【正文】 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％ )。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)，汽車普及率越來越高，汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)、銷售也進(jìn)入了發(fā)展的快車道。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 )。其中約 30％來自汽車排氣。 要減少汽車尾氣污染物對(duì)人體和環(huán)境的危害，首先必須做好檢測(cè)工作。“機(jī)動(dòng)車尾氣紅外檢測(cè)系統(tǒng)的研究”的研究課題正是在此背景下產(chǎn)生的。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。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，不但用來數(shù)據(jù)處理，記錄分析結(jié)果，通過求解線性方程對(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)。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。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)品沒有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)等。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)。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。特別是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，混合氣供給偏濃，發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中的氣體壓力和溫度不高，燃燒速度減慢，因不完全燃燒所生成的 CO 濃度增高；發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過程中供給較濃混合氣，或因點(diǎn)火過分推遲補(bǔ)燃增多時(shí)，均會(huì)使 CO 的排放量增加。其中約 30％來自汽 車尾氣。 NDIR 法的是建立在惰性氣體不吸收紅外線能量，而異原子組成的氣體如汽車尾氣中的 CO、 HC、 CO2等均能吸收一定波長(zhǎng)的紅外線能量的基礎(chǔ)上。故在要求高精度 測(cè)量時(shí)，不分光紅外分析儀不能用來測(cè)量 HC【 7】 。下面給出氧傳感器使用電化學(xué)法檢測(cè) O2濃度的原型。氧傳感器的壽命由與氧氣接觸的反應(yīng)量決定，較高的溫度和氧濃度會(huì)增加傳感器的輸出，從而縮短其有效時(shí)間。因此，各國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)廣泛推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析的標(biāo)準(zhǔn)方法是：用氫火焰離子化法分析 HC，用不分光紅外吸收法 分析 CO、 CO2，用磁壓法或氧化鋯法分析排放尾氣中的氧，用化學(xué)發(fā)光法分析 NO、 NOx。 怠速法是我國(guó)早期排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的一種方法，相比于雙怠速法、模擬工青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 況法來說，檢測(cè)要求并不嚴(yán)格，國(guó) III 標(biāo)準(zhǔn)等測(cè)試規(guī)程已經(jīng)不采用這 類檢測(cè)方法。 2． 3． 3 簡(jiǎn)易工況法 簡(jiǎn)易工況法 (ASM)是機(jī)動(dòng)車在測(cè)功機(jī)上按特定低速／高速工況規(guī)范模擬在道路上運(yùn)行，測(cè)試其排放尾氣的各種成分，各成分的分析結(jié)果是濃度或質(zhì)量。 汽油機(jī)瞬態(tài)排放檢測(cè)技術(shù)可以分為間接測(cè)量和直接測(cè)量?jī)煞N：間接測(cè)量是基于穩(wěn)態(tài)勢(shì)所用的排放取樣技術(shù)和常規(guī)分析儀器測(cè)量瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)。 第 1 節(jié)簡(jiǎn)述了尾氣中 CO、 HC、 CO2 和 NOx 的生成機(jī)理。通過 LabVIEW 圖形化的編程語(yǔ)言編寫軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)硬件的功能，不僅使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期縮短而且降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。 本系統(tǒng)使用的是美國(guó) PerkinElmer 公司的 TPS4339 型號(hào)紅外氣體傳感器。由于熱電堆探測(cè)器對(duì)溫度的變化量敏基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 16感，因此通過對(duì)紅外光源的調(diào)制來得到熱電堆信號(hào)的交流變化，適合探測(cè)器的測(cè)量。按頻率特性可將有源濾波器分為低通 (LPF)、高通 (HPF)、帶通 (BPF)和帶阻 (BEF)等四種。 