1、基于虛擬儀器的汽車尾氣檢測系統設計基于虛擬儀器的汽車尾氣檢測系統設計青島科技大學本科畢業設計（論文）前言 隨著中國的經濟迅速增長，汽車普及率越來越高，汽車的設計開發、生產、銷售也進入了 發展的快車道。根據調查至2011年2月底，我國機動車保有量達到2.11億輛，去年全國新增機動車 2048萬輛，有20個城市的機動 車保有量超過100萬輛，并且今后每年將以10%左右的數量 增加。但是，新問題也隨之產生，即汽車污染加重了，道路上 擁擠的汽車產生的尾氣污染影響著人們的生活。中國人口眾多，能源和土地資源相對短缺，如此汽車保有 量，已經對能源供應、環境保護、交通通暢和城市秩序帶來 巨大壓力。據調查全國五

2、分之一的大城市由于汽車尾氣排放，空氣污 染嚴重。由于同樣原因，全國110個中大城市達不到二級空氣標準。機動車常用的動力來源是柴油和汽油，燃料成分組成十 分復雜。而汽油是目前汽車 （點燃式發動機）最普遍使用的常規燃 料，其中主要有20%的丁、戊烷，45%高碳烷、烯烽、芳煌 及其它添加劑，氫碳比控制在約 1.85:1,以辛烷值衡量抗爆性能，理論上正庚烷的抗爆性能最差 （70%）,異辛烷最高（100%）。汽車排放的主要污染物是：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮氧化合物（NOx）硫化物和 微粒物（有碳煙、鉛氧化物等重金屬氧化物和煙灰等組成）。在內燃發動機中，CO因空氣不足或其他原因造成不完全燃

3、燒時，所產生的一種無色、無味的氣體。CO吸入人體后，非常容易和血液中的血紅蛋白結合，它 的親和力是氧的300倍。因此，肺里的血紅蛋白不與氧結合而與CO結合，致使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重時造成死亡。CO的容許限度規定為 8h內100ppm。如lh內吸入500ppm的CO,就會由現中毒癥狀，并危害 中樞神經系統，造成感覺、反應、理解、記憶等機能障礙， 嚴重時引起神經麻痹。如1h內吸入1000ppm的CO,就會發生死亡。世界工業化進程引起的能源大量消耗，導致大氣CO2的居時曾。其中約30%來自汽車排氣。CO2為無色無毒氣體，對人體無直接危害，但大氣中的 CO2大幅度增加，因其對

4、紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應，會使全球氣溫上升、南北極冰層溶化，海平面上升，大 陸腹地沙漠趨勢加劇，使人類和動植物賴以生存的生態環境 遭到破壞。因此近年來對 CO2的控制也已上升為汽車排放研究的重 要課題。人們期待著可以更加自由地享受經濟發展帶來的舒適便利的生活，而又不被空氣污染所困擾。為此，如何應用汽車新技術降低機動車排放尾氣污染，正 成為科研工作者、汽車生產商、政府有關管理部門的重要工作。1緒論1.1研究的目的和意義 隨著社會經濟的發展，汽 車保有量的增加，汽車尾氣帶來的城市交通污染對人體產生 的健康危害已引起人們廣泛的關注。大量的實驗研究和流行病學研究表明，汽車尾氣不僅可以造成人體呼

5、吸系統炎癥、 哮喘、眼部刺激及中毒等急性反應， 更重要的是汽車尾氣（主要是顆粒物）對人體可以造成慢性毒 性效應，尤其是以柴油為燃料的機動車排放的顆粒物，因其 表面吸附的芳香族化合物及其衍生物、有毒有害重金屬對人 體的呼吸系統、免疫系統、生殖系統產生慢性毒性，尤其是其致突變、致癌效應，給人體健康帶來不可逆轉的危害【1】同時，大量汽車尾氣污染物的排放也給整個地球環境造成 了不小的危害，例如汽車排放尾氣中的大量 CO2就是直接造 成全球溫室效應的根本元兇之一。要減少汽車尾氣污染物對人體和環境的危害，首先必須 做好檢測工作。用機動車尾氣分析儀測定車輛排氣污染物的濃度，目的是 控制排氣污染物的擴散，使其

6、限定在被允許的范圍內，以達 到保護生態環境和自然界生態平衡的目的。同時，汽車發動機所排生的污染物成分和濃度與發動機的 技術狀況密切相關，所以通過對發動機的排氣污染物進行檢 測，可評價發動機的技術狀況，特別是燃油供給系統和點火 系統的技術狀況。如何保證抽測數據的準確性，政府由臺了各種政策、法 規和辦法，其中各級環境監測部門所進行的尾氣抽測工作充 分利用抽測數據，對數據進行分析、整理、匯總、統計，找 由規律，為汽車尾氣防治管理工作提供科學依據，是一項非 常有意義的工作。為貫徹中華人民共和國環境保護法和中華人民共 和國大氣污染防治法，控制發動機排氣污染物對環境的污 染，以及配合當前我國機動車行業的產

