽车尾气进行实时检测用的红外光学检测***和方法，采用红外成像的方法，由于尾气吸收部分光能量，造成尾气局部区域温度降低，于是由红外成像仪所摄并在监视器中所显示的红外图像中就会出现发暗的区域，图像中发暗的区域越黑，说明尾气吸收光能量越大，对应汽车排出的尾气量越大。光波被吸收都是源于尾气成分的原子分子光谱吸收，从探测的技术特征来看，该专利检测的是红外光波转换的温度分布成像图形，从检测设备上看该专利需要购买红外成像仪，价格不菲。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，解决尾气检测中对混合的有害成分不能同时精确检测的技术问题。

本发明的另一个目的是利用上述发明进行汽车尾气分析的方法，解决尾气检测中对混合的有害成分不能同时精确检测的技术问题。

本发明的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，包括探测器，其中：由所述探测器与计算机、光源和一组光纤探头组成，计算机分别连接光源的控制信号输入接口和探测器的电信号输出接口，光源的光波输出接口通过光纤连接相应光纤探头，探测器的光波输入接口通过光纤连接相应光纤探头；

计算机用于根据内置信号检测逻辑向光源发送波长选择信号；接收探测器输出的被检测光的光波特征信号，根据内置光谱分析模型，生成被测尾气成分及含量；

光源用于根据波长选择信号，输出相应波长特征的红外光；

探测器用于通过光纤接收相应光纤探头采集的光信号，检测出相应波长光波的强度，转换为特征信号，以电信号形式输出；

光纤探头用于接收光纤传导的光信号并向透明端面外辐射，或通过透明端面接收外部光信号。

所述光纤探头为两个，光源的光波输出接口通过光纤连接一个光纤探头，探测器的光波输入接口通过光纤连接另一个光纤探头。

所述光纤探头为一个，通过一个光纤环行器分别与光源的光波输出接口和探测器的光波输入接口单向连接，光源的光波输出接口通过光纤与光纤环行器的第一接口连接，光纤探头通过光纤与光纤环行器的第二接口连接，探测器的光波输入接口通过光纤与光纤环行器的第三接口连接。

所述光源输出光波的波长包括1.573μm、1.567μm、5.68μm、0.226μm和0.76μm中的一种或几种。

根据上述的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***进行尾气分析的方法，包括以下步骤：

步骤1，计算机根据燃油组分确定要测量的汽车尾气成分，将光纤探头深入发动机未运行的车辆排气管内；控制光源相应波长光波输出；

步骤2，计算机根据汽车尾气成分选择相应的光源波长，控制光源相应波长光波输出；

步骤3，探测器进行第一次测量过程，计算机记录第一次测量数据；

步骤4，保持光纤探头位置，启动发动机，进行第二次测量过程，计算机记录第二次测量数据；

步骤5，计算机利用第一次测量数据修正第二次测量数据，根据内置的临界值标记各种尾气成分在测量过程中超出临界值的数据。

本发明的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，直接检测光波的能量，可以快速、准确、低成本地检测汽车尾气是否超标，大大节省了汽车尾气的检测时间与成本。进而可以通过计算机实现利用物联网对空气质量检测的目的，保障我们的生活空间免受空气污染。本发明的测量方法，可以快速、准确地给出汽车尾气是否超标，以及超标成分，为尾气治理提供必要的数据。本发明结构小巧紧凑，可以安装在车辆上进行实时监测。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为本发明基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***的结构示意图；

图2为本发明基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***实施例1的结构示意图；

图3为本发明基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***实施例2的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***包括计算机01、光源02探测器03和一组光纤探头06，计算机01分别连接光源02的控制信号输入接口和探测器的电信号输出接口，光源02的光波输出接口通过光纤连接相应光纤探头06，探测器的光波输入接口通过光纤连接相应光纤探头06；

计算机01用于根据内置信号检测逻辑向光源02发送波长选择信号；接收探测器输出的被检测光的光波特征信号，根据内置光谱分析模型，生成被测尾气成分及含量；

光源02用于根据波长选择信号，输出相应波长特征的红外光；

探测器03用于通过光纤接收相应光纤探头06采集的光信号，检测出相应波长光波的强度，转换为特征信号，以电信号形式输出；

光纤探头06用于接收光纤传导的光信号并向透明端面外辐射，或通过透明端面接收外部光信号。

如图2所示，本实施例1中采用两个光纤探头06，光源02的光波输出接口通过光纤连接一个光纤探头06，探测器的光波输入接口通过光纤连接另一个光纤探头06。

本实施例1中光纤探头06可以远离光源和探测器，保护了设备和测试人员免受尾气侵害，利用光线的柔韧性和光纤探头06的小巧，可以很容易的将检测部分置入待检测的尾气环境中，例如汽车排气管深处。

如图3所示，本实施例2中在于实施例1结构基本相同的基础上，采用一个光纤探头06通过一个光纤环行器05分别与光源02的光波输出接口和探测器03的光波输入接口单向连接，光源02的光波输出接口通过光纤与光纤环行器05的第一接口连接，光纤探头06通过光纤与光纤环行器05的第二接口连接，探测器03的光波输入接口通过光纤与光纤环行器05的第三接口连接。