由二階高通有源濾波電路 (見圖 36)， 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 18 圖 36 二階有源高通濾波器 Figure 36 secondorder active highpass filter 可以得到傳遞函數(shù)為 20212)()()(?????????? jQjjAUUjA ufiO 其中 0 1 2 1 21R R C C? ? ω 0稱為通帶截止頻率 1 2 1 21 1 2 1 2 2 (1 )fR R C CQ C R C R R C A?? ? ? ? Q 稱為品質(zhì)因數(shù) 1 ff aRA R? ?? Auf稱為放大倍數(shù) 為保證電路穩(wěn)定，應(yīng)滿足 0)1(221211 ???? fACRRCRC ? 即： 2211211 CR CRRRAuf ??? 因?yàn)樵ㄐ蔚念l率約為 2Hz，所以高通濾波器的截止頻率為 1Hz，于是 HzRCf 12 12 00 ??? ??? 取 C1=C2= F，則 R1=， R2= 選擇不同的 Q 值，可以使濾波器在 ω 0附件的特性逼近要求的形狀，本 系青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 統(tǒng)取 Q=1， 則 Auf=2， R1=10kΩ， 則 Rf=10KΩ。 二階低通濾波放大后的輸出波形如圖 39 所示。盡管有種種的不足，但其構(gòu)成卻是最方便的，使用 PCDAQ／ PCI 插卡式虛擬儀器，只需要將 DAQ卡插入 PC機(jī)相應(yīng)的總線擴(kuò)展插槽內(nèi)就可以開始使用，故已成為數(shù)據(jù)采集的主流方法。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。數(shù)字 I/O 常見的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。 PCI6221 板卡的模擬輸入、模擬輸出范圍有兩個(gè) ? 10V和? 5V。它的參考點(diǎn)是系統(tǒng)地(例如大地或建筑物的地 )。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 24當(dāng)輸入信號(hào)有以下情況時(shí)，使用差分測(cè)試系統(tǒng)： 低電平信號(hào) (例如小于 lV)； 信號(hào)電纜比較長(zhǎng)或沒有屏蔽，環(huán)境噪聲較大； 任何一個(gè)輸入信號(hào)要求單獨(dú)的 參考點(diǎn)。與參考單端測(cè)試系統(tǒng)不同的是因?yàn)樗休斎胄盘?hào)都已經(jīng)接地了，所以信號(hào)參考點(diǎn)不需要再接地。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)了，下面的章節(jié)將詳細(xì)介紹汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 虛擬儀器技術(shù)概述 虛擬儀器是一種高效用于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖形化編程語(yǔ)言。 2） 更好的投資 使用虛擬儀器系統(tǒng)，每個(gè)用戶有權(quán)訪問單一的商業(yè)文書的成本低于一個(gè)完整的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。除了在虛擬儀器的開發(fā)系統(tǒng)國(guó)家儀器還提供多種附加模塊和擴(kuò)展功能的虛擬儀器的工具集。用戶還能夠通過連接功能模塊來快速開發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)同步操作 【 18】 。 5） 模塊化和層次化 LabVIEW 虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行又能被用作其它虛擬儀器的一部分，甚 至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，所以可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層次系統(tǒng)。 1)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。 NI 測(cè)量和控制服務(wù)軟件提供了與 NI 硬件以及 NI 應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境 (ADE)的最優(yōu)化結(jié)合。將該 Express VI 放在程序框圖中的同時(shí)會(huì)彈出如圖 41 所示的界面。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 32 圖 44數(shù)據(jù)采集程序圖 Figure 44 Data collection procedures 由于數(shù)據(jù)分析導(dǎo)致的延遲將會(huì)增大數(shù)據(jù)采集的周期，因此采用了 Queue 隊(duì)列的方式 Queue 結(jié)構(gòu)是一種先入先出 (FIFO)的結(jié)構(gòu)。 LabVIEW 提供的大量曲線擬合函數(shù)以滿足不用的擬合需要，它們位于 FunctionsPalate 的 Mathematics Fitting面板下。 圖 48標(biāo)定與顯示程序圖 Figure 48 the block diagram of calibration and display 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)顯示界面主要有控制按鈕和各氣體組分的濃度隨時(shí)間變化的曲線圖組成，其中控制按鈕由于控制系統(tǒng) 的啟動(dòng)和停止，曲線圖用于顯示相應(yīng)氣體組分的濃度值，如圖 49 所示。通過信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)采集卡，然后通過 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出界面友好、操作簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠軟件。 