7、業結構調整和企業認 證，國家要求各機動車生產企業必須加強對發動機污染物排 放量的檢測和控制。由此企業必需配備相應的檢測儀器。但由于整套 機動車尾氣排放檢測系統 ”在國內主要依靠進口國外同類系統，但是價格昂貴，而且難以得到快速及時地售后技術支持，這嚴重增加了中小企業負擔，限制了該措施 的推廣和應用。面對這種現狀，研制由適合我國國情的機動車尾氣檢測系 統是加快推行環保標準、促進經濟可持續快速健康發展的關 鍵問題之一。機動車尾氣紅外檢測系統的研究”的研究課題正是在此背 景下產生的。本課題利用非分光紅外技術檢測機動車尾氣中CO和CO2的濃度，從而為機動車尾氣的排放污染物控制提供有力的保 障，以達到提升

8、人們的健康水平，減少環境污染和保護生態 環境的目的。1.2研究的現狀1.2.1國際上在機動車尾氣檢測方面的發 展概況 對汽車排放污染物的治理，是世界性的環保課題。它推動了汽車工業的革命：同時帶動了燃料、凈化技術及監測儀器等相關產業的發展。常用的氣體分析方法有：電化學法；電氣法，如熱導式和半導體式；色譜法（層析法）:光學吸收法（紅外吸收法和紫外吸收法）等。與其它方法相比，紅外光學吸收式儀器的優點是精度和靈 敏度高，響應速度快，測量范圍大，選擇性、穩定性和可靠 性好，可以快速和連續檢測。因此受到各國重視，獲得廣泛應用【2】。1938年世界上第一臺紅外氣體分析儀問世。在50年代，以費因格格夫和勒夫特

9、為代表研制由了有選 擇性的光聲氣體檢測器，使不分光型紅外氣體分析儀技術趨 于成熟。到60年代，紅外技術在軍事上的應用不斷擴大，高靈敏 度的紅外探測器的研究蓬勃發展起來，紅外干涉濾光片制造 技術也日趨完善，促使以紅外探測器為接收元件的分析儀以 其獨特的特點迅速發展起來。從70年代開始，美、英、德等國一些廠家生產由多組分 紅外線氣體分析儀。最初的產品采用光譜響應寬的半導體紅外探測器和有許 多不同波長濾光片的切光輪結合，設計成時間多光束系統。有代表性的產品是 Kent公司生產的IR500型紅外氣體分析 儀。這種儀器雖然能實現多組分分析，但是測量對象的吸收靈 敏度不能相差太大，選擇性也不夠好。70年代

10、末到80年代，氣體濾波相關技術用于多組分分析， 極大地提高了分析儀的選擇性，但是儀器的測量靈敏度低， 要測量ppm級的氣體成分必須有較長的氣室。80年代以來，紅外氣體分析技術在不斷地完善，對于一些 問題，如精確測量低濃度氣體，提高儀器抗干擾性等，人們正在尋求解決的方法隨著現代化技術的不斷發展，電子計算機技術在紅外吸收光譜分析中發揮了重要作用，不但用來數據處理，記錄分析 結果，通過求解線性方程對多組分混合物進行定量分析，而 且承擔紅外氣體分析儀的其它許多自動化、多功能的任務。使儀器的性能大大提高【3】。尾氣分析儀的發展，現在國際上正朝著多參數、智能化， 高精度、便攜式及長期穩定性方向發展。瑞典汽

11、車故障診斷設備公司生產的 “ MULTI-GAS PRO 五氣分析儀，英國凱恩梅公司生產的 AUTO系列二氣，四氣 及五氣分析儀，美國 OTC公司生產的五氣分析儀等。它們都具有小型化，交直流兩用供電，可多參數測量，數據精確等優點。1.2.2我國紅外氣體分析儀技術發展現狀很長時間以來，中國汽車維修市場對尾氣分析儀的重視程度不高，這與中國 汽車工業的發展和環保政策是息息相關的。尾氣分析儀的兩大主要功用即輔助診斷和尾氣檢測對七八十年代的中國汽車市場來說，并未受到足夠的認識。由于當時占絕對數量的化油器式汽車結構都比較簡單，尾氣分析儀的診斷作用很少派上用場。當時尾氣分析儀產品也比較單一，主要用于怠速工況

