（检测技术与自动化装置专业论文）机动车尾气检测仪紫外差分算法研究与软件设计.pdf

摘要 随着机动车保有量的增加，机动车尾气己经成为空气污染的重要来源，尾气排放所 造成的环境问题日益严重。因此，要从污染的源头抓起，加强对机动车尾气的检测和控 制。新的国家标准的出台，对于机动车尾气排放污染物的限制更加严格。稳定、精确的 尾气检测分析系统的需求就显得非常迫切。本设计将紫外差分吸收光谱( d o a s ) 技术引 入汽车尾气检测系统中，用来测量尾气中污染气体n o x 和s 0 2 的浓度，从而为机动车 尾气的排放污染物控制提供了有力的保障，以达到减少环境污染和保护生态环境的目 的。 本文从机动车尾气的种类和危害着手，结合我国机动车尾气检测标准，分析了s 0 2 和n o x 常用检测方法，提出应用d o a s 技术实现机动车尾气多组分、在线检测。对d o a s 的测量原理及检测仪器系统的结构和差分光路进行了详细的分析研究。应用 l a b v i e w 8 2 图形化开发环境设计了机动车尾气紫外检测系统软件，实现了光谱数据的 采集、处理、显示、保存等功能。在d o a s 技术数据处理算法中，研究了多元线性回归 模型和最小二乘法拟合的应用，并通过标准气体实验证明了该系统对气体浓度测量的准 确性和稳定性，具备了实际应用的能力。 理论分析及实验结果展示了d o a s 具有广泛的应用前景，本文的研究结果为该方法 用于机动车尾气检测提供了理论和实验基础，为改变或部分改变目前机动车尾气检测的 落后现状提供了技术支持。 关键词：尾气检测差分吸收光谱数据处理最小二乘法 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h en u m b e ro fv e h i c l e ，t h ev e h i c l ee x h a u s th a sb e c o m em a i n s o u r c eo fa i rp o l l u t i o nw h i c ha l s om a k e se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nm o r eb a d l y w em u s tg r a s p t h es o u r c ea n dr i g o r o u s l yi no r d e rt om e a s u r ea n dc o n t r o lv e h i c l ee x h a u s t a st h en e w n a t i o n a l s t a n d a r dh a ss t a r t e d t h em e a s u r i n gl i m i ti sm o r es e r i o u s l y w 色s h o u l dm e a s u r ea n dc o n t r o lt h e v e h i c l ee x h a u s tb ys t a b l ea n da c c u r a t eg a sa n a l y t i c a lm e a s u r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , a m e t h o db a s e do nd i f f e r e n t i a lo p t i c a la b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ( d o a s ) t e c h n i q u e i sd e v e l o p c d f o rv e h i c l ee x h a u s tm e a s u r i n g i tc a np r o v i d ef o r c e f u lg u a r a n t e e f o rv e h i c l ee x h a u s t c o n t a m i n a t i o nc o n t r o lt og a i nt h ee n d so fp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o r ta n dh a r mo fv e h i d ee x h a u s tp o l l u t a t i o n ，c o m b i n i