基于虚拟仪器的汽车尾气检测系统 汽车工程专业毕业设计 毕业论.doc

青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言随着中国的经济迅速增长，汽车普及率越来越高，汽车的设计开发、生产、销售也进入了发展的快车道。根据调查至2011年2月底，我国机动车保有量达到2.11亿辆，去年全国新增机动车2048万辆，有20个城市的机动车保有量超过100万辆，并且今后每年将以10%左右的数量增加。但是，新问题也随之产生，即汽车污染加重了，道路上拥挤的汽车产生的尾气污染影响着人们的生活。中国人口众多，能源和土地资源相对短缺，如此汽车保有量，已经对能源供应、环境保护、交通通畅和城市秩序带来巨大压力。据调查全国五分之一的大城市由于汽车尾气排放，空气污染严重。由于同样原因，全国110个中大城市达不到二级空气标准。机动车常用的动力来源是柴油和汽油，燃料成分组成十分复杂。而汽油是目前汽车(点燃式发动机)最普遍使用的常规燃料，其中主要有20的丁、戊烷，45高碳烷、烯烃、芳烃及其它添加剂，氢碳比控制在约1.85：1，以辛烷值衡量抗爆性能，理论上正庚烷的抗爆性能最差(70)，异辛烷最高(100)。汽车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(有碳烟、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰等组成)。在内燃发动机中，CO因空气不足或其他原因造成不完全燃烧时，所产生的一种无色、无味的气体。CO吸入人体后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，它的亲和力是氧的300倍。因此，肺里的血红蛋白不与氧结合而与CO结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重时造成死亡。CO的容许限度规定为8h内100ppm。如lh内吸入500ppm的CO，就会出现中毒症状，并危害中枢神经系统，造成感觉、反应、理解、记忆等机能障碍，严重时引起神经麻痹。如1h内吸入1000ppm的CO，就会发生死亡。世界工业化进程引起的能源大量消耗，导致大气CO2的剧增。其中约30来自汽车排气。CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中的CO2大幅度增加，因其对红外热辐射的吸收而形成的温室效应，会使全球气温上升、南北极冰层溶化，海平面上升，大陆腹地沙漠趋势加剧，使人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏。因此近年来对CO2的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题。人们期待着可以更加自由地享受经济发展带来的舒适便利的生活，而又不被空气污染所困扰。为此，如何应用汽车新技术降低机动车排放尾气污染，正成为科研工作者、汽车生产商、政府有关管理部门的重要工作。1 绪论1.1研究的目的和意义 随着社会经济的发展，汽车保有量的增加，汽车尾气带来的城市交通污染对人体产生的健康危害已引起人们广泛的关注。大量的实验研究和流行病学研究表明，汽车尾气不仅可以造成人体呼吸系统炎症、哮喘、眼部刺激及中毒等急性反应，更重要的是汽车尾气(主要是颗粒物)对人体可以造成慢性毒性效应，尤其是以柴油为燃料的机动车排放的颗粒物，因其表面吸附的芳香族化合物及其衍生物、有毒有害重金属对人体的呼吸系统、免疫系统、生殖系统产生慢性毒性，尤其是其致突变、致癌效应，给人体健康带来不可逆转的危害【1】。同时，大量汽车尾气污染物的排放也给整个地球环境造成了不小的危害，例如汽车排放尾气中的大量CO2就是直接造成全球温室效应的根本元凶之一。要减少汽车尾气污染物对人体和环境的危害，首先必须做好检测工作。用机动车尾气分析仪测定车辆排气污染物的浓度，目的是控制排气污染物的扩散，使其限定在被允许的范围内，以达到保护生态环境和自然界生态平衡的目的。同时，汽车发动机所排出的污染物成分和浓度与发动机的技术状况密切相关，所以通过对发动机的排气污染物进行检测，可评价发动机的技术状况，特别是燃油供给系统和点火系统的技术状况。如何保证抽测数据的准确性，政府出台了各种政策、法规和办法，其中各级环境监测部门所进行的尾气抽测工作充分利用抽测数据，对数据进行分析、整理、汇总、统计，找出规律，为汽车尾气防治管理工作提供科学依据，是一项非常有意义的工作。为贯彻中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法，控制发动机排气污染物对环境的污染，以及配合当前我国机动车行业的产业结构调整和企业认证，国家要求各机动车生产企业必须加强对发动机污染物排放量的检测和控制。由此企业必需配备相应的检测仪器。但由于整套“机动车尾气排放检测系统”在国内主要依靠进口国外同类系统，但是价格昂贵，而且难以得到快速及时地售后技术支持，这严重增加了中小企业负担，限制了该措施的推广和应用。面对这种现状，研制出适合我国国情的机动车尾气检测系统是加快推行环保标准、促进经济可持续快速健康发展的关键问题之一。