12、的檢 測，而且國內相關生產廠家也少之又少。而環保方面對汽車尾氣排放也沒有相應的法規要求，尾氣 分析儀的檢測作用在檢測和維修企業也沒有得以推廣應用。九十年代，隨著汽車技術的迅猛發展和維修技術的升級 變化，很多汽車廠家要求特約維修站將尾氣分析儀作為診斷 工具在發動機的故障診斷中應用。尾氣分析儀為診斷維修結構復雜的現代汽車帶來了極大 的便利，很多維修企業都開始引進尾氣分析儀，以適應現代 汽車維修的需要。同時，人們對汽車尾氣排放造成的環境污染日益重視，按 照環保法規要求，汽車必須定期進行尾氣檢測。經過十幾年的發展，尾氣分析儀的技術越來越先進。絕大多數產品采用與國際市場同水平的先進檢測技術（含進口），分

13、別為怠速法、雙怠速法、ASM（簡稱單加速模擬工況法）和工況法的測試規范【41o盡管如此，我國紅外汽車尾氣分析儀技術水平與國外還存在很大差距。這主要表現為：紅外氣體分析理論的基礎研究不完善、不系統、不深入： 產品受環境影響比較嚴重；可靠性差；自動他水平低；智能 化水平低；莫些高性能產品沒有獨立知識產權等。國外的進口尾氣分析儀設備的年銷售量約占國內分析儀市場的份額的50% o目前市場上有二氣分析儀、三氣分析儀、四氣分析儀、 和五氣分析儀四種。因為一般情況下三氣分析儀就能滿足基本的檢測檢測需 求，所以我們通常用選用三氣檢測分析儀。本課題僅討論研究三氣分析儀。1.3主要研究內容 本課題是在當前汽車尾氣

14、污染的不斷 加重和汽車尾氣檢測標準越來越高的形勢下提由的，綜合比 較國內外發展的基礎上設計一套基于非分光紅外吸收技術 的尾氣分析系統，該系統操作簡單，能夠測量尾氣中有害成 分CO、CO2和HC的濃度。針對目前系統標定的種種不足設計一套裝置，該裝置操作 簡單，在保證標定精度的同時，既降低了標定成本又提高了 標定的效率。目前尾氣檢測多采用微控制器作為核心處理器，本系統運 用高性能的數據采集設備，準確可靠的采集檢測數據，并利 用虛擬儀器的思想進行軟件系統的設計，設計由的系統軟件 界面簡單，操作方便，有很強的擴張性，軟件的修改更新也 非常方便，大大提高了系統的可操作性和發展性。下面介紹一下本論文的主要

15、工作內容：1.分析紅外輻射的特性，確定了利用 CO、CO2和HC在 中紅外光區的吸收光譜進行檢測。尾氣中的成分比較多，其中O2、N2為同核雙原子分子，不具有紅外活性，所以在中紅外 （3以m5以m ）區域無紅外吸 收。二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）等氣 體對紅外線特定的波長有選擇吸收，因此可以利用各個成分 的不同的吸收譜線位置來測定含量。通過對檢測方法的分析比較最終確定采用非分光紅外檢 測技術，并根據該技術進行了理論分析。通過紅外吸收光譜的理論和氣體的紅外吸收光譜分析，根據CO、CO2和HC的吸收差異確定 CO、CO2和HC的特征 吸收峰。2 .提由系統方案，根據方案確

16、定系統部件。首先，挑選一款適宜的紅外氣體檢測儀（紅外氣體傳感 器），完成對汽車尾氣中所要檢測氣體組份的數據采集。其次，設計完成紅外氣體分析儀輸由信號的調理電路，包 括信號的轉換電路、信號的放大電路、信號的抗干擾濾波電 路等的設計。再次，選擇一款數據采集卡完成其與計算機以及輸入信號 的連接，并在在上為計算機中利用LabVIEW軟件完成對數據采集卡的相關配置。NI公司的最后，編寫相關的應用軟件。3 .分析虛擬儀器技術的特點和發展，利用LabVIEW作為軟件平臺完成系統軟件的設計c按模塊功能設計軟件包括: 數據采集模塊，系統標定模塊和各氣體組分濃度的顯示界 面。1.4本章小結 本章首先回顧了汽車紅外

