【正文】 圖 310 CO信號(hào)調(diào)理電路 Figure 310 CO signal conditioning circuit 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡通常都是插卡式結(jié)構(gòu)，一般采用計(jì)算機(jī)本身的 PCI 總線或 ISA總線。 A／ D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來選擇合適的 A／ D。路數(shù)要能同控制對(duì)象配合，而且需 要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。 信號(hào)類型及測(cè)量方式 根據(jù)信號(hào)的參考情況，一個(gè)電壓源可以分為兩類：接地信號(hào)、浮地信號(hào)。 按測(cè)量方式分類可以分為以下兩大類測(cè)試系統(tǒng)： 1)差分測(cè)試系統(tǒng) (DIFF)： 在差分測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)的正負(fù)極分別接入兩個(gè)通道，所有輸入信號(hào)各自有自己的參考點(diǎn)。 B．非參考單端 (NRSE) 可避免接地回路干擾。根據(jù)傳感器的輸出特性設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路。 美國(guó)國(guó)家儀器主要產(chǎn)品 定位于測(cè)試與測(cè)量 （ T＆ M）， 這使他們很好的洞察到了 LabVIEW 的發(fā)展。 虛擬儀器的特點(diǎn) 1）更快的發(fā)展 虛擬儀器通過加快發(fā)展了對(duì)傳統(tǒng)的編程提升了 4 至 10 倍！使用模塊化和層次結(jié)構(gòu)的虛擬儀器，可以原型，設(shè)計(jì)，并且在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)修改系統(tǒng)。虛擬儀器用于快速創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量和 Web 發(fā)布和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享最新的科技集成的自動(dòng)化系統(tǒng)。同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。 4） 數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì) LabVIEW 采用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式，程序中的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定，因此，可以把用戶從文本式語言的線性化方式構(gòu)建程序的辦法中解放出來。為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展和易維護(hù)性，需要在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)階段仔細(xì)地進(jìn)行軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這個(gè)軟件提供了虛擬儀器軟件和硬件之間的連通性以用于測(cè)量和控制。配合 Express VI，通過 DAQ Assistant 可以很快搭建一個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。 LabVIEW 提供了索引數(shù)組的控件，可以二維數(shù)組的數(shù)據(jù)按行分離開，保存成四個(gè)二維的數(shù)組，然后分別對(duì)單個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣氣來對(duì)吸收曲線進(jìn)行定標(biāo)，通過增加標(biāo)定的點(diǎn)數(shù)來提高吸收曲線的精度 【 22】 。標(biāo)定公式為擬合后直線公式的反函數(shù)即： 5850 ??? xy 同理其他的氣體組分的標(biāo)定公式也由這種方法來完成。主要研究目的是通過檢測(cè)這些有害氣體的濃度，控制汽車尾氣中有害氣體的排放，使其控制在被允許的限定值內(nèi)，已達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和自然生態(tài)平衡的目的。 。至此 檢測(cè)系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)已完成。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 36 3）尾氣檢測(cè)顯示模塊的設(shè)計(jì) 尾氣檢測(cè)顯示模塊主要用來顯示由數(shù)據(jù)采集卡送 來并存儲(chǔ)在緩存中的離散的數(shù)據(jù)。 2)標(biāo)定模塊設(shè)計(jì) 該檢測(cè)系統(tǒng)在正式進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)之前要進(jìn)行標(biāo)定，該系統(tǒng)標(biāo)定是否準(zhǔn)確關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)最后得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性。 圖 41 DAQ助手界面 Figure 41 DAQ Assistant interface 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 30 圖 42物理通道的選擇界面 Figure 42 Physical channel selection interface 圖 43模擬輸入設(shè)置界面 Figure 43 Setting the analog input interface 通過 PCI6221 采集卡直接采集到的是四個(gè)通道的數(shù)據(jù)，在波形圖上顯示是四條曲線，在數(shù)組中存儲(chǔ)是個(gè)四行的二維數(shù)組，列數(shù)和采樣點(diǎn)數(shù)一致。