“机动车尾气红外检测系统的研究”的研究课题正是在此背景下产生的。本课题利用非分光红外技术检测机动车尾气中CO和CO2的浓度，从而为机动车尾气的排放污染物控制提供有力的保障，以达到提升人们的健康水平，减少环境污染和保护生态环境的目的。1.2研究的现状1.2.1国际上在机动车尾气检测方面的发展概况对汽车排放污染物的治理，是世界性的环保课题。它推动了汽车工业的革命：同时带动了燃料、净化技术及监测仪器等相关产业的发展。常用的气体分析方法有：电化学法；电气法，如热导式和半导体式；色谱法(层析法)：光学吸收法(红外吸收法和紫外吸收法)等。与其它方法相比，红外光学吸收式仪器的优点是精度和灵敏度高，响应速度快，测量范围大，选择性、稳定性和可靠性好，可以快速和连续检测。因此受到各国重视，获得广泛应用【2】。1938年世界上第一台红外气体分析仪问世。在50年代，以费因格格夫和勒夫特为代表研制出了有选择性的光声气体检测器，使不分光型红外气体分析仪技术趋于成熟。到60年代，红外技术在军事上的应用不断扩大，高灵敏度的红外探测器的研究蓬勃发展起来，红外干涉滤光片制造技术也日趋完善，促使以红外探测器为接收元件的分析仪以其独特的特点迅速发展起来。从70年代开始，美、英、德等国一些厂家生产出多组分红外线气体分析仪。最初的产品采用光谱响应宽的半导体红外探测器和有许多不同波长滤光片的切光轮结合，设计成时间多光束系统。有代表性的产品是Kent公司生产的IR500型红外气体分析仪。这种仪器虽然能实现多组分分析，但是测量对象的吸收灵敏度不能相差太大，选择性也不够好。70年代末到80年代，气体滤波相关技术用于多组分分析，极大地提高了分析仪的选择性，但是仪器的测量灵敏度低，要测量ppm级的气体成分必须有较长的气室。80年代以来，红外气体分析技术在不断地完善，对于一些问题，如精确测量低浓度气体，提高仪器抗干扰性等，人们正在寻求解决的方法。随着现代化技术的不断发展，电子计算机技术在红外吸收光谱分析中发挥了重要作用，不但用来数据处理，记录分析结果，通过求解线性方程对多组分混合物进行定量分析，而且承担红外气体分析仪的其它许多自动化、多功能的任务。使仪器的性能大大提高【3】。尾气分析仪的发展，现在国际上正朝着多参数、智能化，高精度、便携式及长期稳定性方向发展。瑞典汽车故障诊断设备公司生产的“MULTIGASPRO”五气分析仪，英国凯恩梅公司生产的AUTO系列二气，四气及五气分析仪，美国OTC公司生产的五气分析仪等。它们都具有小型化，交直流两用供电，可多参数测量，数据精确等优点。1.2.2我国红外气体分析仪技术发展现状很长时间以来，中国汽车维修市场对尾气分析仪的重视程度不高，这与中国汽车工业的发展和环保政策是息息相关的。尾气分析仪的两大主要功用即辅助诊断和尾气检测对七八十年代的中国汽车市场来说，并未受到足够的认识。由于当时占绝对数量的化油器式汽车结构都比较简单，尾气分析仪的诊断作用很少派上用场。当时尾气分析仪产品也比较单一，主要用于怠速工况的检测，而且国内相关生产厂家也少之又少。而环保方面对汽车尾气排放也没有相应的法规要求，尾气分析仪的检测作用在检测和维修企业也没有得以推广应用。九十年代，随着汽车技术的迅猛发展和维修技术的升级变化，很多汽车厂家要求特约维修站将尾气分析仪作为诊断工具在发动机的故障诊断中应用。尾气分析仪为诊断维修结构复杂的现代汽车带来了极大的便利，很多维修企业都开始引进尾气分析仪，以适应现代汽车维修的需要。同时，人们对汽车尾气排放造成的环境污染日益重视，按照环保法规要求，汽车必须定期进行尾气检测。经过十几年的发展，尾气分析仪的技术越来越先进。绝大多数产品采用与国际市场同水平的先进检测技术(含进口)，分别为怠速法、双怠速法、ASM(简称单加速模拟工况法)和工况法的测试规范【4】。尽管如此，我国红外汽车尾气分析仪技术水平与国外还存在很大差距。这主要表现为：红外气体分析理论的基础研究不完善、不系统、不深入：产品受环境影响比较严重；可靠性差；自动他水平低；智能化水平低；某些高性能产品没有独立知识产权等。国外的进口尾气分析仪设备的年销售量约占国内分析仪市场的份额的50%。目前市场上有二气分析仪、三气分析仪、四气分析仪、和五气分析仪四种。因为一般情况下三气分析仪就能满足基本的检测检测需求，所以我们通常用选用三气检测分析仪。本课题仅讨论研究三气分析仪。1.3主要研究内容本课题是在当前汽车尾气污染的不断加重和汽车尾气检测标准越来越高的形势下提出的，综合比较国内外发展的基础上设计一套基于非分光红外吸收技术的尾气分析系统，该系统操作简单，能够测量尾气中有害成分CO、CO2和HC的浓度。针对目前系统标定的种种不足设计一套装置，该装置操作简单，在保证标定精度的同时，既降低了标定成本又提高了标定的效率。目前尾气检测多采用微控制器作为核心处理器，本系统运用高性能的数据采集设备，准确可靠的采集检测数据，并利用虚拟仪器的思想进行软件系统的设计，设计出的系统软件界面简单，操作方便，有很强的扩张性，软件的修改更新也非常方便，大大提高了系统的可操作性和发展性。下面介绍一下本论文的主要工作内容：1分析红外辐射的特性，确定了利用CO、CO2和HC在中红外光区的吸收光谱进行检测。