17、分析檢測技術的 目的和意義，介紹了其在國內外發展的研究和發展現狀，闡 述了汽車尾氣檢測的必要性。最后，提生了該課題的主要研究內容和涉及到的技術問 題。2汽車尾氣成分分析及檢測原理2.1汽車尾氣的成份及危害 汽車尾氣中有水蒸氣、 02、H2、N2、CO2、CO、HC 化合物、NOx、S02、微粒物質等，其中把對人體有害和影 響自然環境增長的成分稱為污染物，有C02、CO、HC化合物、NOx、SO2、微粒物質等。本文僅對課題中需要檢測的CO、HC、CO2、三種氣體作如下分析：1.CO CO是燃料不完全燃燒的產物，當發動機混合氣過濃 或燃燒質量不佳時，易生成 CO而從排氣管排由。特別是發動機怠速時，

18、混合氣供給偏濃，發動機工作循環 中的氣體壓力和溫度不高，燃燒速度減慢，因不完全燃燒所 生成的CO濃度增高；發動機在加速過程中供給較濃混合氣， 或因點火過分推遲補燃增多時，均會使CO的排放量增加。CO進入人體后極易與血紅蛋白結合，可使血液攜帶氧的能力降低而引起缺氧。CO被人體吸收后會使人感覺惡心、頭暈及疲勞，嚴重時 會使人窒息死亡。2 . HC汽車尾氣中的HC是多種碳氫化合物的總稱， 是發 動機未燃盡的燃料分解或供油系中燃料的蒸發所產生的氣 體。汽車排放污染物中，HC的20%25%來自曲軸箱竄氣， 20%來自化油器和燃油箱中的蒸發，其余則由發動機排氣管 排由。單獨的HC只有在濃度高的情況下才會對

19、人體產生影響， 一般情況下作用不大。但HC能引起光化學反應生成光化學氧化劑，且生成甲醛，形成煙霧，對人的眼、鼻和喉嚨粘膜有較強的刺激作用，嚴 重時可致癌【5】。3 .CO2世界工業化進程引起的能源大量消耗，導致大氣CO2的居時曾。其中約30%來自汽車尾氣。CO2為無色無毒氣體，對人體無直接危害， 但大氣中CO2 的大幅度增加，因其對紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效 應，會使全球氣溫上升、南北極冰層溶化；海平面上升；大 陸腹地沙漠趨勢加劇，使人類和動植物賴以生存的生態環境 遭到破壞。2.2汽車尾氣檢測原理目前汽車尾氣分析儀最常用的測 試原理有：不分光紅外線分析原理(NDIR)、電化學原理、氫火焰離

20、子化法(FID) o根據不同的原理，就相應有不同結構的傳感器，分別適合 測試不同氣體成分。2.2.1 用不分光紅外分析(NDIR) NDIR 是英文 Non. Dispersive Infrared Analyzer 的簡稱，是目前測定 CO 的最好的方法。其測量上限為100%,下限可進行微量(級)分析；在一定的 量程范圍內，即使氣體濃度有極小變化也能檢測由來；當CO排放濃度較高時，尾氣中干擾成分對測定值的影響可略去不 計：采用連續取樣系統，能觀察隨發動機運轉條件變化而引起的 排氣成分的變化。NDIR還可測量HC化合物、CO2等氣體。不分光紅外吸收法(NDIR)的特點是，儀器結構簡單、反應 速

21、度快、測量精度高、操作簡便、壽命長、運行費用低，可 用于分析測試 CO、CO2、HC、NOx等氣體的濃度。1.基本檢測原理 NDIR法的是建立在惰性氣體不吸收紅 外線能量，而異原子組成的氣體如汽車尾氣中的CO、HC、CO2等均能吸收一定波長的紅外線能量的基礎上。其吸收能量的紅外線波長稱為特征波長，吸收強度用吸收 系數反映。當紅外線通過氣體時，由于氣體對紅外線波段中特征波長 紅外線能量的吸收，紅外線的能量將減少，其減少量與氣體 濃度C、氣體室厚度，和吸收系數 K有關，服從朗伯比爾 (Lambert- Beer)定律【6】，即：(2-1) 式中：E0入射紅外線能量；E:由射紅外線能量。汽車尾氣中不

22、同氣體的特征波長和吸收系數見表2-1 o表2-1不同氣體的特征波長和吸收系數Table 2-1 thecharacteristics of different gases wavelength and absorption coefficient 氣體種類 CO CO2 CH4 C6H14 NO 特征波長(以 m) 4.7 4.3 7.7 3.5 5.3 吸收系數 K 8.5 110 60 90 7.5 不分 光紅外分析儀，可測量 CO、CO2、CH4、C6H14、NO等多 種氣體成分，當然測量時需在檢測室內充入相應的氣體。汽車排放法規中一般規定不分光紅外分析儀只用于檢測CO和CO2,但由于它

