【正文】 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前言 隨著中國的經(jīng)濟(jì)迅速增長，汽車普及率越來越高，汽車的設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)、銷售也進(jìn)入了發(fā)展的快車道。根據(jù)調(diào)查至 2021 年 2 月底，我國機動車保有量達(dá)到 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(shù)量增加。 但是，新 問 題也隨之產(chǎn)生，即汽車污染加重了，道路上擁擠的汽車產(chǎn)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(jīng)對能源供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、交通通暢和城市秩序帶來巨大壓力。據(jù)調(diào)查全國五分之一的大城市由于汽車尾 氣排放，空氣污染嚴(yán)重。由于同樣原因，全國 110 個中大城市達(dá)不到二級空氣標(biāo)準(zhǔn)。 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(fù)雜。而汽油是目前汽車 (點燃式發(fā)動機 )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)動機中， CO 因空氣不足或其他原因造成不完全燃燒時，所產(chǎn)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(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，就會出現(xiàn)中毒癥狀，并危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，造成感覺、反應(yīng)、理解、記憶等機能障礙，嚴(yán)重時引起神經(jīng)麻痹。如 1h 內(nèi)吸入 1000ppm的 CO，就會發(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，因其對紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應(yīng)，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(tài)環(huán)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(jīng)濟(jì)發(fā)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(yīng)用汽車新技術(shù)降低機動車排放尾氣污染，正成為科研工作者、汽車生產(chǎn)商、政府有關(guān)管理部門的重 要工作。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 2 1 緒論 研究的目的和意義 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(chǎn)生的健康危害已引起人們廣泛的關(guān)注。大量的實驗研究和流行病學(xué)研究表明，汽車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)，更重要的是汽車尾氣 (主要是顆粒物 )對人體可以造成慢性毒性效應(yīng)，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(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)，給人體健康帶來不可逆轉(zhuǎn)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(huán)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(yīng)的根本元兇之一。 要減少汽車尾氣污染物對人體和環(huán)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(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，汽車發(fā)動機所排出的污染物成分和濃度與發(fā)動機的技術(shù)狀況密切相關(guān)，所以通過對發(fā)動機的排氣污染物進(jìn)行檢測，可評價發(fā)動機的技術(shù)狀況，特別是燃油供給系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的技術(shù) 狀況。 如何保證抽測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，政府出臺了各種政策、法規(guī)和辦法，其中各級環(huán)境監(jiān)測部門所進(jìn)行的尾氣抽測工作充分利用抽測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、匯總、統(tǒng)計，找出規(guī)律，為汽車尾氣防治管理工作提供科學(xué)依據(jù)，是一項非常有意義的工作。 為貫徹《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國大氣污染防治法》，控制發(fā)動機排氣污染物對環(huán)境的污染，以及配合當(dāng)前我國機動車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和企業(yè)認(rèn)證，國家要求各機動車生產(chǎn)企業(yè)必須加強對發(fā)動機污染物排放量的檢測和控制。由此企業(yè)必需配備相應(yīng)的檢測儀器。但由于整套“機動車尾氣排放檢 測系統(tǒng)”在國內(nèi)主要依靠進(jìn)口國外同類系統(tǒng)，但是價格昂貴，而且難以得到快速及時地售后技術(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。面對這種現(xiàn)狀，研制出適合我國國情的機動車尾氣檢測系統(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)鍵問題之一?！皺C動車尾氣紅外檢測系統(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（論文） 3 非分光紅外技術(shù)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(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 國際上在機動車尾氣檢測方面的發(fā)展概況 對汽車排放污染物的治理，是世界性的環(huán)保課題。它推動了汽車工業(yè)的革命：同時帶動了燃料、凈化技術(shù)及監(jiān)測儀器等相關(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)點是精度和靈敏度高，響應(yīng)速度快，測量范圍大，選擇性、穩(wěn)定性和可靠性好，可以快速和連續(xù)檢測。因此受到各國重視，獲得廣泛應(yīng)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 格夫和勒夫特為代表研制出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(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器的研究蓬勃發(fā)展起來，紅外 干 涉濾光片制造技術(shù)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(fā)展起來。