尾气中的成分比较多，其中O2、N2为同核双原子分子，不具有红外活性，所以在中红外(3m5m )区域无红外吸收。二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物（HC）等气体对红外线特定的波长有选择吸收，因此可以利用各个成分的不同的吸收谱线位置来测定含量。通过对检测方法的分析比较最终确定采用非分光红外检测技术，并根据该技术进行了理论分析。通过红外吸收光谱的理论和气体的红外吸收光谱分析，根据CO、CO2和HC的吸收差异确定CO、CO2和HC的特征吸收峰。2提出系统方案，根据方案确定系统部件。首先，挑选一款适宜的红外气体检测仪（红外气体传感器），完成对汽车尾气中所要检测气体组份的数据采集。其次，设计完成红外气体分析仪输出信号的调理电路，包括信号的转换电路、信号的放大电路、信号的抗干扰滤波电路等的设计。再次，选择一款数据采集卡完成其与计算机以及输入信号的连接，并在在上为计算机中利用LabVIEW软件完成对数据采集卡的相关配置。最后，编写相关的应用软件。3分析虚拟仪器技术的特点和发展，利用NI公司的LabVIEW作为软件平台完成系统软件的设计。按模块功能设计软件包括：数据采集模块，系统标定模块和各气体组分浓度的显示界面。1.4本章小结本章首先回顾了汽车红外分析检测技术的目的和意义，介绍了其在国内外发展的研究和发展现状，阐述了汽车尾气检测的必要性。最后，提出了该课题的主要研究内容和涉及到的技术问题。2 汽车尾气成分分析及检测原理2.1汽车尾气的成份及危害汽车尾气中有水蒸气、O2、H2、N2、CO2、CO、HC化合物、NOx、SO2、微粒物质等，其中把对人体有害和影响自然环境增长的成分称为污染物，有CO2、CO、HC化合物、NOx、SO2、微粒物质等。本文仅对课题中需要检测的CO、HC、CO2、三种气体作如下分析：1.COCO是燃料不完全燃烧的产物，当发动机混合气过浓或燃烧质量不佳时，易生成CO而从排气管排出。特别是发动机怠速时，混合气供给偏浓，发动机工作循环中的气体压力和温度不高，燃烧速度减慢，因不完全燃烧所生成的CO浓度增高；发动机在加速过程中供给较浓混合气，或因点火过分推迟补燃增多时，均会使CO的排放量增加。CO进入人体后极易与血红蛋白结合，可使血液携带氧的能力降低而引起缺氧。CO被人体吸收后会使人感觉恶心、头晕及疲劳，严重时会使人窒息死亡。2. HC汽车尾气中的HC是多种碳氢化合物的总称，是发动机未燃尽的燃料分解或供油系中燃料的蒸发所产生的气体。汽车排放污染物中，HC的2025来自曲轴箱窜气，20来自化油器和燃油箱中的蒸发，其余则由发动机排气管排出。单独的HC只有在浓度高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大。但HC能引起光化学反应生成光化学氧化剂，且生成甲醛，形成烟雾，对人的眼、鼻和喉咙粘膜有较强的刺激作用，严重时可致癌【5】。3.CO2世界工业化进程引起的能源大量消耗，导致大气CO2的剧增。其中约30来自汽车尾气。CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中CO2的大幅度增加，因其对红外热辐射的吸收而形成的温室效应，会使全球气温上升、南北极冰层溶化；海平面上升；大陆腹地沙漠趋势加剧，使人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏。2.2 汽车尾气检测原理目前汽车尾气分析仪最常用的测试原理有：不分光红外线分析原理(NDIR)、电化学原理、氢火焰离子化法(FID)。根据不同的原理，就相应有不同结构的传感器，分别适合测试不同气体成分。2.2.1 用不分光红外分析(NDIR)NDIR是英文NonDispersive Infrared Analyzer的简称，是目前测定CO的最好的方法。其测量上限为100，下限可进行微量(级)分析；在一定的量程范围内，即使气体浓度有极小变化也能检测出来；当CO排放浓度较高时，尾气中干扰成分对测定值的影响可略去不计：采用连续取样系统，能观察随发动机运转条件变化而引起的排气成分的变化。NDIR还可测量HC化合物、CO2等气体。不分光红外吸收法(NDIR)的特点是，仪器结构简单、反应速度快、测量精度高、操作简便、寿命长、运行费用低，可用于分析测试CO、CO2、HC、NOx等气体的浓度。1.基本检测原理NDIR法的是建立在惰性气体不吸收红外线能量，而异原子组成的气体如汽车尾气中的CO、HC、CO2等均能吸收一定波长的红外线能量的基础上。其吸收能量的红外线波长称为特征波长，吸收强度用吸收系数反映。当红外线通过气体时，由于气体对红外线波段中特征波长红外线能量的吸收，红外线的能量将减少，其减少量与气体浓度C、气体室厚度，和吸收系数K有关，服从朗伯一比尔(LambertBeer)定律【6】，即：（2-1）式中：E0 入射红外线能量；E：出射红外线能量。汽车尾气中不同气体的特征波长和吸收系数见表2-1。表2-1不同气体的特征波长和吸收系数Table 2-1 the characteristics of different gases wavelength and absorption coefficient气体种类COCO2CH4C6H14NO特征波长（m）4.74.37.73.55.3吸收系数K8.511060907.5不分光红外分析仪，可测量CO、CO2、CH4、C6H14、NO等多种气体成分，当然测量时需在检测室内充入相应的气体。