NI 測(cè)量＆自動(dòng)化瀏覽器 (MAX)和 DAQAssistant(DAQ 助手 )是 NIDAQmx 測(cè)量服務(wù)軟件體現(xiàn)它無限價(jià)值的其中兩個(gè)例子 【 21】 。 NI 提供 了一些測(cè)量服務(wù)軟件，可以把測(cè)量服務(wù)軟件看做 I／ O 驅(qū)動(dòng)軟件層，然而它不僅僅是一個(gè)驅(qū)動(dòng)。美國(guó) NI 公司提出的“軟件就是儀器”的口號(hào)，已為學(xué)術(shù)界和工程界所接受。 3)構(gòu)建流程圖 對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語法細(xì)節(jié)就可自己構(gòu)建流程圖。利用虛擬儀器在整個(gè)組織您可以節(jié)省時(shí)間和金錢的共享信息和軟件。您甚至可以創(chuàng)建共享的庫或從其他編程語言中調(diào)用虛擬儀器代碼的 dll。虛擬儀器包含強(qiáng)大的內(nèi)置度量分析和一個(gè)圖形的編輯器實(shí)現(xiàn)最佳性能。 它的圖形特性使它非常適合 測(cè)試與測(cè)量（ T＆ M），自動(dòng)化，儀器控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。接線端子和電纜如圖 313 所示。 單端測(cè)試系統(tǒng)分為參考單端測(cè)試系統(tǒng)和非參考單端測(cè)試系統(tǒng)。如果使用 DAQ 板做信號(hào)源， 它輸出的也是浮動(dòng)信號(hào)。 一般說來，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無須通過低層才能與采集卡硬件打交道。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。 數(shù)字 I/O 通常用來控制過程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。模擬輸入是采集最基本的功能。 至此，紅外傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)完畢，較好的完成了信號(hào)的放大、濾波等功能。 圖 38二階有源低通濾波器 Figure 38 secondorder active lowpass filter 從圖 38，可以看出，電路上僅當(dāng)把電阻和電容交換位置，即用電阻 取代高通濾波電路中的電容，用電容取代高通濾波中電阻，高通濾波電路就轉(zhuǎn)換成了低通濾波電路。這四路信號(hào)的調(diào)理電路相似，不同之處在與放大系數(shù)稍有不同，本系統(tǒng)僅 以 CO 信號(hào)的調(diào)理電路為例進(jìn)行分析。 放大部分的放大器包括通用集成運(yùn)算放大器、儀用放大器、程控增益放大器、隔離放大器。每個(gè)熱電堆芯片都有 的感應(yīng)區(qū)來接收紅外輻射。傳感器能轉(zhuǎn)換信息存在的能量形式，通常是將其它能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便進(jìn)一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號(hào)。 第 3 節(jié)介紹了國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)下的排放檢測(cè)方法，包括怠速法、雙怠速法和簡(jiǎn)易工況法的測(cè)試要求和流程。按照排放取樣部位的不同有缸內(nèi)測(cè)量和排氣管測(cè)量?jī)深?。檢測(cè)時(shí)如果第一種狀態(tài)達(dá)標(biāo)，第二種狀態(tài)可免試，兩種狀態(tài)檢測(cè)時(shí)間共為 6 分鐘，如圖 24 所示。 根據(jù)法規(guī)要求，雙怠速測(cè)量的具體檢測(cè)流程是： 1．高怠速測(cè)量廢氣： 發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速狀態(tài)加速至 70％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn) 30s 后，用油門踏板將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在 50％額定功率轉(zhuǎn)速或制造廠技術(shù)文件中規(guī)定的高怠速轉(zhuǎn)速。 2． 3． 1 怠速法 怠速法是機(jī)動(dòng)車空擋靜止在怠速下測(cè)試其排放尾氣的各種成分，結(jié)果均是濃度值。此類儀器可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，但是配套價(jià)格昂貴。經(jīng)試驗(yàn)其輸出的電壓信號(hào)與環(huán)境壓力之間的關(guān)系是線性的，以在儀器氣路設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量將氧傳感器安裝在儀器的出氣口，使該處的氣體壓力與環(huán)境大氣的壓力盡量接近以得到穩(wěn)定可靠的輸出結(jié)果。根據(jù)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(cè)結(jié)果。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 8 表 21不同氣體的特征波長(zhǎng)和吸收系數(shù) Table 21 the characteristics of different gases wavelength and absorption coefficient 氣體種類 CO CO2 CH4 C6H14 NO 特征波長(zhǎng)（ μ m） 吸收系數(shù) K 110 60 90 不分光紅外分析儀，可測(cè)量 CO、 CO CH C6H1 NO 等多種氣體成分，當(dāng)然測(cè)量時(shí)需在檢測(cè)室內(nèi)充入相應(yīng)的氣體。 