23、的便攜性，故也被廣泛用于怠速時的 HC的檢測。在測定HC時，檢測室內密封正己烷，其測定的結果以相 當于正己烷的濃度來表示，發動機排氣中有上百種HC,而這種儀器只能檢測奧一波長段的HC o該分析儀，對飽和烽敏感，而對非飽和烽和芳香煌不敏感， 因此，其測量結果主要反映了飽和燒的含量，而不代表排氣 中各種燒類的總含量。故在要求高精度測量時，不分光紅外分析儀不能用來測量 HC【7】。2.紅外氣體分析裝置結構原理圖根據上述原理制成的紅外氣體傳感器如圖2-1所示。圖2-1紅外式氣體傳感器結構示意圖Figure 2-1 InfraredGas Analyzer Schematic紅外線光源發生的紅外線的波長

24、在 2以m7以m間，紅外線經過取樣室后，通過旋轉的紅外濾光 片（紅外濾光片分 CO、CO2、HC和基準信號四個光片組成） 到達熱電堆產生電信號，當旋轉的紅外濾光片旋轉一周，CO、 CO2、HC和基準信號四個濾光片分別通過取樣室下方一次， 這樣在熱電堆上產生兩個正半周期的正弦波形幅值在0mV 1mV。氣體的濃度越高，波形幅值越小，反之越大。根據通入氣體前后的幅值變化，可以得到尾氣各組分含量 的檢測結果。2.2.2電化學法 電化學法可用于測量 O2、NO、SO2等。應用該方法的檢測器結構小巧簡單、價格低廉、易于更換，但是壽命短，因為檢測器是電化學式的，屬消耗性的，壽命 多為兩年以內。當有氣體通過時

25、會輸由與氣體濃度成良好線性的電壓或者電流信號，通過一定的電路處理輸送給顯示器。下面給由氧傳感器使用電化學法檢測O2濃度的原型。具有對稱結構，振動中偶極矩不發生變化的氣體，如氧氣(02)、氮氣(N2),由于不存在紅外特征波長，就不能采用 不分光紅外吸收法(NDIR)進行測量。汽車尾氣分析用氧電化學傳感器為金屬.氣體擴散限制 型，氧傳感器結構由陽極電解液和陰極氣體組成，在陰極氧 氣轉化為氫氧根離子()：(2-2)在陽極氫氧根離子與金屬鉛 (Pb)反應生成金屬氧化 物：(2-3)根據法拉第定律，產生的電流與氧氣(02)的反應量 成正比，將電流值轉換電壓信號，測量后就可得到氧氣的體 積分數。在實際應用

26、中由于氧傳感器的電信號受氣體擴散率的影 響，外界壓力的變化會引起氧氣分壓的改變，輸由電壓號也 會隨之變化。經試驗其輸由的電壓信號與環境壓力之間的關系是線性 的，以在儀器氣路設計時，要盡量將氧傳感器安裝在儀器的 由氣口，使該處的氣體壓力與環境大氣的壓力盡量接近以得 到穩定可靠的輸生結果。由于溫度對氧傳感器的輸由具有一定的影響，氧傳感器 內部一般內置有溫度校正電路，以消除溫度變化的影響，通 過溫度校正，溫度變化對輸由信號基本不產生影響。氧傳感器的設計壽命，在空氣 20c左右時，大約為2年c正常情況時可穩定地輸由 9mV13mV的電壓值，在儀器 中應用的典型的漂移值每年低于5%,即在1個大氣壓的空氣

27、中，輸由為12mV的傳感器在壽命結束時的輸生信號仍大 于 10mV。氧傳感器的壽命由與氧氣接觸的反應量決定，較高的溫度 和氧濃度會增加傳感器的輸由，從而縮短其有效時間。壽命接近結束時，傳感器在空氣中的輸生信號會迅速地降為 10mVo這可以作為判定氧傳感器失效的標志。2. 2. 3其它方法 氫火焰離子化法用于 HC的測量，它 的輸生與碳原子數成良好線性關系，具有測試精度高、反應 快、結構簡單、易維護的優點，多用于高精度測量試驗。此類儀器可以連續長時間工作，但是配套價格昂貴。目前在國內主要用于汽車與發動機的研究開發、汽車與摩 托車生產一致性認證與檢查。化學發光法主要用于分析測試NO、NOx等成分。