汽车排放法规中一般规定不分光红外分析仪只用于检测CO和CO2，但由于它的便携性，故也被广泛用于怠速时的HC的检测。在测定HC时，检测室内密封正己烷，其测定的结果以相当于正己烷的浓度来表示，发动机排气中有上百种HC，而这种仪器只能检测某一波长段的HC。该分析仪，对饱和烃敏感，而对非饱和烃和芳香烃不敏感，因此，其测量结果主要反映了饱和烃的含量，而不代表排气中各种烃类的总含量。故在要求高精度测量时，不分光红外分析仪不能用来测量HC【7】。2. 红外气体分析装置结构原理图 根据上述原理制成的红外气体传感器如图2-1所示。图2-1红外式气体传感器结构示意图Figure 2-1 Infrared Gas Analyzer Schematic红外线光源发出的红外线的波长在2m7m间，红外线经过取样室后，通过旋转的红外滤光片(红外滤光片分CO、CO2、HC和基准信号四个光片组成)到达热电堆产生电信号，当旋转的红外滤光片旋转一周，CO、CO2、HC和基准信号四个滤光片分别通过取样室下方一次，这样在热电堆上产生两个正半周期的正弦波形幅值在0 mV1mV。气体的浓度越高，波形幅值越小，反之越大。根据通入气体前后的幅值变化，可以得到尾气各组分含量的检测结果。2.2.2电化学法电化学法可用于测量O2、NO、SO2等。应用该方法的检测器结构小巧简单、价格低廉、易于更换，但是寿命短，因为检测器是电化学式的，属消耗性的，寿命多为两年以内。当有气体通过时会输出与气体浓度成良好线性的电压或者电流信号，通过一定的电路处理输送给显示器。下面给出氧传感器使用电化学法检测O2浓度的原型。具有对称结构，振动中偶极矩不发生变化的气体，如氧气(O2)、氮气(N2)，由于不存在红外特征波长，就不能采用不分光红外吸收法(NDIR)进行测量。汽车尾气分析用氧电化学传感器为金属气体扩散限制型，氧传感器结构由阳极电解液和阴极气体组成，在阴极氧气转化为氢氧根离子()： （2-2）在阳极氢氧根离子与金属铅(Pb)反应生成金属氧化物： （2-3）根据法拉第定律，产生的电流与氧气(O2)的反应量成正比，将电流值转换电压信号，测量后就可得到氧气的体积分数。在实际应用中由于氧传感器的电信号受气体扩散率的影响，外界压力的变化会引起氧气分压的改变，输出电压号也会随之变化。经试验其输出的电压信号与环境压力之间的关系是线性的，以在仪器气路设计时，要尽量将氧传感器安装在仪器的出气口，使该处的气体压力与环境大气的压力尽量接近以得到稳定可靠的输出结果。由于温度对氧传感器的输出具有一定的影响，氧传感器内部一般内置有温度校正电路，以消除温度变化的影响，通过温度校正，温度变化对输出信号基本不产生影响。氧传感器的设计寿命，在空气20左右时，大约为2年。正常情况时可稳定地输出9mV13mV的电压值，在仪器中应用的典型的漂移值每年低于5，即在1个大气压的空气中，输出为12mV的传感器在寿命结束时的输出信号仍大于10mV。氧传感器的寿命由与氧气接触的反应量决定，较高的温度和氧浓度会增加传感器的输出，从而缩短其有效时间。寿命接近结束时，传感器在空气中的输出信号会迅速地降为10mV。这可以作为判定氧传感器失效的标志。223其它方法氢火焰离子化法用于HC的测量，它的输出与碳原子数成良好线性关系，具有测试精度高、反应快、结构简单、易维护的优点，多用于高精度测量试验。此类仪器可以连续长时间工作，但是配套价格昂贵。目前在国内主要用于汽车与发动机的研究开发、汽车与摩托车生产一致性认证与检查。化学发光法主要用于分析测试NO、NOx等成分。它同样具有灵敏度高、反应速度快、线性度好等特点，其它则类似氢火焰离子化法。因此，各国权威机构广泛推荐的发动机排气分析的标准方法是：用氢火焰离子化法分析HC，用不分光红外吸收法分析CO、CO2，用磁压法或氧化锆法分析排放尾气中的氧，用化学发光法分析NO、NOx。国外的研究中还有利用声光检测汽车尾气的，JCihelka等人更为关注光谱的分析，给出了最适合的工作频域，MMtCulloch等人则研究使用线形调频脉冲光谱仪实时检测汽车尾气。 23尾气排放的检测方法我国的机动车控制排放采取的路线是：对汽油车先实行“怠速法”控制，再实施“强制装置法”，即对曲轴箱排放和燃油蒸发进行控制，最后实行工况法控制；对柴油车则是先实行“自由加速法”及“全负荷法一控制烟度，然后再实施工况法。国家相关法规中有如下排放检测方法【8】。231怠速法怠速法是机动车空挡静止在怠速下测试其排放尾气的各种成分，结果均是浓度值。空挡静止状态是：将发动机置于无负载运转状态，即离合器处于接合位置，变速器处于空挡位置(对于自动变速箱的车处于“停车”或“P”档位)；采用化油器供油系统的车，阻风门处于全开位置，油门踏板处于完全松开位置【9】。测量汽车怠速污染物浓度的目的是判断汽车发动机燃烧是否到达正常，从而降低油耗和排放。测量前，先将发动机的冷却水和润滑油的温度达到汽车使用说明书所规定的“热状态，并按规定进行怠速调整，然后将发动机由怠速工况加速至0.7倍额定转速下，维持60秒后降至怠速状态，再将排气分析仪的取样探头插入排气管中400mm并固定，发动机在怠速状态维持15秒后开始读数据，取30秒内的最高值和最低值，其平均值即为测量结果。