2） 軟件方面，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣的檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、查詢和以往檢測(cè)結(jié)果比對(duì)等功能，為汽車減排提供數(shù)據(jù)參考。 利用 LabVIEW 進(jìn)行該系統(tǒng)的軟件開發(fā)，最主要的功能是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)標(biāo)定和氣體組分波形圖的顯示。將此 VI 程序做成子 VI，在標(biāo)定的程序圖中直接調(diào)用此子 VI 來完成擬合的過程。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 44數(shù)據(jù)隊(duì)列示意圖 Figure 44 Schematic diagram of the data queue 數(shù)據(jù)采集循 環(huán)不間斷的采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)放在隊(duì)列中，數(shù)據(jù)分析循環(huán)不間斷的處理數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)輸入的設(shè)置界面，如圖 43 所示。在 90 年代后期，NIDAQ 團(tuán)隊(duì)意識(shí)到保持 API 與以前版本 的兼容性的這個(gè)要求增加了向傳統(tǒng)NIDAQ 添加新特性和設(shè)備的難度。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。 6）圖型化編輯器 在許多場(chǎng)合程序的運(yùn)行速度是很關(guān)鍵的， LabVIEW 軟件是唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯 C 的速度相當(dāng)，利用內(nèi)置的繪圖器能夠?qū)εc時(shí)間很關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。 2） 建立前面板 從控制模塊上選擇需要的對(duì)象放在虛擬儀器的前面板上，這些對(duì)象包括：數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)外殼、表圖等。 4） 廣泛的應(yīng)用 在很多行業(yè)全球包括汽車、電訊、航空航天、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、過程控制生物 醫(yī)學(xué)，以及許多其他實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的應(yīng)用程序。 3）優(yōu)化性能 虛擬儀器的所有應(yīng)用程序執(zhí)行以獲得最佳性能的編譯速度。要指定您系統(tǒng)的功能，您只需裝配塊關(guān)系圖 — 一種自然的設(shè)計(jì)表 示科學(xué)家和工程師。LabVIEW， 作為一種編程語(yǔ)言 是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，可以被用來實(shí)現(xiàn)這些目的。而且傳感器的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理放大大于 1V，所有的信號(hào)可以共享一個(gè)公共參考點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用參考地單端連接方式，將信號(hào)參考點(diǎn)與儀器的模擬輸入地連接起來。單端測(cè)試系統(tǒng)所有信號(hào)都參考一個(gè)公共參考點(diǎn)，即儀器放大器的負(fù)極。 浮地信號(hào)：一個(gè)不與任何地 (如大地或建筑物的地 )連接的電壓信號(hào)稱為浮地信號(hào)。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)長(zhǎng)abVIEW 提供了與 DAQ 器件和信號(hào)調(diào)理硬件之間的高級(jí)接口。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字。建立時(shí) 間 短、轉(zhuǎn)換率高的 D／ A 可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。本系統(tǒng)同樣采用美國(guó)國(guó)家儀器公司 生產(chǎn)的 PCI6221 專用數(shù)據(jù)采集卡來完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，保證數(shù)據(jù)采集高性能的要求 【 15】 。雖不進(jìn)行電 壓放大，但因輸入電阻很大，輸出電阻非常小，常常用于阻抗變換。 圖 37二階高通濾波放大后的輸出波形 Figure 37 secondorder highpass filtering the amplified output waveform 信號(hào)經(jīng)過高通濾波后仍不理想，存在很多毛刺，需要作低通濾波處理。標(biāo)志濾波器性能的濾波參數(shù)有：通帶增益、中心頻率 (或截青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 止頻率 )、阻尼系數(shù) (或品質(zhì)因數(shù) )和通帶增益紋波 【 14】 。信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行必要的處理以滿足信號(hào)處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號(hào)適應(yīng) A／ D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。 TPS4339 紅外探測(cè)器如下圖 33 圖 33 TPS4339紅外探測(cè)器 Figure 33 TPS4339 detector 如圖 33 所示， P