n gw i t h t h e “g a sp u l l u a t i o nd e t e c t i n gm e t h o d so ft h en a t i o n ，a n dm a k ead e t a i la n a l y s i st os 0 2 a n d n o xm e a s u r i n gm e t h o d s t h e nw ep u tf o r w a r dd o a st e c h n i q u ew h i c h c a l lr e a l i z e m u l t i c o m p o n e n t a n do n 1 i n ed e t e c t i n go fv e h i c l ee x h a u s tp u l l u a t i o n t h ef u n d a m e n t a l st h e o r y a n dt h ec o n f i g u r a t i o ni n s t r u m e n to fd o a sa sw e l la sd i f f e r e n t i a lo p t i c a lp a t ha r ed i s c u s s e d w ed e s i g nt h ev e h i c l ee x h a u s tm e a s u r i n gs o f t w a r ew i t hl a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ( l a b v i e w ) ，w h i c hr e a l i z e st h es p e c t r u mc o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g , d i s p l a ya n ds a v e i nt h ed o a sd a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，w er e s e a r c ho n t h em u l t i p l el i n e a r r e g r e s s i o nm o d e la n dt h el e a s t - s q u a r em e t h o da n dm a k eas t a n d a r dg a se x p e r i m e n ti n d i c a t e d t h a tt h es y s t e mc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so ft h eo n l i n em e a s u r i n gf o rv e h i c l ee x h a u s tw i t ha p r o p e rm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n ds t a b i l i t y i ti ss h o w ni nt h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t st h a tt h ed o a sh a sw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t s t h es t u d y i n go ft h i sp a p e rp r o v i d e st h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lb a s e so ft h e d o a sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nv e h i c l ee x h a u s tm e a s u r i n g , a n dp r o v i d e st h et e c h n i c a ls u p p o r t t oi m p r o v ev e h i c l ee x h a u s tm e a s u r i n gl e v e l k e yw o r d s ：e x h a u s td e t e c t i n g ，d o a s ，d a t ap r o c e s s i n g ，l e a s t 。