怠速法是我国早期排放标准中采用的一种方法，相比于双怠速法、模拟工况法来说，检测要求并不严格，国III标准等测试规程已经不采用这类检测方法。232双怠速法双怠速法是机动车空挡静止经过高怠速、低怠速测试其排放尾气的各种成分，结果均是浓度值。双怠速法方法增加了一个高怠速检测点和空燃比(又称过量空气系数)的监测，通过对的解读，可以判断催化转化器是否在正常状态。虽然不能完全反映机动车的实际运行状况，但其操作简单、快捷和费用低廉而被广泛应用【10】。根据法规要求，双怠速测量的具体检测流程是：1高怠速测量废气：发动机从怠速状态加速至70额定转速运转30s后，用油门踏板将发动机转速稳定控制在50额定功率转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速。将取样探头插入排气管，深度等于400mm，并固定于排气管上，发动机在高怠速范围内维持15s后，由分析仪读出测量平均值。2低怠速测量：在高怠速测量结束后，切换到低怠速测量，发动机从高怠速状态降至怠速状态并在怠速状态维持15s后开始读数。3注意事项GBl82852005中规定的高怠速转速为：(2500+100)rmin【11】。233简易工况法简易工况法(ASM)是机动车在测功机上按特定低速高速工况规范模拟在道路上运行，测试其排放尾气的各种成分，各成分的分析结果是浓度或质量。简而言之，简易工况法就是利用专业设备，使汽车可在保持位置不也得前提瞎动模拟在路面实际的匀速行驶状况，并通过仪器设定，给汽车相应的加载量，模拟汽车在载重或爬坡是的状态，再检测这段时间汽车的尾气排放情况【12】。利用ASM对汽车尾气进行检测可分为两种状态，分别称为“5024”和“2540”。5024指的是对汽车按照发动机储备功率的50进行加载，速度为24kmh，检测90秒；2540指的是对汽车按照发动机储备功率的25进行加载，速度为40kmh，检测90秒。检测时如果第一种状态达标，第二种状态可免试，两种状态检测时间共为6分钟，如图2-4所示。图2-2 ASM测试流程图Figure 2-2 ASM test flow chart234瞬态排放检测在大、中型城市，导致城区大气低层的污染以机动车为首要污染源，机动车行驶也以非稳态工况为主。目前国内外均未指定瞬态排放测试法规，而是在汽油机稳态运转时通过测量排放数据对其排放状况进行评判。在国家自然科学基金项目“基于符号时间序列方法的汽油机瞬态排放特征分析”中，提出一种瞬态工况下汽车尾气排放检测的方法。汽油机瞬态排放检测技术可以分为间接测量和直接测量两种：间接测量是基于稳态势所用的排放取样技术和常规分析仪器测量瞬态排放数据。有一定的时间滞后和幅值畸变。适用于对瞬态过程的排放变化规律精度要求不太高的场合，同时又有可能提供一种较为工程化的瞬态排放间接测量手段。直接测量是基于快速排放取样技术和高采样频率的分析仪器。按照排放取样部位的不同有缸内测量和排气管测量两类。稳态工况时由于受管道流动阻力和分析仪器机理的限制，所测信号与排放参数的实际变化规律有一定的时间滞后和幅值畸变。采用计算机仿真的方法分析五组分排放分析仪的频率响应(时延)特性，结果如图2-3所示：图2-3气体组分排放分析仪频率响应（时延）特性的计算仿真图Figure 2-3 emission of gas component analyzer frequency response (delay) and calculation of its simulation diagram解决响应时间滞后问题的思路是先使用传统分析仪器测量瞬态过程的排放数据，然后采用数学方法对所测得的数据进行处理，从而获得与实际信号相近的结果。24本章小结本章主要介绍了尾气生成机理、气体分析仪表和尾气检测原理和方法的相关理论知识。第1节简述了尾气中CO、HC、CO2和NOx的生成机理。为尾气分析中对空燃比九和发动机燃烧情况的研究提供理论依据。第2节介绍了本课题所使用的尾气检测原理。重点阐述了不分光红外吸收法和电化学方法，同时介绍了国内外其它的研究方法。第3节介绍了国家法规标准下的排放检测方法，包括怠速法、双怠速法和简易工况法的测试要求和流程。最后介绍了国内研究中的瞬态排放检测方法。3尾气检测系统硬件的设计31基于虚拟仪器汽车尾气检测系统的硬件结构设计方案 图3-1 汽车尾气检测硬件系统结构图 Figure 3-1 Detection of vehicle exhaust system structure of hardware汽车尾气检测系统由上位机（PC机）和数据采集部分（包括非分光红外传感器、信号调理电路、数据采集卡）组成。由于采用了虚拟仪器技术，充分的利用上位机的硬件资源，以前需要用单片机、PLC等硬件技术实现的功能改为在上位机（PC机）上实现，可见，虚拟仪器技术的采用大大简化了硬件系统的设计。通过LabVIEW图形化的编程语言编写软件实现相应硬件的功能，不仅使整个系统的设计周期缩短而且降低了系统的开发成本。