【正文】 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前言 隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，汽車(chē)普及率越來(lái)越高，汽車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售也進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道。根據(jù)調(diào)查至 2021 年 2 月底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)到 億輛，去年全國(guó)新增機(jī)動(dòng)車(chē) 2048 萬(wàn)輛，有 20 個(gè)城市的機(jī)動(dòng)車(chē)保有量超過(guò) 100 萬(wàn)輛，并且今后每年將以 10%左右的數(shù)量增加。 但是，新 問(wèn) 題也隨之產(chǎn)生，即汽車(chē)污染加重了，道路上擁擠的汽車(chē)產(chǎn)生的尾氣污染影響著人們的生活 。 中國(guó)人口眾多，能源和土地資源相對(duì)短缺，如此汽車(chē)保有量，已經(jīng)對(duì)能源供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、交通通暢和城市秩序帶來(lái)巨大壓力。據(jù)調(diào)查全國(guó)五分之一的大城市由于汽車(chē)尾 氣排放，空氣污染嚴(yán)重。由于同樣原因，全國(guó) 110 個(gè)中大城市達(dá)不到二級(jí)空氣標(biāo)準(zhǔn)。 機(jī)動(dòng)車(chē)常用的動(dòng)力來(lái)源是柴油和汽油，燃料成分組成十分復(fù)雜。而汽油是目前汽車(chē) (點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī) )最普遍使用的常規(guī)燃料，其中主要有 20％的丁、戊烷，45％高碳烷、烯烴、芳烴及其它添加劑，氫碳比控制在約 ： 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(chē)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(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中， CO 因空氣不足或其他原因造成不完全燃燒時(shí)，所產(chǎn)生的一種無(wú)色、無(wú)味的氣體。 CO 吸入人體后，非常容易和血液中的血紅蛋白結(jié)合，它的親和力是氧的 300 倍。因此，肺里的血紅蛋白不與氧結(jié)合而與 CO 結(jié)合，致使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴(yán)重時(shí)造成死亡。 CO 的容許限度規(guī)定為 8h 內(nèi) 100ppm。如 lh內(nèi)吸 入 500ppm 的 CO，就會(huì)出現(xiàn)中毒癥狀，并危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，造成感覺(jué)、反應(yīng)、理解、記憶等機(jī)能障礙，嚴(yán)重時(shí)引起神經(jīng)麻痹。如 1h 內(nèi)吸入 1000ppm的 CO，就會(huì)發(fā)生死亡。 世界工業(yè)化進(jìn)程引起的能源大 量消耗，導(dǎo)致大氣 CO2的劇增。其中約 30％來(lái)自汽車(chē)排氣。 CO2 為無(wú)色無(wú)毒氣體，對(duì)人體無(wú)直接危害，但大氣中的 CO2 大幅度增加，因其對(duì)紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應(yīng)，會(huì)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(shì)加劇，使人類(lèi)和動(dòng)植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此近年來(lái)對(duì) CO2 的控制也已上升為汽車(chē)排放研究的重要課題。人們期待著可以更加自由地享受經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的舒適便利的生活，而又不被空氣污染所困擾。為此，如何應(yīng)用汽車(chē)新技術(shù)降低機(jī)動(dòng)車(chē)排放尾氣污染，正成為科研工作者、汽車(chē)生產(chǎn)商、政府有關(guān)管理部門(mén)的重 要工作。 基于 虛擬儀器的 汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 2 1 緒論 研究的目的和意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)保有量的增加，汽車(chē)尾氣帶來(lái)的城市交通污染對(duì)人體產(chǎn)生的健康危害已引起人們廣泛的關(guān)注。大量的實(shí)驗(yàn)研究和流行病學(xué)研究表明，汽車(chē)尾氣不僅可以造成人體呼吸系統(tǒng)炎癥、哮喘、眼部刺激及中毒等急性反應(yīng)，更重要的是汽車(chē)尾氣 (主要是顆粒物 )對(duì)人體可以造成慢性毒性效應(yīng)，尤其是以柴油為燃料的機(jī)動(dòng)車(chē)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(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)產(chǎn)生慢性毒性，尤其是其致突變、致癌效應(yīng)，給人體健康帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的危 害 【 1】 。