s q u a r em e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天盗理工大至或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弘i 豪珐 签字日期： 矽罗年 月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗堡墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纠、永跌 导师签名： 积叶 签字日期：砌9 年月 占日签字日期：弘矽多年月彤日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 科学技术以前所未有的速度和规模迅猛发展，给人类社会带来空前的繁荣。然而这 种繁荣的背后常常伴随的是生态环境的破坏，对人类的生存环境造成了严重威胁。保护 环境日益成为可持续发展的重要环节。 目前全世界的汽车总保有量已超过9 亿辆，平均每七人拥有一辆汽车。世界汽车总 保有量1 3 的由美国占有，接近每人一辆汽车。欧洲也约占1 3 的世界汽车的总量，平 均每两人一辆汽车。日本汽车的保有量约为7 0 0 0 多万辆，大约也是每两人一辆汽车。 截止到2 0 0 8 年9 月底，我国机动车保有量为1 6 8 0 3 万辆。科学分析发现，汽车尾气中 有水蒸气、0 2 、h 2 、n 2 、c 0 2 、c o 、h c 化合物、n o x 、s 0 2 、微粒物质等l ，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n o x 、s 0 2 、c 0 2 、c o 、h c 化合 物和微粒物质等。汽车是一个流动污染源，到处排放污染气体。据统计，一辆轿车一年 排出尾气比自身重量大3 倍。 随着世界机动车保有量的迅速增加，发动机排放污染物已成为大气污染的重要来源 f 2 1 。据资料显示，排放尾气中包含s 0 2 和n 0 2 经降雨溶解形成酸雨，会导致土地酸化影 响植被；废气中的n o x 和非饱和h c 在阳光和共同作用下经化学反应形成臭氧的同时， 还产生对人体有直接危害的有毒物质。“伦敦烟雾”、“洛杉矶烟雾”正是机动车排气污 染严重后果的体现。机动车排放的尾气，破坏生态环境，污染河流湖泊，威胁人类动物 的生存，已经成为大气污染的一个重要源头，已经发展为严重的社会问题。 在环境意识高涨的今天，控制废气污染被提到了相当重要的位置。治理汽车尾气必 须采取的措施有：政府制定相应的法规和政策；厂家积极采用先进技术；使用环节中的 保养和监督。这些措施的实施使汽车尾气排放得到一定程度的控制。上个世纪6 0 年代 后期起，世界各国纷纷开始重视对汽车发动机排放的限制。目前，国际上较为通行的排 放标准有欧洲i 、i i 、i i i 、号标准。我国的排放标准主要借鉴的是欧洲标准体系，目前， 在汽车行业和摩托车行业币在大力推行欧洲号标准，北京市2 0 0 8 年1 月1 同起对新增 机动车实施“国家第四阶段机动车污染物排放标准”( 相当于欧洲号标准) 。 1 2 研究的目的和意义 要搞好汽车排放污染物的监控与防治，首先必须做好检测工作。用尾气分析仪测定 排气污染物的浓度，主要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【3 1 。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 第一章绪论 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。目前国内整 套“机动车尾气排放检测系统”主要依靠从国外进口，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。“机动车尾气仪紫外差分算法研究与软件设计” 的研究课题正是在此背景下产生的。本课题利用紫外差分技术检测机动车尾气中n o x 和s 0 2 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，减少环境污染和 保护生态环境。 1 3 国内外机动车尾气检测发展现状 工业发达国家的机动车检测在管理上已经实现了制度化，在检测基础技术方面已实 现了标准化，工业发达国家的机动车检测有一整套的标准。