CN204044057U - 一种微型红外汽车尾气分析仪 - Google Patents

Abstract

一种微型红外汽车尾气分析仪，涉及汽车尾气成分分析装置。设有样气前处理装置、谐振积分腔、红外LED光源、第1 PD传感器、第2 PD传感器、LED驱动电路和信号处理电路；前处理装置尾气出口进入积分腔，红外LED光源红外光通过准直镜形成平行光，再经分光片后一路入射积分腔内，另一路入射到第1 PD传感器上，产生光生电流并由第1 I-V转换电路转换成电压信号并接转换开关的第2输入端，转换开关输出端经采集电路接驱动电路输入端，驱动电路输出端接光源，谐振积分腔内设有前后平凹反射镜，离开积分腔并入射到第2 PD传感器上，产生光生电流并由第2 I-V转换电路转换成电压信号，再接转换开关的第1输入端。

Description

一种微型红外汽车尾气分析仪

技术领域

本实用新型涉及汽车尾气成分分析装置，尤其是涉及采用谐振积分腔技术的一种微型红外汽车尾气分析仪。

背景技术

根据国标GBl 8285---2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》，要求在进行汽车尾气分析测量推荐定容采样法，进行尾气取样。定容采样法是美国制定的，并在1972年启用的标准采样方法。随后，日本和欧洲分别在1973年和20世纪80年代也采用了这种方法。可以说，定容采样法是一种世界通行的汽车尾气样气采样方法。定容采样法(Constant Volume Sampling)是一种稀释采样方法，该法有控制地用周围空气对汽车排气进行连续稀释，因而可以更接近于汽车排气向大气中扩散，对大气进行污染这一实际过程。

该***要求被测车辆在转鼓试验台上，按规定的工况法，进行循环运转测试，汽车排气直接进入稀释风道中，按规定的比例与空气混合，稀释比依排气流量不同而变化，一般比例为(6～20)∶l(王险峰.汽车尾气远程监测***研究与开发[D].重庆交通大学车辆工程,2011)。然后用定容泵提出定量的部分稀释尾气以待测试，其余的排走。定容采样法，对排气做了稀释处理，更接近与排放气对大气污染的实际情况，且可以减小由于排放中高沸点物质凝聚、吸附现象的发生而引起的测量误差。

但是，定容采样法对汽车排放尾气进行稀释，因此待测气体浓度同比例地降低了，也就是说，汽车尾气的测量性能需要比以前至少要提高6～20倍。因此，对汽车尾气分析仪器提出了更高的要求，要求有更高的灵敏度和测量精度。

由于CO、CH、NOx等气体，对某种特殊波长的红外光有较强的吸收作用，而对其他波长光的吸收作用则较弱(丁万山,陈小刚,张健,等.基于光谱吸收法的微型车载尾气诊断***[J].传感器与微***,2009,28(2):81-83)。因此一般根据朗伯-比尔定律，待测气体浓度C与吸收度k(λ)、有效光程L、透射比τ有关，待测气体浓度越高，有效光程L越长，则红外能量衰减越大(陈志敏.汽车尾气红外检测***的新技术研究[D].山东理工大学测试计量技术及仪器,2010)。通常地，在气室两侧分别放置红外探测器和光源，光源从一端入射，其强度为I₀(λ)，透过待测气体，另一端的红外传感器接收，接收到的光强度为I(λ)，再结合已知的有效光程L，就可以推算出其他浓度(罗青青,周正贵,李庆,等.基于RFID技术的汽车尾气检测***电路设计[J].电子世界,2013(18):21)。

发明内容

本实用新型的目的在于提供可以检测低浓度汽车尾气样品，使光在测量气室内多次折返，有效测量光程增加了过百次，可提高测量灵敏度、精确度，可显著减小仪器体积的一种微型红外汽车尾气分析仪。

