【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 12 圖 22 ASM測(cè)試流程圖 Figure 22 ASM test flow chart 2． 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： 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)間滯后問題的思路是先使用傳統(tǒng)分析儀器測(cè)量瞬態(tài)過程的排放數(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。 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。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，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 LabVIEW 圖形化的編程語言編寫軟件實(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。 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。 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。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。 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)理裝置是通過電子線路來實(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，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(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】 。 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(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)過正相放大 3334 倍 (因?yàn)?33 3430010111 60 ??????? RRA fuf )，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 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?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 基于虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)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