国外比较重视安全性能和排 放性能的检测，在检测管理方面，发达国家研究和执行i m 制度起步较早，实施也很严 格，己经建立比较完整的机动车定期检n 维修制度，并在该制度的执行过程中积累了丰 富的实践经验。在检测方法方面，发达国家发展了道边尾气污染物遥测、o b d 在线诊 断等实时检测技术，加强了在用车运行过程中的检测能力，这些新兴的检测方法更能真 实地反应机动车的实际排放水平，能帮助检测部门更迅速地发现高污染车辆，及时对这 些重点污染源进行处理。在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展。随着电子技 术、计算机技术的发展，出现了机动车检测诊断、控制自动化、数据采集处理自动化、 检测结果直接打印等多功能的综合性检测技术和设备。进入8 0 年代后，计算机技术在 机动车检测技术领域的应用进一步向深度和广度发展，机动车检测线已实现了全面自动 化。 对于机动车排放检测，随着欧洲体系标准即i 、i i 、i i i 、号标准以及美国加州排 放标准的出台，各国逐步加大了对尾气排放的限制。世界各国的排放法规不断加严，国 外的机动车尾气检测朝着高标准方向发展。在检测方法上，各国也略有不同，从最初的 怠速法、双怠速法到工况法，而且，对试验规范的要求也日益严格。 我国从1 9 8 1 年开始制定机动车排放标准，并于1 9 8 3 年发布了国家机动车排放标准。 此后颁布了一次比一次更加严格的新国家标准，目的就是为了控制大气污染，保护环境。 我国与世界各国一样对机动车排放作了严格的限制，而且控制指标正逐步与国际先进指 标接近【4 】。随着机动车排放限值的日益严格，检测机动车排放的技术水平也不断向前发 展，从而利用正确的检测方法，能准确地反映出车辆的实际排放效果。 在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指导下， 为了控制机动车污染物排放，改善环境空气质量，于2 0 0 5 年3 月2 日批准了点燃式 发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法( 双怠速法及简易工况法) 等标准，自2 0 0 5 年7 月1 日起实施，该标准规定了点燃式发动机汽车怠速和高怠速工况下排气污染物排 放限值及测量方法。2 0 0 5 年4 月1 5 日发布了轻型汽车污染物排放限值及测量方法 第一章绪论 ( 中国i 、阶段) ，该标准中规定的排放限值如表1 1 所示。北京市2 0 0 8 年1 月1 日 起对新增机动车实施“国家第四阶段机动车污染物排放标准”( 相当于欧洲号标准) 。 2 0 0 8 年4 月2 日发布了重型车用汽油发动机与汽车排放污染物排放限值及测量方法 ( 中国i i i 、阶段) ，将在2 0 0 9 年7 月1 日起实施，表1 2 是重型汽车在各种状态下 的排放限值【5 】【6 】。 表1 1 轻型汽车排气污染物排放限值 阶段 氮氢化物质量( n o x ) g ( k w h ) 】 1 1 10 9 8 i v0 7 5 表1 2 重型汽车排气污染物排放限值 限值( g k m ) 基准质量( k m ) 阶段类别级别氮氢化物( n o x ) ( k g ) 汽油柴油 第一类车全部 o 1 5o 5 0 ir m 1 0 3 5 0 1 50 5 0 i i l 第二类车 i i1 0 3 5 i u 垤1 7 6 0o 1 80 6 5 i i i 1 7 6 0 r m o 2 l0 7 8 第一类车 全部0 0 8o 2 5 ir m 1 0 3 50 0 8o 2 5 i v 第二类车 i i1 0 3 5 ”时，产生米散射。它只有一部分吸收过程，但是与瑞利散射的处理一样，在实际 应用中也被作为吸收过程对待。它的消光系数由式( 2 - 1 4 ) 表示： ( 名) = 。旯叫 ( 2 1 4 ) 第二章差分吸收光谱技术基本原理 3 、大气中存在的其它分子的吸收。大气中存在的其它物质对光也产生吸收，设第i 种物质的吸收截面和浓度分别由q 和c f 表示。这样，当考虑瑞利散射、米散射和其他分 了吸收时( 2 15 ) 式扩展为： 凇) 引见) 唧h 军( q ( 砒) + 确) + ( 兄) 舭旯) ( 2 - 1 5 ) 式中，a 表示系统的传输函数( 光学系统的传输与波长有关) 。这个公式被称为修j 下 后的l a m b e r t b e e r 吸收定律。