28、它同樣具有靈敏度高、反應速度快、線性度好等特點，其 它則類似氫火焰離子化法。因此，各國權威機構廣泛推薦的發動機排氣分析的標準方法是：用氫火焰離子化法分析 HC ,用不分光紅外吸收法分析 CO、CO2,用磁壓法或氧化培法分析排放尾氣中的氧，用化學發光法分析NO、NOxo國外的研究中還有利用聲光檢測汽車尾氣的，J. Cihelka等人更為關注光譜的分析，給由了最適合的工作頻域，M . MtCulloch等人則研究使用線形調頻脈沖光譜儀實時檢 測汽車尾氣。2. 3尾氣排放的檢測方法我國的機動車控制排放采取的路線是：對汽油車先實行 怠速法”控制，再實施 強制裝置法”，即對 曲軸箱排放和燃油蒸發進行控制

29、，最后實行工況法控制；對 柴油車則是先實行 自由加速法”及 全負荷法一控制煙度，然 后再實施工況法。國家相關法規中有如下排放檢測方法81o2. 3. 1怠速法 怠速法是機動車空擋靜止在怠速下測試 其排放尾氣的各種成分，結果均是濃度值。空擋靜止狀態是：將發動機置于無負載運轉狀態，即離合器處于接合位置，變速器處于空擋位置（對于自動變速箱的車處于 停車”或“印當 位）；采用化油器供油系統的車， 阻風門處于全開位置， 油門 踏板處于完全松開位置【9】。測量汽車怠速污染物濃度的目的是判斷汽車發動機燃燒 是否到達正常，從而降低油耗和排放。測量前，先將發動機的冷卻水和潤滑油的溫度達到汽車使 用說明書所規定的

30、 熱狀態；并按規定進行怠速調整，然后 將發動機由怠速工況加速至 0.7倍額定轉速下，維持60秒后 降至怠速狀態，再將排氣分析儀的取樣探頭插入排氣管中 400mm并固定，發動機在怠速狀態維持 15秒后開始讀數據， 取30秒內的最高值和最低值，其平均值即為測量結果。怠速法是我國早期排放標準中采用的一種方法，相比于 雙怠速法、模擬工況法來說，檢測要求并不嚴格，國 III標 準等測試規程已經不采用這類檢測方法。2. 3. 2雙怠速法 雙怠速法是機動車空擋靜止經過高怠 速、低怠速測試其排放尾氣的各種成分，結果均是濃度值。雙怠速法方法增加了一個高怠速檢測點和空燃比（又稱過量空氣系數）入的監測，通過對 人的

31、解讀，可以判斷催化轉化 器是否在正常狀態。雖然不能完全反映機動車的實際運行狀況，但其操作簡 單、快捷和費用低廉而被廣泛應用【10】。根據法規要求，雙怠速測量的具體檢測流程是：1 .高怠速測量廢氣：發動機從怠速狀態加速至70%額定轉速運轉 30s后，用油門踏板將發動機轉速穩定控制在50 %額定功率轉速或制造廠技術文件中規定的高怠速轉速。將取樣探頭插入排氣管，深度等于400mm,并固定于排氣 管上，發動機在高怠速范圍內維持 15s后，由分析儀讀由測 量平均值。2 .低怠速測量：在高怠速測量結束后，切換到低怠速測量，發動機從高怠速狀態降至怠速狀態并在怠速狀態維持15s后開始讀數。3 .注意事項 GB

32、182852005中規定的高怠速轉速為：(2500+100)r/min【11】。2. 3. 3簡易工況法簡易工況法(ASM)是機動車在測功 機上按特定低速/高速工況規范模擬在道路上運行，測試其 排放尾氣的各種成分，各成分的分析結果是濃度或質量。簡而言之，簡易工況法就是利用專業設備，使汽車可在保 持位置不也得前提瞎動模擬在路面實際的勻速行駛狀況，并 通過儀器設定，給汽車相應的加載量，模擬汽車在載重或爬 坡是的狀態，再檢測這段時間汽車的尾氣排放情況【12】。利用ASM對汽車尾氣進行檢測可分為兩種狀態，分別稱為 “5024和 “2540'：5024指的是對汽車按照發動機儲備功率的50%進行加

33、載，速度為24km/h,檢測90秒；2540指的是對汽車按照發動機儲備功率的25%進行加載，速度為40km/h,檢測90秒檢測時如果第一種狀態達標，第二種狀態可免試，兩種狀態檢測時間共為6分鐘，如圖2-4所示。圖 2-2 ASM 測試流程圖 Figure 2-2 ASM test flow chart2. 3. 4瞬態排放檢測 在大、中型城市，導致城區大氣低層 的污染以機動車為首要污染源，機動車行駛也以非穩態工況為主。目前國內外均未指定瞬態排放測試法規，而是在汽油機穩 態運轉時通過測量排放數據對其排放狀況進行評判。在國家自然科學基金項目 墓于符號時間序列方法的汽油 機瞬態排放特征分析”中，提由