從 70年代開始，美、英、德等國一些廠家生產(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)體紅外探測器和有許多不同波長濾光片的切光輪結(jié)合，設(shè)計成時間多光束系統(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 能實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子計算機技術(shù)在紅外吸收光譜分析中發(fā)揮了重要作用，不但用來數(shù)據(jù)處理，記錄分析結(jié)果，通過求解線性方程對多組分混合物進(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)在國際上正朝著多參數(shù)、智能化，高精度、便攜式及長期穩(wěn)定性方向發(fā)展。瑞典汽車故障診斷設(shè)備公司生產(chǎn)的 “ MULTI— GAS—PRO”五氣分析儀，英國凱恩梅公司生產(chǎn)的 AUTO 系列二氣，四氣及五氣分析基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 4 儀，美國 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)測量，數(shù)據(jù)精確等優(yōu)點。 我國紅外氣體分析儀技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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(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對七八十年代的中國汽車市場來說，并未受到足夠的認(rèn)識。由于當(dāng)時占絕對數(shù)量的化油器式汽車結(jié)構(gòu)都比較簡單，尾氣分析儀的診斷作用很少派上用場。當(dāng)時尾氣分析儀產(chǎn)品也比較單一，主要用于怠速工況的檢測，而且國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家也少之又少。而環(huán)保方面對汽車尾氣排放也沒有相應(yīng)的法規(guī)要求，尾氣分析儀的檢測作用在檢測和維修企業(yè)也沒有得以推廣應(yīng)用。 九十年代，隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展和維修技術(shù)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(fā)動機的故障診斷中應(yīng)用 。尾氣分析儀為診斷維修結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)代汽車帶來了極大的便利，很多維修企業(yè)都開始引進(jìn)尾氣分析儀，以適應(yīng)現(xiàn)代汽車維修的需要。同時，人們對汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染日益重視，按照環(huán)保法規(guī)要求，汽車必須定期進(jìn)行尾氣檢測。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，尾氣分析儀的技術(shù)越來越先進(jìn)。絕大多數(shù)產(chǎn)品采用與國際市場同水平的先進(jìn)檢測技術(shù) (含進(jìn)口 )，分別 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(guī)范 【 4】 。 盡管如此，我國紅外汽車尾氣分析儀技術(shù)水平與國外還存在很大差距。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；自動他水平低；智能化水平低；某些高性能產(chǎn)品沒有獨立知識產(chǎn)權(quán)等。國外的進(jìn)口尾氣分析儀設(shè)備的年銷售量約占國內(nèi)分析儀市場的份額的 50%。 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。 主要研究內(nèi)容 本課題是在當(dāng)前汽車尾氣污染的不斷加重和汽車尾氣檢測標(biāo)準(zhǔn)越來越高的形勢下提出的，綜合比較國內(nèi)外發(fā)展的基礎(chǔ)上設(shè)計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)操作簡單，能夠測量尾氣中有害成分 CO、 CO2 和青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 HC 的濃度。針對目前系統(tǒng)標(biāo)定的種種不足設(shè)計一套裝置，該裝置操作簡單，在保證標(biāo)定精度的同時，既降低了標(biāo)定成本又提高了標(biāo)定的效率。目前尾氣檢測多采用微控制器作為核心處理器，本系統(tǒng)運用高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，準(zhǔn)確可靠的采集檢測數(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，設(shè)計出的系統(tǒng)軟件界面簡單，操作方便，有很強的擴(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。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(shù)，并根據(jù)該技術(shù)進(jìn)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(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(shù)據(jù)采集。其次，設(shè)計完成紅外氣體分析儀輸出信號的調(diào)理電路，包括信號的轉(zhuǎn)換電路、信號的放大電路、信號的抗干擾濾波電路等的設(shè)計。再次，選擇一款數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)配置。最后，編寫相關(guān)的應(yīng)用軟件。 3．分析虛擬儀器技術(shù)的特點和發(fā)展，利用 NI 公司的 LabVIEW 作為軟件平臺完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計。按模塊功能 設(shè)計軟件包括：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紅外分析檢測技術(shù)的目的和意義，介紹了其在國內(nèi)外發(fā)展的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了汽車尾氣檢測的必要性。最后，提出了該課題的主要研究內(nèi)容和涉及到的技術(shù)問題。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 6 2 汽車尾氣成分分析及檢測原理 汽車尾氣的成份及危害 汽車尾氣中有水蒸氣、 O H N CO CO、 HC 化合物、 NOx、 SO微粒物質(zhì)等，其中把對人體有害和影響自然環(huán)境增長的成分稱為污染物，有 COCO、 HC 化合物、