光谱探测技术应用该定律，测量沿光程上空气中痕量气体 的平均浓度。 2 4 差分光学吸收光谱技术( d o a s ) 4 l 4 2 1 一个原始的、开放的大气吸收光谱不仅包含了分子吸收也包含了其他的消光过程原 理上，这些阻碍了应用l a m b e n t b e e r 定律测量空气污染物的浓度，但数学上的处理可将 包含在大气吸收光谱中由于分子吸收引起的光谱变化分离出来。光程上由r a y l e i g h 散射 和m i e 散射等引起的光学厚度的变化随着波长缓慢变化，由分子吸收特性引起的光学厚 度的变化随波长快速变化。为此将散射引起的光谱变化称为“宽带”光谱( 低频) ，将分子 吸收引起的光谱变化称为“窄带”光谱( 高频) 。数学上使用一个高通滤波器将随波长快速 变化的“窄带”光谱分离出来，被分离出来的分子吸收光谱用参考光谱进行拟合，能够计 算出存在于被测大气中的光吸收物质的浓度。这就是差分吸收光谱法的基本思想。 首先，将吸收截面q ( z ) 分成两项： q ( 旯) = q 。( 力) + 叫( a ) 等式右边第一项q 。( 五) 表示随波长变化缓慢变化的吸收截面“宽带”光谱部分， 项一( 五) 即差分吸收截面，表示随波长变化快速变化的吸收截面“窄带”光谱部分， 2 3 所示。 s 0 2 吸收截面 图2 3 吸收截面与差分吸收截面 ( 2 - 1 6 ) 第二 如图 第二章差分吸收光谱技术基本原理 消光系数( r a y l e i g h 和m i e 散射) 以及系统的传输函数a 也都表现为随波长变化而慢 速变化。定义变量厶( 五) 表示不包含差分吸收时的光强： ( 允) ：厶( 名) e x p | 一三( q 。( 五) c f ) + 靠( 五) + ( 力) 彳( 五) ( 2 - 1 7 ) l i j 它包含光谱强度慢速变化部分，即消光、大气紊乱、气体的“宽带”吸收结构以及系 统传输函数引起的光强变化。 此时，定义d 为差分光学厚度，d ( 五) 表示差分吸收光谱： 荆地隅m 军柳旬 倍 差分吸收截面一( 兄) 可由吸收截面计算得到，l 已知，式( 2 18 ) 求解吸收气体浓度q 关键在于获得差分光学厚度d ，即得到厶( 名) 和i ( z ) 。其中，( 允) 是测量得到的采样光 谱厶( 五1 则可通过拟合，( 五) 的慢变化得到。 从原理可知，这个处理过程只适用于具有适当的窄带吸收结构的痕量气体，当一种 气体在很长的波长范围内有连续吸收时，这种方法可能将其作为慢变化除掉。另一方面， 该方法对消光过程不敏感，因此能够有效地克服瑞利散射、米散射及其它造成的光强减 弱的影响。 2 5d o a s 适用测量波段分析 由于痕量气体浓度低，意味着痕量气体的吸收光谱法需要测量较小的吸收，因此通 常要求光程要有一定的长度。对于开放尾气遥感测量，衰减的影响限制了尾气测量可利 用的波长区间。 目前的d o a s 系统大都选择( 2 0 0 - - 4 6 0 ) n m 的紫外和近可见光区域内。在短波区域， 可用光谱范围受到快速增加的瑞利散射和氧吸收的影响。而在紫外可见光谱区，虽 然只有有限数量的气体有吸收，与近红外区相比还是有很强的实际优势的。在该区域， 可以使用具有连续光谱的强光源和灵敏的光电探测器。此外，因为只有一小部分大气的 主要气体组分在( 2 0 0 - - - 4 6 0 ) n m 范围内被吸收，所以对分光光度计的分辨率要求也不像红 外光谱法那样高。 图2 - 4 给出了部分痕量气体在( 2 0 0 , - - 4 6 0 ) n m 光谱范围内的吸收截面。一般情况下， 几乎在所有光谱段都会出现几种气体成分同时存在吸收的情况。只有n 0 2 气体除外，因 为只有它在( 4 0 0 - - 5 0 0 ) n m 的光谱区域内有吸收。同时测量多种气体浓度的方法就是选择 一个各种气体都有吸收的光谱段进行测量。 第二章差分吸收光谱技术基本原理 l 一 i、，| 一 嗍叫，、 z i 0 2 。 i 、夕锈 零0 2 瓣一 ，一 酊 、 o 鼍 i 一 静一 4 1 1 p _ 一一 罄一 n a 髓一 l 2 1 5 日湖3 ；m4 0 04 s g蝴 波长肭 图2 _ 4 部分气体在紫外可见光谱区的吸收截面 使用d o a s 仪器进行测量时，为了确保最大灵敏度，选择测量的最佳波长区间p 】 也是非常重要的，它遵循以下原则： 1 、被测吸收物质在所选波长区间具有最大差分吸收截面。 2 、在所选波长区间具有最小的大气衰减，这可以降低探测极限。 