用不分光紅外分析 (NDIR) NDIR 是英文 Non． Dispersive Infrared Analyzer 的簡(jiǎn)稱，是目前測(cè)定 CO 的最好的方法。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(fā)，其余則由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管排出。 本章小結(jié) 本章首先回顧了汽車紅外分析檢測(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，闡述了汽車尾氣檢測(cè)的必要性。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。本課題僅討論研究三氣分析儀。同時(shí)，人們對(duì)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(cè)。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)。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。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。 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。為此，如何應(yīng)用汽車新技術(shù)降低機(jī)動(dòng)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。 CO 的容許限度規(guī)定為 8h 內(nèi) 100ppm。據(jù)調(diào)查全國(guó)五分之一的大城市由于汽車尾 氣排放，空氣污染嚴(yán)重。 中國(guó)人口眾多，能源和土地資源相對(duì)短缺，如此汽車保有量，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巨大壓力。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。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。 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。它推動(dòng)了汽車工業(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。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)。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(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。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。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。通過對(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。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。 2. HC 汽車尾氣中的 HC 是多種碳?xì)浠衔锏目偡Q，是發(fā)動(dòng)機(jī)未燃盡的燃料分解或供油系中燃料的蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣體。根據(jù)不同的原理，就相應(yīng)有不同結(jié)構(gòu)的傳感器，分別適合測(cè)試不同氣體成分。 汽車尾氣中不同氣體的特征波長(zhǎng)和吸收系數(shù)見表 21。氣體的濃度越高，波形幅值越小，反之越大。在實(shí)際應(yīng)用中由于氧傳感器的電信號(hào)受氣體擴(kuò)散率的影響，外界壓力的變化會(huì)引起氧氣分壓的改變，輸出電壓號(hào)也會(huì)隨之變化。 2． 2． 3 其它方法 氫火焰離子化法用于 HC 的測(cè)量，它的輸出與碳原子數(shù)成良好線性關(guān)系，具有測(cè)試精度高、反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，多用于高精度測(cè)量試驗(yàn)。國(guó)家 相關(guān)法規(guī)中有如下排放檢測(cè)方法 【 8】 。雖然不能完全反映機(jī)動(dòng)車的實(shí)際運(yùn)行狀況，但其操作簡(jiǎn)單、快捷和費(fèi)用低廉而被廣泛應(yīng)用 【 10】 。5024 指的是對(duì)汽車按照發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率的 50％進(jìn)行加載，速度為 24km／ h，檢測(cè) 90 秒； 2540 指的是對(duì)汽車按照發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率的 25％進(jìn)行加載，速度為 40km／ h，檢測(cè) 90 秒。 直接測(cè)量是基于快速排放取樣技術(shù)和高采樣頻率的分析儀器。重點(diǎn)闡述了不分光紅外吸收法和電化學(xué)方法，同時(shí)介紹了國(guó)內(nèi)外其它的研究方法。它作為信息獲取的工具和手段，在測(cè)量控制型智能儀器中占據(jù)了極其重要的地位。它是在一個(gè) TO5 封裝的探測(cè)室內(nèi)使用了 4 個(gè)熱電堆， 4 個(gè)熱電堆探測(cè)器規(guī)則的排列在 TPS4339 圓形外殼中心點(diǎn)周圍， 4