本实用新型设有样气前处理装置、谐振积分腔、红外LED光源、第1 PD传感器、第2 PD传感器、LED驱动电路和信号处理电路；

所述样气前处理装置的样气输入口外接汽车尾气样品出口，所述谐振积分腔设有进气口和出气口，样气前处理装置的尾气出口经进气口进入谐振积分腔，所述谐振积分腔设有红外光入射孔和红外光出射孔，红外LED光源发出的红外光通过准直镜形成平行光，平行光再经分光片后一路由红外光入射孔入射谐振积分腔内，另一路入射到第1 PD传感器的光敏面上，第1 PD传感器接收到入射光后，产生对应的光生电流，并由第1 I-V转换电路将光生电流转换成电压信号，第1 I-V转换电路的电压信号输出端接转换开关的第2输入端；转换开关的输出端接信号采集电路的输入端，信号采集电路的输出端接LED驱动电路的输入端，LED驱动电路的输出端接红外LED光源，所述LED驱动电路用于控制红外LED光源，LED驱动电路与分光片和第1 PD传感器组成恒功率控制环路，按设定功率输出恒定的功率；谐振积分腔内设有前平凹反射镜和后平凹反射镜，前平凹反射镜和后平凹反射镜均镀全反膜；红外光进入谐振积分腔后，进行谐振震荡，途经的气体分子对红外光进行吸收，从而对入射的红外光进行衰减，最后红外光通过红外光出射孔，离开谐振积分腔并入射到第2 PD传感器的光敏面上，第2 PD传感器接受到入射光后，产生与光强对应的光生电流，并由第2 I-V转换电路将光生电流转换成电压信号，第2 I-V转换电路的电压信号输出端接转换开关的第1输入端。

信号处理电路的输出信号，再数字化，与LED出射光功率比较后，可以计算出光的总衰减量，总的有效光程可以通过设计仿真直接得出，最后计算出对应气体的浓度。

所述前平凹反射镜和后平凹反射镜均镀全反膜，可以对红外光进行全反射，反射率>99％。

所述进气口上可设有进气阀，所述出气口上可设有出气阀。

本实用新型采用的谐振积分腔由两面平凹反射镜组成，两面平凹反射镜，均镀红外全反射膜，对红外光的反射率大于99％。两面平凹反射镜上有小孔，其中一侧为测量光源的红外光入射孔，另一面为测量光源的红外光出射孔。这样，测量光源从红外光入射孔进入谐振积分腔后，在腔内往返震荡逾百次后，最后从红外光出射孔离开谐振积分腔。PD传感器放置在红外光出射孔处，测量被尾气吸收后剩余的光强。信号处理电路将PD传感器的输出电流信号进行I-V转换、模数转换后，得到出射光强的数字量。通过对入射光强和出射光强的对比，就可以计算出尾气中相应气体的含量。

本实用新型采用谐振积分腔技术，可以使入射光在待测气室反射数百次，增加有效测量光程数百倍，从而可以在小体积的情况下，更加精确地计算汽车尾气中CO、CH、NOx等气体成分的含量。本实用新型采用谐振积分腔技术，将测量光源准直后，入射待测气室，入射光在腔内谐振，数百次透过待测气体后，到达接收传感器，然后对传感器接收到的光，进行能量分析，计算出待测气体对每种波长光的吸收度，从而可以更加精确地推算出待测汽车尾气中的各种气体组分的含量。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过采用谐振积分腔技术，测量光在积分腔内进行多次往返震荡，从而使有效测量光程延长数百倍，从而提高尾气成分的测量精度和灵敏度，也可以大大降低尾气分析仪的体积。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构组成框图；

图2为本实用新型中入射光在平凹反射镜的光斑示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

参见图1，本实用新型实施例设有样气前处理装置1、谐振积分腔3、红外LED光源5、第1 PD传感器8、第2 PD传感器11、LED驱动电路9和信号处理电路10。

所述样气前处理装置1的样气输入口外接汽车尾气样品出口M，所述谐振积分腔3设有进气口2和出气口4，样气前处理装置1的尾气出口经进气口2进入谐振积分腔3，所述谐振积分腔3设有红外光入射孔33和红外光出射孔34，红外LED光源5发出的红外光通过准直镜6形成平行光，平行光再经分光片7后一路由红外光入射孔33入射谐振积分腔3内，另一路入射到第1 PD传感器8的光敏面上，第1 PD传感器8接收到入射光后，产生对应的光生电流，并由第1 I-V转换电路14将光生电流转换成电压信号，第1 I-V转换电路14的电压信号输出端接转换开关13的第2输入端；转换开关13的输出端接信号采集电路10的输入端，信号采集电路10的输出端接LED驱动电路9的输入端，LED驱动电路9的输出端接红外LED光源5，所述LED驱动电路9用于控制红外LED光源5，LED驱动电路9与分光片7和第1 PD传感器8组成恒功率控制环路，按设定功率输出恒定的功率；谐振积分腔3内设有前平凹反射镜31和后平凹反射镜32，前平凹反射镜31和后平凹反射镜32均镀全反膜；红外光进入谐振积分腔3后，进行谐振震荡，途经的气体分子对红外光进行吸收，从而对入射的红外光进行衰减，最后红外光通过红外光出射孔34，离开谐振积分腔3并入射到第2 PD传感器11的光敏面上，第2 PD传感器11接受到入射光后，产生与光强对应的光生电流，并由第2 I-V转换电路12将光生电流转换成电压信号，第2 I-V转换电路12的电压信号输出端接转换开关13的第1输入端。