3 、在所选波长区间来自于其他物质吸收的影响最小。 4 、在所选波长区间光源没有明显的辐射线，即光源的变化是连续的。 s 0 2 在( 1 9 5 - - - 2 3 0 ) n m 和( 2 8 0 n m - - - 3 1 5 ) n m 波段具有明显的峰谷结构。但考虑到污染 气体n o ，n 0 2 在( 2 0 0 - - 2 2 0 ) n m 的影响，一般选择( 2 8 0 - - - - 3 1 5 ) n m 区间来测量s 0 2 的浓度。 s 0 2 在这一波段每个吸收带间距平均为2 n m 左右，s 0 2 的这一吸收光谱特征较适合于差 分吸收原理。s 0 2 在3 0 0 n m 附近的吸收截面值已接近1 0 。1 8 m 2 m o l e c u l e ，且光源在此波段 也比较平滑，满足了上述原则的所有条件，所以一般选择( 2 8 0 - - - 3 2 0 ) n n q 区间来测量8 0 2 的浓度。 由于s 0 2 ，n o ，n 0 2 在( 2 0 0 - - - 2 3 0 ) n n l 波段内都有吸收，要在这个波段同时测量三 种污染气体的浓度是非常难的。由于n o 只在这个区间有明显的吸收，故为了测量n o 的浓度就不得不选这个区间了。对于n 0 2 的吸收波段，从紫外2 0 0 n m 直到整个可见波 段，并具有明显的峰谷结构。其中在波长为( 4 0 0 n m - - - - - 5 0 0 ) a m 波段n 0 2 的吸收截面峰谷 值之差也比较明显，所以选择这一波段作为n 0 2 的最佳吸收区间。 由于污染气体是在不同的波段下测量其浓度，故称之为分波段测量法。这种方法可 第二章差分吸收光谱技术基本原理 以充分利用污染气体本身的特征，同时也可以避免其它气体的干扰，使得测量的结果比 较接近实际值，所以应用前景是比较好的。但由于这种方法要求光源的工作范围比较大， 使光源的成本上升，表2 1 列出了利用d o a s 测量几种气体污染物浓度时常选择的波长 区间。 表2 1 测量几种气体污染物的最佳波长区间 化学式名称 波长区间( n m ) s 0 2 二二氧化硫2 8 0 3 2 0 n o 一氧化氮 2 0 0 2 3 0 n 0 2二氧化氮 4 0 0 4 5 0 由上述的分析可知，痕量气体的连续吸收有可能被差分吸收过程所忽视，因此，这 个技术只适用于具有窄带吸收结构的气体，从而限制了可测气体种类。大气中以及污染 控制中许多感兴趣的物质，由于它的吸收太弱，而不能被探测到。许多种物质，比如烷 烃，c o 气体，由于在紫外可见区间没有吸收，从而不能被这种方法测量。因此这 种方法不如应用红外区间的f t i r ( 傅立叶变化光谱技术) 和t d l a s ( 可调谐半导体激 光吸收光谱) 那样可测气体种类多。 另外，这个技术可同时测量多种气体，但是由于不同气体的最佳光程不同，不同的 气体监测需要安装不同的光程和接收装置，也是相当麻烦的。 2 6d o a s 典型结构 近年来，国外基于差分吸收光谱法而开发研究的污染源连续在线监测仪器已经投入 使用，并取得了良好的效果，其中典型的产品有：瑞典o p s i s 公司和美国热电子公司的 测量系统。这些监测仪器基本结构和测量原理，如图2 5 【2 7 1 所示。 第二章差分吸收光谱技术基本原理 图2 5 典型d o a s 仪器结构图 d o a s 系统主要包括：光源发射器、接收器、光纤、光谱仪和计算机等。测量系统 的基本工作原理如下：发射器中的紫外光源发射具有固定光谱的紫外光由m i 准直后， 射入空气中，经过一定距离后，被反射棱镜m 2 反射回来；接收望远镜m 3 接收反射回 来的带有吸收结构信息的光束，将光线会聚到光纤的入射镜面；光通过光纤，被传递到 光栅光谱仪的入射狭缝上；经光谱仪分光色散，使光束按波长大小排列成一条光谱，发 射到出射狭缝；由光探测器接收光谱仪的出射光谱，将其转化为电信号；最后经处理电 路放大滤波，a d 转换，输入计算机做数值处理，得出所求的气体的浓度值。 2 6 1 测试光路 除了图2 5 所示的结构外，还有另外两种光路结构方案，如图2 - 6 、2 - 7 所示。几种 结构各有特点： 图2 5 所示的这种光路是收发同置的方式，即发射和接收在同一端，另外一端是采 用反射镜把发射光反射回发射端。这样，在实际应用中，我们就可以在一端使用一套服 务设备为发射和接收服务。这种方式仍然将发射和接收分开在两套装置里，所占的体积 大。 