【文章內(nèi)容簡介】 12 圖 22 ASM測試流程圖 Figure 22 ASM test flow chart 2． 3． 4 瞬態(tài)排放檢測 在大、中型城市，導(dǎo)致城區(qū)大氣低層的污染以機動車為首要污染源，機動車行駛也以非穩(wěn)態(tài)工況為主。目前國內(nèi)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(zhuǎn)時通過測量排放數(shù)據(jù)對其排放狀況進行評判。在國家自然科學(xué)基金項目“基于符號時間序列方法的汽油機瞬態(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的方法。 汽油機瞬態(tài)排放檢測技術(shù)可以分為間接測量和直接測量兩種：間接測量是基于穩(wěn)態(tài)勢所用的排放取樣技術(shù)和常規(guī)分析儀器測量瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)。有一定的時間滯后和幅值畸變。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。 直接測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)測量和排氣管測量兩類。穩(wěn)態(tài)工況時由于受管道流動阻力和分析儀器機理的限制，所測信號與排放參數(shù)的實際變化規(guī)律有一定的時間滯后和幅值畸變。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(yīng) (時延 )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（論文） 13 圖 23氣體組分排放分析儀頻率響應(yīng)（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(yīng)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(xué)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(jié)果。 2． 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了尾氣生成機理、氣體分析儀表和尾氣檢測原理和方法的相關(guān)理論知識。 第 1 節(jié)簡述了尾氣中 CO、 HC、 CO2 和 NOx 的生成機理。為尾氣分析中對空燃比九和發(fā)動機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原理。重點闡述了不分光紅外吸收法和電化學(xué)方法，同時介紹了國內(nèi)外其它的研究方法。 第 3 節(jié)介紹了國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)下的排放檢測方法，包括怠速法、雙怠速法和簡易工況法的測試要求和流程。最后介紹了國內(nèi)研究中的瞬態(tài)排放檢測方法。 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(shè)計 3． 1 基于虛擬儀器汽車尾氣檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 圖 31 汽車尾氣檢測硬件系統(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(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)，充分的利用上位機的硬件資源，以前需要用單片機、 PLC 等硬件技術(shù)實現(xiàn)的功能改為在上位機（ PC 機）上實現(xiàn)，可見，虛擬儀器技術(shù)的采用大大簡化了硬件系統(tǒng)的設(shè)計。通過 LabVIEW 圖形化的編程語言編寫軟件實現(xiàn)相應(yīng)硬件的功能，不僅使整個系統(tǒng)的設(shè)計周期縮短而且降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。 3． 2 數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計 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 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、四個信號放大電路、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 四個濾波電路以及數(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量信號變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測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，以便進一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號。這主要是電信號較容易地放大、反饋、濾波、積分、 微分、存儲及遠距離傳送等操作。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。在精度、可靠性滿足系統(tǒng)要求的情況下，選擇價格適宜的傳感器。 本系統(tǒng)使用的是美國 PerkinElmer 公司的 TPS4339 型號紅外氣體傳感器。該傳感器可同時檢測 CO、 CO2和 HC 含量，使用壽命長，還提供一個基準(zhǔn)信號 Reference[【 13】 。 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。它是在一個 TO5 封裝的探測室內(nèi)使用了 4 個熱電堆， 4 個熱電堆探測器規(guī)則的排列在 TPS4339 圓形外殼中心點周圍， 4 個熱電堆探測器分別擁有獨立的紅外窗口。每個熱電堆芯片都有 的感應(yīng)區(qū)來接收紅外輻射。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，金屬外罩有四個透射窗和 6 個金屬引腳，其驅(qū)動電源由數(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 阻可以測量環(huán)境的溫度來進行后期的處理。 在每個熱電堆探測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。由于熱電堆探測器對溫度的變化量敏基于虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 16感，因此通過對紅外光源的調(diào)制來得到熱電堆信號的交流變化，適合探測器的測量。 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 CO CO2 HC 參考光路 型號 中心波長 m m m m 信號調(diào)理電路 信號調(diào)理裝置是通過電子線路來實現(xiàn)模擬信號處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。信號調(diào)理的目的是對傳感器輸出的電信號進行必要的處理以滿足信號處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號適應(yīng) A／ D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。信號調(diào)理可以改善信號質(zhì)量，還可以補償傳感器的非線性，提高信噪比，增強信號的環(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。通用集成運算放大器是一種開環(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，因而在智能儀器的小信號放大中得到廣泛應(yīng)用；采用程控增益放大器，通過程序控制選擇不同的增益，能使 A／ D 轉(zhuǎn)換器信號滿量程達到均一化，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通過，而阻止或衰減其它頻率信號的電路。濾波器可由 LC 或 RC 無源元件組成，稱之為無源濾波器；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現(xiàn)，然而可以用傳遞函數(shù)對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 (或截青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（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】 。 本系統(tǒng)采用的紅外傳感器 產(chǎn)生 CO、 CO2和 HC(特別是 C2H C3H8)信號．還提供一個基準(zhǔn)信號。這四路信號的調(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 信號的調(diào)理電路為例進行分析。 圖 34 正相放大器 Figure 34 Inverting amplifier CO 信號先經(jīng)過正相放大 3334 倍 (因為 33 3430010111 60 ??????? RRA fuf )，使用示波器可以測得其輸出波形。如圖 35 所示。 圖 35 CO信號放大 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)過具有放大功能的二階高通 有源濾波電 路 ，對信號作進一步處理。 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 20202)()()(?????????? 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 ??? 因為原波形的頻率約為 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（論文） 19 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。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偶關(guān)系。其對偶關(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 基于虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 2011)()()( )()(02020???? ???????? jQjjAjU jUjA ufi 其中 0 1 2 1 21R R C C? ? ω 0稱為通帶截止頻率 1 ff aRA R? ?? Auf稱為放大倍數(shù) 1 2 1 22 1 2 1 1( ) (1 )fR R C CQ C R R R C A?? ? ? ? Q 其中稱為品質(zhì)因數(shù) 為保證電路穩(wěn)定，應(yīng)滿足 0)1()( 11