【正文】 考慮到裝置的實(shí)際應(yīng)用忽然更新，在將來(lái)的完善中，仍有很多待改進(jìn)的地方： 1） 考慮到實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境的差異和環(huán)境因素的影響，如大氣壓力的影響溫度的影響等。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 圖 49 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)顯示界面 Figure 49 the display interface automobile exhaust testing system 本章小結(jié) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于 LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的， LabVIEW 是眾多虛擬儀器技術(shù)中的一種開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有自己的特點(diǎn)。這里用到的是線性擬臺(tái)，擬合程序前面板如圖 46，擬合程序圖如圖 47 所示。利用 Queue 技術(shù)，可以將一個(gè)有序的的消息 (或者數(shù)據(jù) )從一個(gè)應(yīng)用程序中傳遞到另一個(gè)與之相獨(dú)立的并行運(yùn)行的應(yīng)用程序中。選擇Dev1(PCI6221)所需的物理通道 (ai0ai3)如圖 42 所示界面。 NI 在 20 世紀(jì) 90 年代首次發(fā)布了傳統(tǒng) NIDAQ 驅(qū)動(dòng)。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。并可以改變它和其它虛擬儀器的交換和連接，以滿足不斷變化的應(yīng)用需要。 LabVIEW 設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法 1） 建立方案 利用 LabVIEW 軟件可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫(xiě)程序，有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶可以很方便地建立其前面板接口，為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D組合在一起。這使您可以快速構(gòu)建可定制、魯棒的測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)。此外，用戶還可配置的虛擬儀器系統(tǒng)足夠的靈活性，從而更好地長(zhǎng)期投資的技術(shù)變化與適應(yīng)。使用虛擬儀器，您快速創(chuàng)建用戶界面，讓您交互控制您的軟件系統(tǒng)。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 264 基于虛擬儀器的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 程序員開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，每天的目標(biāo)是在各種情況下提高效率和生產(chǎn)率。 本系統(tǒng)中的傳感器信號(hào)是不與任何地 (如大地或建筑物的地 )連接的信號(hào)，即浮地信號(hào)。 2)單端測(cè)試系統(tǒng)：盡管差分測(cè)試系統(tǒng)是一種比較理想的選擇，但是單端測(cè)試系統(tǒng)可以使用兩倍的測(cè)試通道。最常見(jiàn)的接地信號(hào)源是通過(guò)墻上的電源插座接入建筑物地的設(shè)備，例如信號(hào)發(fā)生器和電源供電設(shè)備等 【 17】 。 【 16】 數(shù) 據(jù)采集卡的安裝 ： (1)在安裝板卡之前首先安裝 NI DAQ 的驅(qū)動(dòng)程序軟件。另外一些數(shù)字接口為了同步通信的需要還有“握手”線。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。尤其是目前大多數(shù)的 PCDAQ 卡除了采集的輸入 I／ O 外，還有很多輸出 I／ O，采集卡內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將 PC 機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換位模擬量，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界儀器的控制，這樣更加大了 PCDAQ 卡的使用性。 圖 39 二階低通濾波放大后的輸出波形 Figure 39 secondorder lowpass filtering the amplified output waveform 由圖 39 看出，兩次濾波后的波形比較理想，能夠滿足尾氣分析的要求，但為了排除信號(hào)源內(nèi)阻的影響，使信號(hào)源帶負(fù)載能力增強(qiáng)，還需連接一個(gè)電壓青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 跟隨器。 二階 高通 濾波放大后的輸出波形如圖 37 所示。濾波器的理想特性不可能在物理上實(shí)現(xiàn)，然而可以用傳遞函數(shù)對(duì)理想特性曲線加以逼近，其逼近的程度取決于階數(shù) n。 窄帶濾光片參數(shù)如表 31 表 31 紅外窄帶濾光片參數(shù) Table 31 IR narrowband filter parameters 成分 CO CO2 HC 參考光路 型號(hào) 中心波長(zhǎng) m m m m 信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理裝置是通過(guò)電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。該傳感器可同時(shí)檢測(cè) CO、 CO2和 HC 含量，使用壽命長(zhǎng)，還提供一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào) Reference[【 13】 。 3． 2 數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)如下圖 32 圖 32 數(shù)據(jù)采集部分的 設(shè)計(jì) Figure 32 Design of the data collection 如圖 32 所示數(shù)據(jù)采集部分主要具體有紅外傳感器、四個(gè)信號(hào)放大電路、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 四個(gè)濾波電路以及數(shù)據(jù)采集卡等部分構(gòu)成。為尾氣分析中對(duì)空燃比九和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況的研究提供理論依據(jù)。有一定的時(shí)間滯后和幅值畸變。簡(jiǎn)而言之，簡(jiǎn)易工況法就是利用專業(yè)設(shè)備，使汽車可在保持位置不也得前提瞎動(dòng)模擬在路面實(shí)際的勻速行駛狀況，并通過(guò)儀器設(shè)定，給汽車相應(yīng)的加載量，模擬汽車在載 重或爬坡是的狀態(tài)，再檢測(cè)這段時(shí)間汽車的尾氣排放情況 【 12】 。 2． 3． 2 雙怠速法 雙怠速法是機(jī)動(dòng)車空擋靜止經(jīng)過(guò)高怠速、低怠速測(cè)試其排放尾氣的各種成分，結(jié)果均是濃度值。國(guó)外的研究中還有利用聲光檢測(cè)汽車尾氣的，J． Cihelka 等人更為關(guān)注光譜的分析，給出了最適合的工作頻域， M． MtCulloch等人則研究使用線形調(diào)頻脈沖光譜儀實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車尾氣。壽命接近結(jié)束時(shí)，傳感器在空氣中的輸出信號(hào)會(huì)迅速地降為 10mV。 具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，振動(dòng) 中偶極矩不發(fā)生變化的氣體，如氧氣 (O2)、氮?dú)?(N2)，由于不存在紅外特征波長(zhǎng)，就不能采用不分光紅外吸收法 (NDIR)進(jìn)行測(cè)量。 2. 紅外氣體分析裝置結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)上述原理制成的紅外氣體傳感器如圖 21 所示。其吸收能量的紅外線波長(zhǎng)稱為特征波長(zhǎng)，吸收強(qiáng)度用吸收系數(shù)反映。 