图2 - 6 采取开放式光路，一端是发射端，一端为接收端，即收发分置的方式。采用 这样的方式，结构简单，让人一目了然。这种方式的缺点是在实际应用中，采用分置方 式就需要在两端都要有同样的设备为之服务，如恒温装置、电源等，造成一种资源浪费。 第二章差分吸收光谱技术基本原理 图2 - 6 收发分置的光路图 图2 7 所示的光路仍然是收发同置的方式，只是采用了c a s s e g r a i n 望远镜系统【2 6 1 ， 把发射和接收安放到同一个装置里，使得整个装置结构紧凑，体积小。缺点是调试有些 复杂。 2 6 2 差分光路设计 图2 7 采用c a s s e g r a i n 望远镜系统的收发同置的光路图 紫外差分吸收光谱法检测气体是基于l a m b e r t b e e r 定律的。光源发出强度为厶的 光，经过一段距离的传输之后，选择适当的紫外波段某些气体分子对其吸收，在接收端 测量得到的强度为，和厶之间的关系由式( 2 7 ) 决定。 可以用探测器来探测光强的大小变化。这是一种最简单的光谱吸收检测方法。光源 发出的光经过气室后，被光探测器接收并转变为电信号，该信号被放大器放大后由微处 理器处理并连接到计算机显示。当气室中无待测气体时，通过气室的光经探测器测得其 光强为厶，当待测气体充入气室并达到一定浓度c 后，此气体对光源发出的光有较强的 第二章差分吸收光谱技术基本原理 吸收，这时通过气室的光测得其光强为，于是，和厶的差值，便可以检测气体及浓度。 这种方法简单、易做。但是系统光路中，光源的不稳定，环境( 振动和温度) 的影响， 电路中元器件的漂移都会不同程度的降低系统的检测灵敏度理显示。 差分吸收检测光路可以有效消除由光源、光纤的不稳定和变化所引起的检测误差， 提高检测的灵敏度。光源发出的光束被分成两路信息，一路是带有被测气体吸收后的信 息：另一路是带有未经被测气体吸收的信息，称参考信息。光源的不稳定以及光电器件的 零漂，温漂对两路信息的影响相同，故信号信息与参考信息的商将只是气体浓度的函数， 从而消除了光源的不稳定以及光电器件零漂的影响。 图2 8 差分光路设计的光路图，此光路图相比直接检测光路最大的不同点是添加了 参比光线，光纤传输的不仅仅是检测光线。如图2 8 所示，光路被平分为两部分，上半 部分的平行光没有经过待测气体的吸收经过石英玻璃的反射直接进入光纤，下半部分是 经过待测气体的吸收经过凸透镜的会聚作用进入光纤。图2 8 中平面镜和半透镜与水平 线的夹角为4 5 。平面镜的主要作用只是将参比光线反射回去，夹角选择4 5 。可以使 紫外光发生全反射而减少了因发生折射光强的损失。在设计过程中要保证参比光线和检 测光线的光程一致，我在设计时安装了半透镜。我们知道半透镜是一种特殊的镜子，一 半可以透过光，而另一半反射光。一般是镀了分光膜，允许有的波长的光透过，有的波 长的光反射，选择了一种可以让紫外光透过的半透镜。在图2 8 中，检测光线经过待测 气体的吸收后经凸透镜的汇聚作用进入探头传输，从而为检测带来现实依据。 图2 - 8 差分光路图 增加参比光线的好处是：为了提高对所采集的数据进行处理的准确性，需要一个参 照点来判断情况的变化，而这个参照点不可能是一成不变的，比如紫外光的光强会随着 环境的改变而有所变化，我们就不能始终拿以前的紫外光的光强数据来作为判定标准， 要定期地对紫外光进行测试。我们知道检测仪在初装时都会对紫外线进行检测，由于工 作环境恶劣需要对探头定期清洗，清洗完也要做一次检测，还有对仪器的例行维护后做 一次检测以确保产品的安全使用。 第二章差分吸收光谱技术基本原理 2 6 3d o a s 系统常用的探测器 差分吸收光谱技术所需要的光探测器可有多种选择，各有优缺点。从资料文献中， 我们可以找到不同的光探测器在d o a s 中的应用。下面就目前应用在d o a s 中的几种 光探测器做一下介绍。 1 光电倍增管( p m t ) 是灵敏度极高，响应速度很快的光探测器。光子在光电阴极 上转换为电子，然后在真空中加速，通过电子倍增极，最后通过信号阳极输出。在紫外、 可见、红外光检测时所使用的光传感器中，p m t 具有突出的高灵敏度和低噪音，同时 还具有响应速度快，感光面积大等特点。p m t 主要分为侧窗型和端窗型两种。 2 硅光电二极管阵列( p d a ) 是在硅光电二极管基础上出现的。对于自扫描光电二 极管阵列来讲，驱动电路简单，比较高的蓝光和紫外光响应，像素阵列形状灵活。 3 电荷耦合器件( c c d ) 是一种成像光电器件，以电荷包的形式贮存和传送信息。 