信号处理电路10的输出信号，再数字化，与LED出射光功率比较后，可以计算出光的总衰减量，总的有效光程可以通过设计仿真直接得出，最后计算出对应气体的浓度。

所述前平凹反射镜31和后平凹反射镜32均镀全反膜，可以对红外光进行全反射，反射率>99％。所述进气口2上设有进气阀21，所述出气口4上设有出气阀41。

本实用新型通过采用谐振积分腔技术，使光线在谐振腔中往返数百次，从而大大增加了有效光程，从而可以提高测量分辨率、精确度。同时，可以缩小汽车尾气分析仪的体积。

图2是本实用新型中入射红外光每次照射在平凹反射镜的光斑位置。在光调时，调整光的入射角，使之穿过两个平凹反射镜Q的中心，然后再略微调偏一点角度，光线就可以在谐振积分腔中，进行多次反射，光斑G在平凹反射镜Q的位置均稍偏一点，最后到达出射孔时，离开谐振腔，结束谐振状态。整个谐振过程，红外光在平凹反射镜上的光斑位置，如图2所示。

本实施例是对本实用新型所用的入射光功率测量的说明：LED光源为高效红外或其他颜色的光源，产生测量光；LED直接产生的光，有一定的发散角，准直镜将LED光整形成平行光；分光片的作用是将LED产生的光分成2部分，其中大部分透过分光片，继续向前进入谐振积分腔(气室)，小部分在分光片上反射进入PD传感器，用于监测入射光光功率，一般地，透射率为95％～99％，监测用反射光为1％～5％。PD传感器接收到光信号后，产生光生电流，光生电流经过I-V转换后，变成电压信号，再经过数模转换器后，变成对应的数字信号。处理器用于读取数模转换器的信号，计算光功率结果并发出指令，调解LED的输出光功率。从而形成闭环控制链路，输出稳定的入射光功率。

Claims (3)

1.一种微型红外汽车尾气分析仪，其特征在于设有样气前处理装置、谐振积分腔、红外LED光源、第1 PD传感器、第2 PD传感器、LED驱动电路和信号处理电路；

所述样气前处理装置的样气输入口外接汽车尾气样品出口，所述谐振积分腔设有进气口和出气口，样气前处理装置的尾气出口经进气口进入谐振积分腔，所述谐振积分腔设有红外光入射孔和红外光出射孔，红外LED光源发出的红外光通过准直镜形成平行光，平行光再经分光片后一路由红外光入射孔入射谐振积分腔内，另一路入射到第1 PD传感器的光敏面上，第1 PD传感器接收到入射光后，产生对应的光生电流，并由第1 I-V转换电路将光生电流转换成电压信号，第1 I-V转换电路的电压信号输出端接转换开关的第2输入端；转换开关的输出端接信号采集电路的输入端，信号采集电路的输出端接LED驱动电路的输入端，LED驱动电路的输出端接红外LED光源，所述LED驱动电路用于控制红外LED光源，LED驱动电路与分光片和第1 PD传感器组成恒功率控制环路，按设定功率输出恒定的功率；谐振积分腔内设有前平凹反射镜和后平凹反射镜，前平凹反射镜和后平凹反射镜均镀全反膜；红外光进入谐振积分腔后，进行谐振震荡，途经的气体分子对红外光进行吸收，从而对入射的红外光进行衰减，最后红外光通过红外光出射孔，离开谐振积分腔并入射到第2 PD传感器的光敏面上，第2 PD传感器接受到入射光后，产生与光强对应的光生电流，并由第2 I-V转换电路将光生电流转换成电压信号，第2 I-V转换电路的电压信号输出端接转换开关的第1输入端。

2.如权利要求1所述一种微型红外汽车尾气分析仪，其特征在于所述前平凹反射镜和后平凹反射镜均镀全反膜。

3.如权利要求1所述一种微型红外汽车尾气分析仪，其特征在于所述进气口上设有进气阀，所述出气口上设有出气阀。