CO2 為無(wú)色無(wú)毒氣體，對(duì)人體無(wú)直接危害，但大氣中 CO2 的大幅度增加，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，使人類和動(dòng)植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。 CO 進(jìn)入人體后極易與血紅蛋白結(jié)合，可使血液攜帶氧的能力降低而引起缺氧。最后，編寫(xiě)相關(guān)的應(yīng)用軟件。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。國(guó)外的進(jìn)口尾氣分析儀設(shè)備的年銷售量約占國(guó)內(nèi)分析儀市場(chǎng)的份額的 50%。而環(huán)保方面對(duì)汽車尾氣排放也沒(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。使儀器的性能大大提高 【 3】 。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)。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)車尾氣中 CO 和 CO2 的濃度，從而為機(jī)動(dòng)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。用機(jī)動(dòng)車尾氣分析儀測(cè)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。 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，使人類和動(dòng)植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。 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。根據(jù)調(diào)查至 2021 年 2 月底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到 億輛，去年全國(guó)新增機(jī)動(dòng)車 2048 萬(wàn)輛，有 20 個(gè)城市的機(jī)動(dòng)車保有量超過(guò) 100 萬(wàn)輛，并且今后每年將以 10%左右的數(shù)量增加。 機(jī)動(dòng)車常用的動(dòng)力來(lái)源是柴油和汽油，燃料成分組成十分復(fù)雜。如 1h 內(nèi)吸入 1000ppm的 CO，就會(huì)發(fā)生死亡。大量的實(shí)驗(yàn)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(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】 。但由于整套“機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢 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。因此受到各國(guó)重視，獲得廣泛應(yīng)用 【 2】 。 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。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)汽車市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，并未受到足夠的認(rèn)識(shí)。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】 。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。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)汽車尾氣中所要檢測(cè)氣體組份的數(shù)據(jù)采集。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 6 2 汽車尾氣成分分析及檢測(cè)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(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、 NOx、 SO微粒 物質(zhì)等。但 HC 能引起光化學(xué)反應(yīng)生成光化學(xué)氧化劑，且生成甲醛，形成煙霧，對(duì)人的眼、鼻和喉嚨粘膜有較強(qiáng)的刺激作用，嚴(yán)重時(shí)可致癌 【 5】 。 NDIR 還可測(cè)量 HC 化合物、 CO2等氣體。在測(cè)定 HC 時(shí)，檢測(cè)室內(nèi)密封正己烷，其測(cè)定的結(jié)果以相當(dāng)于正己烷的濃度來(lái)表示，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中有上百種 HC，而這種儀器只能檢測(cè)某一波長(zhǎng)段的 HC。應(yīng)用該方法的檢測(cè)器結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于更換，但是壽命短，因?yàn)闄z測(cè)器是電化學(xué)式的，屬消耗性的，壽命多為兩年以內(nèi)。氧傳感器的設(shè)計(jì)壽命，在空氣 20℃左右時(shí)，大約為 2 年。 化學(xué)發(fā)光法主要用于分析測(cè)試 NO、 NOx 等成分。 測(cè)量汽車怠速污染物濃度的目的是判斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒是否到達(dá)正常，從而降低油耗和排放。 2．低怠速測(cè)量： 在高怠速測(cè)量結(jié)束后，切換到低怠速測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)始讀數(shù) 。目前國(guó)內(nèi)外均未指定瞬態(tài)排放測(cè)試法規(guī)，而是在汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)測(cè)量排放數(shù)據(jù)對(duì)其排放狀況進(jìn)行評(píng)判。采用計(jì)算機(jī)仿真的方法分析五組分排放分析儀的頻率響應(yīng) (時(shí)延 )特性，結(jié)果如圖 23 所示： 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 23氣體組分排放分析儀頻率響應(yīng)（時(shí)延）特性的計(jì)算仿真圖 Figure 23 emission of gas ponent analyzer frequency response (delay) and calculation of its simulation diagram 解決響應(yīng)時(shí)間滯后問(wèn)題的思路是先使用傳統(tǒng)分析儀器測(cè)量瞬態(tài)過(guò)程的排放數(shù)據(jù)，然后采用數(shù)學(xué)方法對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得與實(shí)際信號(hào)相近的結(jié)果。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 143 尾氣檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 3． 1 基于虛擬儀器汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 圖 31 汽車尾氣檢測(cè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Figure 31 Detection of vehicle exhaust system structure of hardware 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)（ PC 機(jī)）和數(shù)據(jù)采集部分（包括非分光紅外傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡）組成。傳感器精度的高低影響測(cè)控系統(tǒng)精度、可靠性和成本的重要因素之一。 TPS4339 容器里面的熱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(cè)量環(huán)境的溫度來(lái)進(jìn)行后期的處理。 濾波器是一種能使一定頻率的信號(hào)通過(guò)，而阻止或衰減其它頻率信號(hào)的電路。如圖 35 所示。其對(duì)偶關(guān)系主要表現(xiàn)在頻率特性上和電路結(jié)構(gòu)上。