34、一種瞬態工況下汽車尾氣排放 檢測的方法。汽油機瞬態排放檢測技術可以分為間接測量和直接測量兩種：間接測量是基于穩態勢所用的排放取樣技術和常規分析儀器測量瞬態排放數據。有一定的時間滯后和幅值畸變。適用于對瞬態過程的排放變化規律精度要求不太高的場 合，同時又有可能提供一種較為工程化的瞬態排放間接測量 手段。直接測量是基于快速排放取樣技術和高采樣頻率的分析儀器。按照排放取樣部位的不同有缸內測量和排氣管測量兩類。穩態工況時由于受管道流動阻力和分析儀器機理的限制,所測信號與排放參數的實際變化規律有一定的時間滯后和 幅值畸變。采用計算機仿真的方法分析五組分排放分析儀的頻率響應（時延）特性，結果如圖2-3所示

35、：圖2-3氣體組分排放分析儀頻率響應（時延）特性的計算仿 真圖 Figure 2-3 emission of gas component analyzer frequency response （delay） and calculation of its simulation diagram 解決 響應時間滯后問題的思路是先使用傳統分析儀器測量瞬態 過程的排放數據，然后采用數學方法對所測得的數據進行處 理，從而獲得與實際信號相近的結果。2. 4本章小結 本章主要介紹了尾氣生成機理、氣體分析儀表和尾氣檢測原理和方法的相關理論知識。第1節簡述了尾氣中 CO、HC、CO2和NOx的生成機理。為尾氣分

36、析中對空燃比九和發動機燃燒情況的研究提供 理論依據。第2節介紹了本課題所使用的尾氣檢測原理。重點闡述了不分光紅外吸收法和電化學方法，同時介紹了 國內外其它的研究方法。第3節介紹了國家法規標準下的排放檢測方法，包括怠 速法、雙怠速法和簡易工況法的測試要求和流程。最后介紹了國內研究中的瞬態排放檢測方法。3尾氣檢測系統硬件的設計3. 1基于虛擬儀器汽車尾氣檢測系統的硬件結構設計方案圖3-1汽車尾氣檢測硬件系統結構圖Figure 3-1 Detection of vehicle exhaust system structure of hardware汽車尾氣檢測系統由上位機（ PC機） 和數據采集部分

37、（包括非分光紅外傳感器、信號調理電路、 數據采集卡）組成。由于采用了虛擬儀器技術，充分的利用上位機的硬件資 源，以前需要用單片機、PLC等硬件技術實現的功能改為在 上位機（PC機）上實現，可見，虛擬儀器技術的采用大大 簡化了硬件系統的設計。通過LabVIEW圖形化的編程語言編寫軟件實現相應硬件 的功能，不僅使整個系統的設計周期縮短而且降低了系統的 開發成本。3. 2數據采集部分的設計數據采集部分的結構如下圖3-2圖3-2數據采集部分的設計Figure 3-2 Design of thedata collection如圖3-2所示數據采集部分主要具體有紅外傳 感器、四個信號放大電路、四個濾波電路

38、以及數據采集卡等 部分構成。3. 3紅外氣體傳感器傳感器是將外界輸入的被測量信號 變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測量控制型智能儀器中 占據了極其重要的地位。傳感器能轉換信息存在的能量形式，通常是將其它能量形式轉換成電量形式，以便進一步加工處理，傳感器的輸由往 往總是電信號。這主要是電信號較容易地放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲及遠距離傳送等操作。傳感器精度的高低影響測控系統精度、可靠性和成本的重 要因素之一。在精度、可靠性滿足系統要求的情況下，選擇價格適宜的 傳感器。本系統使用的是美國 PerkinElmer公司的TPS4339 G1.2G2.2 G5.1 G20

39、.3型號紅外氣體傳感器。該傳感器可同時檢測 CO、CO2和HC含量，使用壽命長， 還提供一個基準信號 Reference【13】。TPS4339紅夕卜探測器如下圖 3-3圖3-3 TPS4339紅夕卜探測 器 Figure 3-3 TPS4339 detector 如圖 3-3 所示，PeskinElmer 的TPS4339紅外傳感器是一個 4通道的探測器。它是在一個 TO-5封裝的探測室內使用了 4個熱電堆，4 個熱電堆探測器規則的排列在 TPS4339圓形外殼中心點周 圍，4個熱電堆探測器分別擁有獨立的紅外窗口。每個熱電堆芯片都有 0.7x0.7mm2的感應區來接收紅外輻 射。傳感器是完全