同時(shí)，大量汽車(chē)尾氣污染物的排放也給整個(gè)地球環(huán)境造成了不小的危害，例如汽車(chē)排放尾氣中的大量 CO2 就是直接造成全球溫室效應(yīng)的根本元兇之一。 要減少汽車(chē)尾氣污染物對(duì)人體和環(huán)境的危害，首先必須做好檢測(cè)工作。用機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣分析儀測(cè)定車(chē)輛排氣污染物的濃度，目的是控制排氣污染物的擴(kuò)散，使其限定在被允許的范圍內(nèi)，以達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和自然界生態(tài)平衡的目的。同時(shí)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的污染物成分和濃度與發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況密切相關(guān)，所以通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染物進(jìn)行檢測(cè)，可評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況，特別是燃油供給系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù) 狀況。 如何保證抽測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，政府出臺(tái)了各種政策、法規(guī)和辦法，其中各級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)所進(jìn)行的尾氣抽測(cè)工作充分利用抽測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、匯總、統(tǒng)計(jì)，找出規(guī)律，為汽車(chē)尾氣防治管理工作提供科學(xué)依據(jù)，是一項(xiàng)非常有意義的工作。 為貫徹《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》，控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物對(duì)環(huán)境的污染，以及配合當(dāng)前我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和企業(yè)認(rèn)證，國(guó)家要求各機(jī)動(dòng)車(chē)生產(chǎn)企業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放量的檢測(cè)和控制。由此企業(yè)必需配備相應(yīng)的檢測(cè)儀器。但由于整套“機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放檢 測(cè)系統(tǒng)”在國(guó)內(nèi)主要依靠進(jìn)口國(guó)外同類(lèi)系統(tǒng)，但是價(jià)格昂貴，而且難以得到快速及時(shí)地售后技術(shù)支持，這嚴(yán)重增加了中小企業(yè)負(fù)擔(dān)，限制了該措施的推廣和應(yīng)用。面對(duì)這種現(xiàn)狀，研制出適合我國(guó)國(guó)情的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)是加快推行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)快速健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一?！皺C(jī)動(dòng)車(chē)尾氣紅外檢測(cè)系統(tǒng)的研究”的研究課題正是在此背景下產(chǎn)生的。本課題利用青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 非分光紅外技術(shù)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中 CO 和 CO2 的濃度，從而為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放污染物控制提供有力的保障，以達(dá)到提升人們的健康水平，減少環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。 研究的現(xiàn)狀 國(guó)際上在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)方面的發(fā)展概況 對(duì)汽車(chē)排放污染物的治理，是世界性的環(huán)保課題。它推動(dòng)了汽車(chē)工業(yè)的革命：同時(shí)帶動(dòng)了燃料、凈化技術(shù)及監(jiān)測(cè)儀器等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。常用的氣體分析方法有：電化學(xué)法；電氣法，如熱導(dǎo)式和半導(dǎo)體式；色譜法 (層析法 )：光學(xué)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(xué)吸收式儀器的優(yōu)點(diǎn)是精度和靈敏度高，響應(yīng)速度快，測(cè)量范圍大，選擇性、穩(wěn)定性和可靠性好，可以快速和連續(xù)檢測(cè)。因此受到各國(guó)重視，獲得廣泛應(yīng)用 【 2】 。 1938 年世界上第一臺(tái)紅外氣體分析儀問(wèn)世。