【正文】 敏電阻能用作溫度傳感器和環(huán)境參考量，熱敏電阻可 以測量環(huán)境的溫度來進行后期的處理。 TPS4339 紅外探測器如下圖 33 圖 33 TPS4339紅外探測器 Figure 33 TPS4339 detector 如圖 33 所示， PeskinElmer 的 TPS4339 紅外傳感器是一個 4 通道的探測器。傳感器精度的高低影響測控系統(tǒng)精度、可靠性和成本的重要因素之一。 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。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 143 尾氣檢測系統(tǒng)硬件的設計 3． 1 基于虛擬儀器汽車尾氣檢測系統(tǒng)的硬件結構設計方案 圖 31 汽車尾氣檢測硬件系統(tǒng)結構圖 Figure 31 Detection of vehicle exhaust system structure of hardware 汽車尾氣檢測系統(tǒng)由上位機（ PC 機）和數(shù)據(jù)采集部分（包括非分光紅外傳感器、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡）組成。 第 2 節(jié)介紹 了本課題所使用的尾氣檢測原理。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 23 所示： 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 圖 23氣體組分排放分析儀頻率響應（時延）特性的計算仿真圖 Figure 23 emission of gas ponent 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(tǒng)分析儀器測量瞬態(tài)過程的排放數(shù)據(jù)，然后采用數(shù)學方法對所測得的數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得與實際信號相近的結果。適用于對瞬態(tài)過程的排放變化規(guī)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(tài)排放間接測量手段。目前國內外均未指定瞬態(tài)排放測試法規(guī)，而是在汽油機穩(wěn)態(tài)運轉時通過測量排放數(shù)據(jù)對其排放狀況進行評判。 利用 ASM對汽車尾氣進行檢測可分為兩種狀態(tài)，分別稱為“ 5024”和“ 2540”。 2．低怠速測量： 在高怠速測量結束后，切換到低怠速測量，發(fā)動機從高怠速狀態(tài)降至怠速狀態(tài)并在怠速狀態(tài)維持 15s 后開始讀數(shù) 。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(shù) )λ 的監(jiān)測，通過對 λ 的解讀，可以判斷催化轉化器是否在正常狀態(tài)。 測量汽車怠速污染物濃度的目的是判斷汽車發(fā)動機燃燒是否到達正常，從而降低油耗和排放。 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(fā)進行控制，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。 化學發(fā)光法主要用于分析測試 NO、 NOx 等成分。這可以作為判定氧傳感器 失效的基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 10標志。氧傳感器的設計壽命，在空氣 20℃左右時，大約為 2 年。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 (4OH? )： 222 4 4O H O e O H ?? ? ? （ 22） 在陽極氫氧根離子與金屬鉛 (Pb)反應生成金屬氧化物： 22 4 2 2 4Pb O H PH O H O e ?? ? ? ? （ 23） 根據(jù)法拉第定律，產(chǎn)生的電流與氧氣 (O2)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(shù)。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。 圖 21紅外式氣體傳感器結構示意圖 Figure 21 Infrared Gas Analyzer Schematic 紅外線光源發(fā)出的紅外線的波長在 2μ m～ 7μ m 間，紅外線經(jīng)過取樣室后，通過旋轉的紅外濾光片 (紅外濾光片分 CO、 CO HC 和基準信號四個光片組成 )到達熱電堆產(chǎn)生電信號，當旋轉的紅外濾光片旋轉一周， CO、 CO HC 和基準青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 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(chǎn)生兩個正半周期的正弦波形幅值在 0 mV～ 1mV。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(fā)動機排氣中有上百種 HC，而這種儀器只能檢測某一波長段的 HC。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 E? 與氣體濃度 C、氣體室厚度，和吸收系數(shù) K 有關，服從朗伯一比爾 (Lambert— Beer)定律 【 6】 ，即： 00 (1 )KIE E E E C ?? ? ? ? ? （ 21） 式中： E0 入射紅外線能量； E：出射紅外線能量。 NDIR 還可測量 HC 化合物、 CO2等氣體。 汽車尾氣檢測原理 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 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、氫火焰離子化法 (FID)。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】 。 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。 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、 NOx、 SO微粒 物質等。 3．分析虛擬儀器技術的特點和發(fā)展，利用 NI 公司的 LabVIEW 作為軟件平臺完成系統(tǒng)軟件的設計。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。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。針對目前系統(tǒng)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。絕大多數(shù)產(chǎn)品采用與國際市場同水平的先進檢測技術 (含進口 )，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】 。 九十年代，隨著汽車技術的迅猛發(fā)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(fā)動機的故障診斷中應用 。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。 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。 70 年代末到 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。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。因此受到各國重視，獲得廣泛應用 【 2】 。 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。但由于整套“機動車尾氣排放檢 測系統(tǒng)”在國內主要依靠進口國外同類系統(tǒng)，但是價格昂貴，而且難以得到快速及時地售后技術支持，這嚴重增加了中小企業(yè)負擔，限制了該措施的推廣和應用。同時，汽車發(fā)動機所排出的污染物成分和濃度與發(fā)動機的技術狀況密切相關，所以通過對發(fā)動機的排氣污染物進行檢測，可評價發(fā)動機的技術狀況，特別是燃油供給系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的技術 狀況。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吸系統(tǒng)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(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，給人體健康帶來不可逆轉的危 害 【 1】 。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。如 1h 內吸入 1000ppm的 CO，就會發(fā)生死亡。 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。 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。 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 。根據(jù)調查至 2021 年 2 月底，我國機動車保有量達到 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。由于同樣原因，全國 110 個中大城市達不到二級空氣標準。 在內燃發(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。如 lh內吸 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、理解、記憶等機能障礙，嚴重時引起神經(jīng)麻痹。 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，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。 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注。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，使其限定在被允許的范圍內，以達到保護生態(tài)環(huán)境和自然界生態(tài)平衡的目的。由此企業(yè)必需配備相應的檢測儀器。本課題利用青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 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，以達到提升人們的健康水平，減少環(huán)境污染和保護生態(tài)環(huán)境的目的。與其它方法相比，紅外光學吸收式儀器的優(yōu)點是精度和靈敏度高，響應速度快，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。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(fā)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(fā)展起來。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。使儀器的性能大大提高 【 3】 。 我國紅外氣體分析儀技術發(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 策是息息相關的。而環(huán)保方面對汽車尾氣排放也沒有相應的法規(guī)要求，尾氣分析儀的檢測作用在檢測和維修企業(yè)也沒有得以推廣應用。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，尾氣分析儀的技術越來越先進。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%。 主要研究內容 本課題是在當前汽車尾氣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出的，綜合比較國內外發(fā)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(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單，能夠測量尾氣中有害成分 CO、 CO2 和青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 HC 的濃度。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。 2．提出系統(tǒng)方案，根據(jù)方案確定系統(tǒng)部件。最后，編寫相關的應用軟件。最后，提出了該課題的主要研究內容和涉及到的技術問題。 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。