32数据采集部分的设计数据采集部分的结构如下图3-2图3-2 数据采集部分的设计Figure 3-2 Design of the data collection如图3-2所示数据采集部分主要具体有红外传感器、四个信号放大电路、四个滤波电路以及数据采集卡等部分构成。33红外气体传感器传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能仪器中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其它能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。这主要是电信号较容易地放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。传感器精度的高低影响测控系统精度、可靠性和成本的重要因素之一。在精度、可靠性满足系统要求的情况下，选择价格适宜的传感器。 本系统使用的是美国PerkinElmer公司的TPS4339 G1.2 G2.2 G5.1 G20.3 型号红外气体传感器。该传感器可同时检测CO、CO2和HC含量，使用寿命长，还提供一个基准信号Reference【13】。TPS4339红外探测器如下图3-3图3-3 TPS4339红外探测器Figure 3-3 TPS4339 detector如图3-3所示，PeskinElmer的TPS4339红外传感器是一个4通道的探测器。它是在一个TO-5封装的探测室内使用了4个热电堆，4个热电堆探测器规则的排列在TPS4339圆形外壳中心点周围，4个热电堆探测器分别拥有独立的红外窗口。每个热电堆芯片都有0.7x0.7mm2的感应区来接收红外辐射。传感器是完全封闭的，TO-5封装的金属外罩里面充满了干燥的氦气，金属外罩有四个透射窗和6个金属引脚，其驱动电源由数据采集卡+5V电源提供。TPS4339容器里面的热敏电阻能用作温度传感器和环境参考量，热敏电阻可以测量环境的温度来进行后期的处理。在每个热电堆探测器前面的入射窗口处可以安装不同的红外窄带滤光片，作为CO、CO2.、HC和参考光路的分光。由于热电堆探测器对温度的变化量敏感，因此通过对红外光源的调制来得到热电堆信号的交流变化，适合探测器的测量。 窄带滤光片参数如表3-1表3-1 红外窄带滤光片参数Table 3-1 IR narrowband filter parameters成分COCO2HC参考光路型号G1.2G2.2G5.1G20.3中心波长4.64m4.43m3.64m3.93m3.4信号调理电路信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应AD转换等环节的工作。信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。放大部分的放大器包括通用集成运算放大器、仪用放大器、程控增益放大器、隔离放大器。通用集成运算放大器是一种开环增益非常大的集成芯片，组成闭环后，其输出特性和闭环增益由外接的元器件和结构确定；仪用放大器具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数、放大倍数精确稳定、低输出阻抗等优点，因而在智能仪器的小信号放大中得到广泛应用；采用程控增益放大器，通过程序控制选择不同的增益，能使AD转换器信号满量程达到均一化，并提高多路数据采集的精度；隔离放大器起到输入、输出和电源之间的隔离，它主要有光电隔离和变压器隔离两种措施。滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止或衰减其它频率信号的电路。滤波器可由LC或RC无源元件组成，称之为无源滤波器；也可以由有源器件和LC或RC网络构成，称之为有源滤波器。按频率特性可将有源滤波器分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)和带阻(BEF)等四种。滤波器的理想特性不可能在物理上实现，然而可以用传递函数对理想特性曲线加以逼近，其逼近的程度取决于阶数n。标志滤波器性能的滤波参数有：通带增益、中心频率(或截止频率)、阻尼系数(或品质因数)和通带增益纹波【14】。本系统采用的红外传感器产生CO、CO2和HC(特别是C2H6、C3H8)信号还提供一个基准信号。这四路信号的调理电路相似，不同之处在与放大系数稍有不同，本系统仅以CO信号的调理电路为例进行分析。图3-4 正相放大器Figure 3-4 Inverting amplifier CO信号先经过正相放大3334倍(因为)，使用示波器可以测得其输出波形。如图3-5所示。图3-5 CO信号放大3334倍后的输出波形Figure 3-5 CO signal amplification 3334 times the output waveform用示波器观察输出波形，我们可以得出该波形的频率约为2Hz，电位差约为500mV，由于波形中有较多的毛刺，需要经过具有放大功能的二阶高通有源滤波电路，对信号作进一步处理。