在 50 年代，以費(fèi)因格 格夫和勒夫特為代表研制出了有選擇性的光聲氣體檢測(cè)器，使不分光型紅外氣體分析儀技術(shù)趨于成熟。到 60 年代，紅外技術(shù)在軍事上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，高靈敏度的紅外探測(cè)器的研究蓬勃發(fā)展起來(lái)，紅外 干 涉濾光片制造技術(shù)也日趨完善，促使以紅外探測(cè)器為接收元件的分析儀以其獨(dú)特的特點(diǎn)迅速發(fā)展起來(lái)。從 70年代開(kāi)始，美、英、德等國(guó)一些廠家生產(chǎn)出多組分紅外線氣體分析儀。最初的產(chǎn)品采用光譜響應(yīng)寬的半導(dǎo)體紅外探測(cè)器和有許多不同波長(zhǎng)濾光片的切光輪結(jié)合，設(shè)計(jì)成時(shí)間多光束系統(tǒng)。有代表性的產(chǎn)品是 Kent公司生產(chǎn)的 IR500 型紅外氣體分析儀。這種儀器雖然 能實(shí)現(xiàn)多組分分析，但是測(cè)量對(duì)象的吸收靈敏度不能相差太大，選擇性也不夠好。 70 年代末到 80 年代，氣體濾波相關(guān)技術(shù)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(cè)量靈敏度低，要測(cè)量 ppm級(jí)的氣體成分必須有較長(zhǎng)的氣室。 80 年代以來(lái)，紅外氣體分析技術(shù)在不斷地完善，對(duì)于一些問(wèn)題，如精確測(cè)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(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在紅外吸收光譜分析中發(fā)揮了重要作用，不但用來(lái)數(shù)據(jù)處理，記錄分析結(jié)果，通過(guò)求解線性方程對(duì)多組分混合物進(jìn)行定量分析，而且承擔(dān)紅外氣體 分析儀的其它許多自動(dòng)化、多功能的任務(wù)。使儀器的性能大大提高 【 3】 。 尾氣分析儀的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)際上正朝著多參數(shù)、智能化，高精度、便攜式及長(zhǎng)期穩(wěn)定性方向發(fā)展。瑞典汽車(chē)故障診斷設(shè)備公司生產(chǎn)的 “ MULTI— GAS—PRO”五氣分析儀，英國(guó)凱恩梅公司生產(chǎn)的 AUTO 系列二氣，四氣及五氣分析基于 虛擬儀器的 汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 4 儀，美國(guó) OTC 公司生產(chǎn)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(shù)測(cè)量，數(shù)據(jù)精確等優(yōu)點(diǎn)。 我國(guó)紅外氣體分析儀技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，中國(guó)汽車(chē)維修市場(chǎng)對(duì)尾氣分析儀的重視程度不高，這與中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保政 策是息息相關(guān)的。尾氣分析儀的兩大主要功用即輔助診斷和尾氣檢測(cè)對(duì)七八十年代的中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，并未受到足夠的認(rèn)識(shí)。由于當(dāng)時(shí)占絕對(duì)數(shù)量的化油器式汽車(chē)結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，尾氣分析儀的診斷作用很少派上用場(chǎng)。當(dāng)時(shí)尾氣分析儀產(chǎn)品也比較單一，主要用于怠速工況的檢測(cè)，而且國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家也少之又少。而環(huán)保方面對(duì)汽車(chē)尾氣排放也沒(méi)有相應(yīng)的法規(guī)要求，尾氣分析儀的檢測(cè)作用在檢測(cè)和維修企業(yè)也沒(méi)有得以推廣應(yīng)用。 九十年代，隨著汽車(chē)技術(shù)的迅猛發(fā)展和維修技術(shù)的升級(jí)變化，很多汽車(chē)廠家要求特約維修站將尾氣分析儀作為診斷工具在發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷中應(yīng)用 。尾氣分析儀為診斷維修結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)代汽車(chē)帶來(lái)了極大的便利，很多維修企業(yè)都開(kāi)始引進(jìn)尾氣分析儀，以適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)維修的需要。同時(shí)，人們對(duì)汽車(chē)尾氣排放造成的環(huán)境污染日益重視，按照環(huán)保法規(guī)要求，汽車(chē)必須定期進(jìn)行尾氣檢測(cè)。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，尾氣分析儀的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)。絕大多數(shù)產(chǎn)品采用與國(guó)際市場(chǎng)同水平的先進(jìn)檢測(cè)技術(shù) (含進(jìn)口 )，分別 為 怠速 法 、雙怠速 法 、 ASM(簡(jiǎn)稱單加速模擬工況法 )和工況法的測(cè)試規(guī)范 【 4】 。 