【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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】。利用ASM對(duì)汽車尾氣進(jìn)行檢測(cè)可分為兩種狀態(tài)，分別稱為“5024”和“2540”。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。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。圖22 ASM測(cè)試流程圖Figure 22 ASM test flow chart2．3．4瞬態(tài)排放檢測(cè)在大、中型城市，導(dǎo)致城區(qū)大氣低層的污染以機(jī)動(dòng)車為首要污染源，機(jī)動(dòng)車行駛也以非穩(wěn)態(tài)工況為主。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。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于符號(hào)時(shí)間序列方法的汽油機(jī)瞬態(tài)排放特征分析”中，提出一種瞬態(tài)工況下汽車尾氣排放檢測(cè)的方法。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)。有一定的時(shí)間滯后和幅值畸變。適用于對(duì)瞬態(tài)過(guò)程的排放變化規(guī)律精度要求不太高的場(chǎng)合，同時(shí)又有可能提供一種較為工程化的瞬態(tài)排放間接測(cè)量手段。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。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)深悺７€(wěn)態(tài)工況時(shí)由于受管道流動(dòng)阻力和分析儀器機(jī)理的限制，所測(cè)信號(hào)與排放參數(shù)的實(shí)際變化規(guī)律有一定的時(shí)間滯后和幅值畸變。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：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。2．4本章小結(jié)本章主要介紹了尾氣生成機(jī)理、氣體分析儀表和尾氣檢測(cè)原理和方法的相關(guān)理論知識(shí)。第1節(jié)簡(jiǎn)述了尾氣中CO、HC、CO2和NOx的生成機(jī)理。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)。第2節(jié)介紹了本課題所使用的尾氣檢測(cè)原理。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。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。最后介紹了國(guó)內(nèi)研究中的瞬態(tài)排放檢測(cè)方法。3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。由于采用了虛擬儀器技術(shù)，充分的利用上位機(jī)的硬件資源，以前需要用單片機(jī)、PLC等硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能改為在上位機(jī)（PC機(jī)）上實(shí)現(xiàn)，可見(jiàn)，虛擬儀器技術(shù)的采用大大簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)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(kāi)發(fā)成本。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、四個(gè)濾波電路以及數(shù)據(jù)采集卡等部分構(gòu)成。3．3紅外氣體傳感器傳感器是將外界輸入的被測(cè)量信號(hào)變換成電信號(hào)的元器件或裝置。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。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)。這主要是電信號(hào)較容易地放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)距離傳送等操作。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。在精度、可靠性滿足系統(tǒng)要求的情況下，選擇價(jià)格適宜的傳感器。 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。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】。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，PeskinElmer的TPS4339紅外傳感器是一個(gè)4通道的探測(cè)器。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個(gè)熱電堆探測(cè)器分別擁有獨(dú)立的紅外窗口。傳感器是完全封閉的，TO5封裝的金屬外罩里面充滿了干燥的氦氣，金屬外罩有四個(gè)透射窗和6個(gè)金屬引腳，其驅(qū)動(dòng)電源由數(shù)據(jù)采集卡+5V電源提供。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。在每個(gè)熱電堆探測(cè)器前面的入射窗口處可以安裝不同的紅外窄帶濾光片，作為CO、CO2.、HC和參考光路的分光。由于熱電堆探測(cè)器對(duì)溫度的變化量敏感，因此通過(guò)對(duì)紅外光源的調(diào)制來(lái)得到熱電堆信號(hào)的交流變化，適合探測(cè)器的測(cè)量。 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COCO2HC參考光路型號(hào)中心波長(zhǎng)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)。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。信號(hào)調(diào)理可以改善信號(hào)質(zhì)量，還可以補(bǔ)償傳感器的非線性，提高信噪比，增強(qiáng)信號(hào)的環(huán)境抗干擾能力等。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。通用集成運(yùn)算放大器是一種開(kāi)環(huán)增益非常大的集成芯片，組成閉環(huán)后，其輸出特性和閉環(huán)增益由外接的元器件和結(jié)構(gòu)確定；儀用放大器具有高輸入阻抗、低失調(diào)電壓、低溫度漂移系數(shù)、放大倍數(shù)精確穩(wěn)定、低輸出阻抗等優(yōu)點(diǎn)，因而在智能儀器的小信號(hào)放大中得到廣泛應(yīng)用；采用程控增益放大器，通過(guò)程序控制選擇不同的增益，能使A／D轉(zhuǎn)換器信號(hào)滿量程達(dá)到均一化，并提高多路數(shù)據(jù)采集的精度；隔離放大器起到輸入、輸出和電源之間的隔離，它主要有光電隔離和變壓器隔離兩種措施。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。濾波器可由LC或RC無(wú)源元件組成，稱之為無(wú)源濾波器；也可以由有源器件和LC或RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，稱之為有源濾波器。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。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。標(biāo)志濾波器性能的濾波參數(shù)有：通帶增益、中心頻率(或截止頻率)、阻尼系數(shù)(或品質(zhì)因數(shù))和通帶增益紋波【14】。本系統(tǒng)采用的紅外傳感器產(chǎn)生CO、CO2和HC(特別是C2HC3H8)信號(hào)．還提供一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)。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。圖34 正相放大器Figure 34 Inverting amplifier CO信號(hào)先經(jīng)過(guò)正相放大3334倍(因?yàn)?，使用示波器可以測(cè)得其輸出波形。如圖35所示。圖35 CO信號(hào)放大3334倍后的輸出波形Figure 35 CO signal amplification 3334 times the output waveform用示波器觀察輸出波形，我們可以得出該波形的頻率約為2Hz，電位差約為500mV，由于波形中有較多的毛刺，需要經(jīng)過(guò)具有放大功能的二階高通有源濾波電路，對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理。由二階高通有源濾波電路(見(jiàn)圖36)，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)為其中 ω0稱為通帶截止頻率 Q稱為品質(zhì)因數(shù) Auf稱為放大倍數(shù) 為保證電路穩(wěn)定，應(yīng)滿足即： 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，于是取C1=C2=，則R1=，R2=選擇不同的Q值，可以使濾波器在ω0附件的特性逼近要求的形狀，本系統(tǒng)取Q=1，則Auf=2，R1=10kΩ，則Rf=10KΩ。二階高通濾波放大后的輸出波形如圖37所示。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(guò)高通濾波后仍不理想，存在很多毛刺，需要作低通濾波處理。低通濾波電路如圖38所示。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。所以低通濾波電路與高通濾波電路具有對(duì)偶關(guān)系。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。其傳遞函數(shù)為其中 ω0稱為通帶截止頻率 Auf稱為放大倍數(shù) Q其中稱為品質(zhì)因數(shù)為保證電路穩(wěn)定，應(yīng)滿足即：因?yàn)樵ㄐ蔚念l率約為2Hz，所以本文取低通濾波器的截止頻率3Hz，則取C1=C2=，則R1=510KΩ，R2=560KΩ