由二阶高通有源滤波电路(见图3-6)，图3-6 二阶有源高通滤波器Figure 3-6 second-order active high-pass filter可以得到传递函数为其中 0称为通带截止频率 Q称为品质因数 Auf称为放大倍数 为保证电路稳定，应满足即： 因为原波形的频率约为2Hz，所以高通滤波器的截止频率为1Hz，于是取C1=C2=0.1F，则R1=1.5M，R2=1.3M选择不同的Q值，可以使滤波器在0附件的特性逼近要求的形状，本系统取Q=1，则Auf=2，R1=10k，则Rf=10K。二阶高通滤波放大后的输出波形如图3-7所示。图3-7二阶高通滤波放大后的输出波形Figure 3-7 second-order high-pass filtering the amplified output waveform信号经过高通滤波后仍不理想，存在很多毛刺，需要作低通滤波处理。低通滤波电路如图3-8所示。图3-8二阶有源低通滤波器Figure 3-8 second-order active low-pass filter从图3-8，可以看出，电路上仅当把电阻和电容交换位置，即用电阻取代高通滤波电路中的电容，用电容取代高通滤波中电阻，高通滤波电路就转换成了低通滤波电路。所以低通滤波电路与高通滤波电路具有对偶关系。其对偶关系主要表现在频率特性上和电路结构上。其传递函数为其中 0称为通带截止频率 Auf称为放大倍数 Q其中称为品质因数为保证电路稳定，应满足即：因为原波形的频率约为2Hz，所以本文取低通滤波器的截止频率3Hz，则取C1=C2=0.1f，则R1=510K，R2=560K选择不同的Q值，可以使滤波器在0附近的特性逼近要求的形状，本系统取Q=1，则Auf =2，取R1=10k，则Rf =10k。二阶低通滤波放大后的输出波形如图3-9所示。图3-9 二阶低通滤波放大后的输出波形Figure 3-9 second-order low-pass filtering the amplified output waveform由图3-9看出，两次滤波后的波形比较理想，能够满足尾气分析的要求，但为了排除信号源内阻的影响，使信号源带负载能力增强，还需连接一个电压跟随器。虽不进行电压放大，但因输入电阻很大，输出电阻非常小，常常用于阻抗变换。电压跟随器的输出幅度及相位和输入完全相同。至此，红外传感器的信号调理电路设计完毕，较好的完成了信号的放大、滤波等功能。CO信号的调理电路如图4-10所示。图3-10 CO信号调理电路Figure 3-10 CO signal conditioning circuit3.5数据采集卡数据采集卡通常都是插卡式结构，一般采用计算机本身的PCI总线或ISA总线。其充分利用TPC机的机箱、总线、电源及软件资源，但也受PC机机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足，如电源功率不足、机箱内噪声干扰、总线面向计算机而非面向仪器、插卡尺寸较小、插槽之间无屏蔽、散热差等。尽管有种种的不足，但其构成却是最方便的，使用PC-DAQPCI插卡式虚拟仪器，只需要将DAQ卡插入PC机相应的总线扩展插槽内就可以开始使用，故已成为数据采集的主流方法。尤其是目前大多数的PC-DAQ卡除了采集的输入IO外，还有很多输出IO，采集卡内的数模转换器，将PC机输出的数字量转换位模拟量，实现对外界仪器的控制，这样更加大了PC-DAQ卡的使用性。本系统同样采用美国国家仪器公司生产的PCI-6221专用数据采集卡来完成数据采集的任务，保证数据采集高性能的要求【15】。如图3-11所示是数据采集卡的数据采集结构：图3-11 数据采集的结构Figure 3-11 Structure of Data Collection3.5.1数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字IO、计数器计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。一般由多路开关(MUX)、放大器(Amplifier)、采样保持电路(SH)以及AD来实现，通过这些部分，模拟信号就可以转化为数字信号。AD的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的AD。模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器(DAC)的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的DA可以提供一个较高频率的信号。应该根据实际需要选择的参数指标。数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括数字口路数、接收(发送)率、驱动能力等。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压，大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字接口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字。许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。