盡管如此，我國(guó)紅外汽車(chē)尾氣分析儀技術(shù)水平與國(guó)外還存在很大差距。這主要表現(xiàn)為：紅外氣體分析理論的基礎(chǔ)研究不完善、不系統(tǒng) 、不深入：產(chǎn)品受環(huán)境影響比較嚴(yán)重；可靠性差；自動(dòng)他水平低；智能化水平低；某些高性能產(chǎn)品沒(méi)有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)等。國(guó)外的進(jìn)口尾氣分析儀設(shè)備的年銷(xiāo)售量約占國(guó)內(nèi)分析儀市場(chǎng)的份額的 50%。 目前市場(chǎng)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?yàn)橐话闱闆r下三氣分析儀就能滿足基本的檢測(cè)檢測(cè)需求，所以我們通常用選用三氣檢測(cè)分析儀。本課題僅討論研究三氣分析儀。 主要研究?jī)?nèi)容 本課題是在當(dāng)前汽車(chē)尾氣污染的不斷加重和汽車(chē)尾氣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高的形勢(shì)下提出的，綜合比較國(guó)內(nèi)外發(fā)展的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套基于非分光紅外吸收技術(shù) 的尾氣分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，能夠測(cè)量尾氣中有害成分 CO、 CO2 和青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 HC 的濃度。針對(duì)目前系統(tǒng)標(biāo)定的種種不足設(shè)計(jì)一套裝置，該裝置操作簡(jiǎn)單，在保證標(biāo)定精度的同時(shí)，既降低了標(biāo)定成本又提高了標(biāo)定的效率。目前尾氣檢測(cè)多采用微控制器作為核心處理器，本系統(tǒng)運(yùn)用高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，準(zhǔn)確可靠的采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，并利用虛擬儀器的思想進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)軟件界面簡(jiǎn)單，操作方便，有很強(qiáng)的擴(kuò)張性，軟件的修改更新也非常方便，大大提高了系統(tǒng)的可操作性和發(fā)展性。下面介紹一下本論文的主要工作內(nèi)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(qū)的吸收光譜進(jìn)行檢測(cè)。尾氣中的成分比較多，其中 O N2 為同核雙原子分子，不具有紅外活性，所以在中紅外 (3μm～ 5μm )區(qū)域無(wú)紅外吸收。二氧化碳 (CO2)、 一氧化碳 (CO)和碳?xì)浠衔铮?HC）等氣體對(duì)紅外線特定的波長(zhǎng)有選擇吸收，因此可以利用各個(gè)成分的不同的吸收譜線位置來(lái)測(cè)定含量。通過(guò)對(duì)檢測(cè)方法的分析比較最終確定采用非分光紅外檢測(cè)技術(shù)，并根據(jù)該技術(shù)進(jìn)行了理論分析。通過(guò)紅外吸收光譜的理論和氣體的紅外吸收光譜分析，根據(jù) CO、 CO2 和 HC 的吸收差異確定 CO、 CO2 和 HC 的特征吸收峰。 2．提出系統(tǒng)方案，根據(jù)方案確定系統(tǒng)部件。首先，挑選一款適宜的紅外氣體檢測(cè)儀（紅外氣體傳感器），完成對(duì)汽車(chē)尾氣中所要檢測(cè)氣體組份的數(shù)據(jù)采集。其次，設(shè)計(jì)完成紅外氣體分析儀輸出信號(hào)的調(diào)理電路，包括信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)的放大電路、信號(hào)的抗干擾濾波電路等的設(shè)計(jì)。再次，選擇一款數(shù)據(jù)采集卡完成其與計(jì)算機(jī)以及輸入信號(hào)的連接，并在在上為計(jì)算機(jī)中利用 LabVIEW 軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)配置。最后，編寫(xiě)相關(guān)的應(yīng)用軟件。 3．分析虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展，利用 NI 公司的 LabVIEW 作為軟件平臺(tái)完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。按模塊功能 設(shè)計(jì)軟件包括：數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)標(biāo)定模塊和各氣體組分濃度的顯示界面。 本章小結(jié) 本章首先回顧了汽車(chē)紅外分析檢測(cè)技術(shù)的目的和意義，介紹了其在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了汽車(chē)尾氣檢測(cè)的必要性。最后，提出了該課題的主要研究?jī)?nèi)容和涉及到的技術(shù)問(wèn)題。 基于 虛擬儀器的 汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 6 2 汽車(chē)尾氣成分分析及檢測(cè)原理 汽車(chē)尾氣的成份及危害 汽車(chē)尾氣中有水蒸氣、 O H N CO CO、 HC 化合物、 NOx、 SO微粒物質(zhì)等，其中把對(duì)人體有害和影響自然環(huán)境增長(zhǎng)的成分稱為污染物，有 COCO、 HC 化合物、