40、封閉的，TO-5封裝的金屬外罩里面充滿了干 燥的氮氣，金屬外罩有四個透射窗和6個金屬引腳，其驅動電源由數據采集卡+5V電源提供。TPS4339容器里面的熱敏電阻能用作溫度傳感器和環境參 考量，熱敏電阻可以測量環境的溫度來進行后期的處理。在每個熱電堆探測器前面的入射窗口處可以安裝不同的紅外窄帶濾光片，作為 CO、CO2.、HC和參考光路的分光。由于熱電堆探測器對溫度的變化量敏感，因此通過對紅外 光源的調制來得到熱電堆信號的交流變化，適合探測器的測 量。窄帶濾光片參數如表3-1表3-1紅外窄帶濾光片參數Table 3-1 IR narrowband filter parameters 成分 CO

41、CO2 HC 參考光路 型號 G1.2 G2,2 G5.1 G20.3中心波長 4.64以m4.43以m 3.64以m 3.93以倚君調理電路 信號調理裝置是通 過電子線路來實現模擬信號處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號轉換等功能環節。信號調理的目的是對傳感器輸生的電信號進行必要的處理以滿足信號處理后繼環節的需要，使其輸由信號適應A/D轉換等環節的工作。信號調理可以改善信號質量，還可以補償傳感器的非線 性，提高信噪比，增強信號的環境抗干擾能力等。放大部分的放大器包括通用集成運算放大器、儀用放大器、程控增益放大器、隔離放大器。通用集成運算放大器是一種開環增益非常大的集成芯片,組成閉環后，

42、其輸由特性和閉環增益由外接的元器件和結構 確定；儀用放大器具有高輸入阻抗、低失調電壓、低溫度漂 移系數、放大倍數精確穩定、低輸由阻抗等優點，因而在智 能儀器的小信號放大中得到廣泛應用；采用程控增益放大 器，通過程序控制選擇不同的增益，能使A/D轉換器信號滿量程達到均一化，并提高多路數據采集的精度；隔離放大 器起到輸入、輸由和電源之間的隔離，它主要有光電隔離和 變壓器隔離兩種措施。濾波器是一種能使一定頻率的信號通過，而阻止或衰減 其它頻率信號的電路。濾波器可由LC或RC無源元件組成，稱之為無源濾波器； 也可以由有源器件和 LC或RC網絡構成，稱之為有源濾波 器。按頻率特性可將有源濾波器分為低通（

43、LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）和帶阻（BEF）等四種。濾波器的理想特性不可能在物理上實現，然而可以用傳遞 函數對理想特性曲線加以逼近，其逼近的程度取決于階數 no標志濾波器性能的濾波參數有：通帶增益、中心頻率（或截止頻率 卜阻尼系數（或品質因數） 和通帶增益紋波【14】。本系統采用的紅外傳感器產生CO、CO2和HC（特別是C2H6、C3H8）信號.還提供一個基準信號。這四路信號的調理電路相似，不同之處在與放大系數稍有 不同，本系統僅以 CO信號的調理電路為例進行分析。圖 3-4 正相放大器 Figure 3-4 Inverting amplifier CO 信號 先經過正相放大333

44、4倍（因為），使用示波器可以測得其輸生 波形。如圖3-5所示。圖3-5 CO信號放大3334倍后的輸曲波形 Figure 3-5 CO signal amplification 3334 times the output waveform 用示波器 觀察輸曲波形，我們可以得由該波形的頻率約為2Hz,電位差約為500mV,由于波形中有較多的毛刺，需要經過具有放 大功能的二階高通有源濾波電路，對信號作進一步處理。由二階高通有源濾波電路（見圖3-6）,圖3-6二階有源高 通濾波器 Figure 3-6 second-order active high-pass filter 可以 得到傳遞函數為 其

45、中a 0稱為通帶截止頻率 Q稱為品質因 數Auf稱為放大倍數 為保證電路穩定，應滿足 即：因為原波形的頻率約為2Hz ,所以高通濾波器的截止頻率為1Hz,于是 取 C1=C2=0.1 以 F,則 R1=1.5MQ, R2=1.3MQ 選 擇不同的Q值，可以使濾波器在 3。附件的特性逼近要求的 形狀，本系統取 Q=1,則 Auf=2 , R1=10kQ ,則 Rf=10KQ。二階高通濾波放大后的輸曲波形如圖3-7所示。圖3-7二階高通濾 波放大后的輸 曲波形Figure 3-7 second-order high-pass filtering the amplified output waveform信號經過高通濾波后仍不理想，存在很多毛刺，需要作低通 濾波處理。低通濾波電路如圖3-8所示。圖 3-8 二階有源低通濾波器Figure 3-8 second-order activelow-pass filter從圖3-8,可以看由，電路上僅當把電阻和電 容交換位置，即用電