本实施例2中利用光纤环行器05的信号单向循环特性，实现光纤探头06分别与光源02和探测器03的单向光信号连接，使得光纤探头06既可以用于光源02光波的照射，也可以用于环境光波的接收。本实施例减少了光纤探头06的数量，检测部分进一步减小体积，有利于将本实施例应用于各种狭窄环境下。

在上述实施例中，光源02输出的光波经由光纤04、光纤环行器05、光纤探头06，照射到汽车排气管中的尾气，输出的光波波长可以调节，根据不同尾气成分选择不同的输出波长，光源02与计算机01相连，由计算机01发出指令控制光源02的输出波长。被尾气吸收的光波作为环境光波由光纤探头06、光纤04、光纤环行器05送到探测器03，探测器03将光信号转换为电信号，电信号送计算机01处理，计算机01根据光源发出的波长不同，根据计算模型计算得到汽车尾气成分的含量。

由于尾气中不同有害成分的光谱吸收特性不一致，控制光源02发出几种不同波长的光波就可以对不同成分进行检测，获得的各自检测结果互相不干扰。主要尾气成分的对应波长如下：

二氧化碳对应1.573μm；

一氧化碳对应1.567μm；

碳氢化合物对应5.68μm；

一氧化氮对应0.226μm；

氧气对应0.76μm；

五种气体敏感波长互相不干扰，检测结果不受到其他成分及其浓度的影响，光源02的发光原理类似于光纤通信中的波分复用技术，即可以一次产生包含一种波长的光波，也可以一次产生包含几种波长的光波。

根据国家指定的汽车尾气排放标准，将尾气相应成分上限数值设为临界值，计算机01的内置光谱分析模型标定各种成分对应不同波长光波，经探测器03测得的数值，测量值超出标准的相应临界值，***将发出报警信号，同时给出具体的测量值。

利用本发明的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***进行尾气分析的方法，在初始化***后，主要步骤包括：

步骤1，计算机根据燃油组分确定要测量的汽车尾气成分，将光纤探头06深入发动机未运行的车辆排气管内；控制光源02相应波长光波输出；

步骤2，计算机01根据汽车尾气成分选择相应的光源波长，控制光源02相应波长光波输出；

步骤3，探测器03进行第一次测量过程，计算机记录第一次测量数据；

步骤4，保持光纤探头06位置，启动发动机，进行第二次测量过程，计算机记录第二次测量数据；

步骤5，计算机01利用第一次测量数据修正第二次测量数据，根据内置的临界值标记各种尾气成分在测量过程中超出临界值的数据。

本尾气分析方法，可以有效降低检测环境因素对测量数据的影响，并且可以长时间跟踪发动机各种工况时的尾气排放状态，利用光源02具有的波分复用特点，可以同时获得集中尾气成分的时间相关的连续数据，为进一步形成燃烧分析结论、故障诊断提供可靠的依据。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，包括探测器（03），其特征在于：由所述探测器（03）与计算机（01）、光源（02）和一组光纤探头（06）组成，计算机（01）分别连接光源（02）的控制信号输入接口和探测器（03）的电信号输出接口，光源（02）的光波输出接口通过光纤（04）连接相应光纤探头（06），探测器（03）的光波输入接口通过光纤连接相应光纤探头（06）；

计算机（01）用于根据内置信号检测逻辑向光源（02）发送波长选择信号；接收探测器（03）输出的被检测光的光波特征信号，根据内置光谱分析模型，生成被测尾气成分及含量；

光源（02）用于根据波长选择信号，输出相应波长特征的红外光；

探测器（03）用于通过光纤接收相应光纤探头（06）采集的光信号，检测出相应波长光波的强度，转换为特征信号，以电信号形式输出；

光纤探头（06）用于接收光纤传导的光信号并向透明端面外辐射，或通过透明端面接收外部光信号。

2.根据权利要求1所述的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，其特征在于：所述光纤探头（06）为两个，光源（02）的光波输出接口通过光纤连接一个光纤探头（06），探测器（03）的光波输入接口通过光纤连接另一个光纤探头（06）。

3.根据权利要求1所述的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，其特征在于：所述光纤探头（06）为一个，通过一个光纤环行器（05）分别与光源（02）的光波输出接口和探测器（03）的光波输入接口单向连接，光源（02）的光波输出接口通过光纤与光纤环行器（05）的第一接口连接，光纤探头（06）通过光纤与光纤环行器（05）的第二接口连接，探测器（03）的光波输入接口通过光纤与光纤环行器（05）的第三接口连接。

4.根据权利要求1至3任一所述的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***，其特征在于：所述光源（02）输出光波的波长包括1.573μm、1.567μm、5.68μm、0.226μm和0.76μm中的一种或几种。

5.根据权利要求1至4任一所述的基于红外光谱吸收法的汽车尾气分析***进行尾气分析的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，计算机根据燃油组分确定要测量的汽车尾气成分，将光纤探头（06）深入发动机未运行的车辆排气管内；控制光源（02）相应波长光波输出；

步骤2，计算机（01）根据汽车尾气成分选择相应的光源波长，控制光源（02）相应波长光波输出；

步骤3，探测器（03）进行第一次测量过程，计算机记录第一次测量数据；

步骤4，保持光纤探头（06）位置，启动发动机，进行第二次测量过程，计算机记录第二次测量数据；

步骤5，计算机（01）利用第一次测量数据修正第二次测量数据，根据内置的临界值标记各种尾气成分在测量过程中超出临界值的数据。

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