3.5.2数据采集卡的安装及软件配置NI PCI-6221 AD转换器的分辨率：16位；采样率：250kSs；16位16路模拟输入；16位2路模拟输出(833kSs)；24路数字IO：2个32位80MHz的计数器定时器。PCI-6221板卡的模拟输入、模拟输出范围有两个10V和5V。【16】数据采集卡的安装：(1)在安装板卡之前首先安装NI- DAQ的驱动程序软件。驱动程序为LabVIEW提供了与DAQ器件和信号调理硬件之间的高级接口。(2)NI- DAQ驱动软件正确安装后，请关闭计算机，插入数据采集板卡，启动计算机，即可自动找到板卡并安装好，完成整个安装过程。一般说来，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集卡硬件打交道。NI公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件MeasurementAutomationExplorer，它可以配置NI公司的软件和硬件。3.5.3信号类型及测量方式根据信号的参考情况，一个电压源可以分为两类：接地信号、浮地信号。接地信号：接地信号是信号的端直接接地的电压信号。它的参考点是系统地(例如大地或建筑物的地)。最常见的接地信号源是通过墙上的电源插座接入建筑物地的设备，例如信号发生器和电源供电设备等【17】。浮地信号：一个不与任何地(如大地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮地信号。一些常见的浮地信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器等设备。如果使用DAQ板做信号源，它输出的也是浮动信号。按信号连接方式不同可分为三种测量方式：差分(DIFF)；参考单端(RSE)；非参考单端(NRSE)。按测量方式分类可以分为以下两大类测试系统：1)差分测试系统(DIFF)：在差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道，所有输入信号各自有自己的参考点。通常差分系统是一个比较理想的测试系统，可避免接地回路干扰，也可避免因环境引起的共模干扰。当输入信号有以下情况时，使用差分测试系统：低电平信号(例如小于lV)；信号电缆比较长或没有屏蔽，环境噪声较大；任何一个输入信号要求单独的参考点。2)单端测试系统：尽管差分测试系统是一种比较理想的选择，但是单端测试系统可以使用两倍的测试通道。单端测试系统所有信号都参考一个公共参考点，即仪器放大器的负极。当输入信号符合以下条件时可以使用单端测试系统：高电平信号(通常大于1V)；距离比较短(通常小于5米)或电缆的屏蔽性能较好，环境无噪声；所有信号可以共享一个公共参考点。单端测试系统分为参考单端测试系统和非参考单端测试系统。A参考单端(RSE)参考单端测试系统用于测试浮地信号，它把信号参考点与仪器模拟输入地连接起来。B非参考单端(NRSE)可避免接地回路干扰。非参考单端测试系统用于测试接地信号。与参考单端测试系统不同的是因为所有输入信号都已经接地了，所以信号参考点不需要再接地。本系统中的传感器信号是不与任何地(如大地或建筑物的地)连接的信号，即浮地信号。而且传感器的信号经过调理放大大于1V，所有的信号可以共享一个公共参考点，所以本系统采用参考地单端连接方式，将信号参考点与仪器的模拟输入地连接起来。针对上述信号的接线方式如图3-12所示图3-12 参考地单端接线方式Figure 3-12 refer to single-ended wiring信号通过CB-68接线端子和SHC68-68-EPM高性能屏蔽电缆送入数据采集卡。接线端子和电缆如图3-13所示。PCI-6221采集卡的引脚定义如图3-14所示图3-13 电缆和接线端子Figure 3-13 cables and terminals图3-14 PCI-6221采集卡的引脚 Figure 3-14 PCI-6221 acquisition board pin36本章小结本章主要是对红外检测系统的硬件结构进行了设计，检测系统主要由红外传感器、信号调理电路和数据采集卡几部分组成。根据传感器的输出特性设计了信号调理电路。最后介绍了所采用数据采集卡。系统机构设计完成后就是系统软件的设计了，下面的章节将详细介绍汽车尾气检测系统软件的设计。4 基于虚拟仪器的汽车尾气检测系统的软件设计程序员开发应用软件，每天的目标是在各种情况下提高效率和生产率。LabVIEW，作为一种编程语言是一个强有力的工具，可以被用来实现这些目的。LabVIEW（实验室虚拟仪器工程工作台），是一种由美国国家仪器公司开发的图形化编程语言。它的图形特性使它非常适合测试与测量（TM），自动化，仪器控制，数据采集，数据分析应用。这导致LabVIEW的编程效率超越传统编程语言。美国国家仪器主要产品定位于测试与测量（TM），这使他们很好的洞察到了LabVIEW的发展。本章主要是介绍基于虚拟仪器技术的软件系统软件设计，软件的实现是在LabVIEW的软件平台上实现的【18】。4.1虚拟仪器技术概述虚拟仪器是一种高效用于构建数据采集与监测系统图形