c c d 光电成像器件既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出功能， 能把空间分布的光学信号转换成按时间分布的离散的电信号【4 3 】。由上面简单的介绍，我 们粗略的了解了它们的工作原理。这几种器件，在d o a s 应用中各有优缺点。光电倍增 管高灵敏度是它的最大优点。缺点也很突出，光子效率比较低( 5 0 o - - 1 0 ) ，体积大；它 不是半导体光敏器件，必须依靠机械扫描装置才能获得一段光谱数据。光电二极管阵列 的弱处在于它的读出噪声对有用信号的强烈影响；另外，光电二极管阵列存在象素点间 的个体差异这个原理性的缺点。c c d 器件和光电二极管阵列同样可以同时获得整个谱 段的光谱信息，不需要机械扫描装置；c c d 工作电压和功耗很低。c c d 和光电二极管 阵列一样存在象元的个体差异。 2 7 本章小结 差分吸收光谱法的基本思想就是将r a y l e i g h 散射和m i e 散射等引起的光学厚度的变 化随着波长缓慢变化的称为“宽带”光谱( 低频部分) ，而由分子吸收特性引起的光学厚度 的变化随波长快速变化称为“窄带”光谱( 高频部分) 。数学上使用一个高通滤波器将随波 长快速变化的“窄带”光谱分离出来，被分离出来的分子吸收光谱用参考光谱进行拟合， 从而计算出存在于被测大气中的光吸收物质的浓度。 本章首先介绍了气体分子吸收光谱的形成机理，电磁波波长或频率的大小就决定了 分子产生何种吸收光谱，吸收光谱包括转动光谱，振动光谱，电子光谱。根据实际情况 以光学吸收光谱法的测量原理为基础，通过分析大气中如瑞利散射、米散射等消光因素， 推导出包含了各种因素的修正后的l a m b e r t b e e r 定律。将该定律应用于测量中，明确了 需要测量的物理量及基本的运算关系。 然后综合考虑差分光学吸收光谱法的基本原理和待测污染气体的吸收峰的分布，得 出仪器可利用的最佳波长区间。 最后介绍了差分吸收光谱技术的典型结构、测量光路与探测器等。目前差分吸收光 谱技术应用的测量光路有三种，具体分为收发分置与收发同置两类。一般的来讲，收发 第二章差分吸收光谱技术基本原理 分置方案实验简单装置，便于操作，收发同置的则调试较为复杂。并在此基础上设计了 差分光路。除了光路有差异外，光探测器也有各种选择。p m t ，p d a ，c c d 器件等均 在差分吸收光谱技术中得到了应用。虽然存在机械扫描装置，但p m t 仍以其极高的灵 敏度在该技术中占有一席之地。p d a 依靠其阵列式的光谱获取，省去了机械扫描装置， 使自己逐渐在光谱技术中占到了主导地位。c c d 器件则以其综合前两者的优势也在这 项技术中得到了应用。 第三章d o a s 检测系统软件设计与实现 第三章d o a s 检测系统软件设计与实现 3 1l a b v i e w 图形化开发环境 3 1 1l a b v i e w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是实验室虚拟仪器 集成开发平台的简称，它已是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一，它是主 要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统等领域的 专用软件开发平台【4 4 j 。 l a b v i e w 的最大特色是采用图形化编程语言g 语言( g r a p hp r o g r a m m i n g ) ，它与c ， p a s c a l ，b a s i c 等传统语言有着相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序 调试工具，以及模块化的编程特点。但二者最大的区别在于；传统编程语言用文本语言 编程，程序的执行依赖于文本所描述的指令；而l a b v i e w 使用图形语言( 即：各种图 标、图形符号、连线等) 以框图的形式编写程序。用l a b v i e w 编程无需具有太多编程 经验，因为l a b v i e w 使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种按钮、开关、 波形图等，界面非常直观形象，因此，l a b v i e w 对于没有丰富编程经验的测试工程师 们来说无疑是个极好的选择。 l a b v i e w 语言具有丰富的扩展函数库，集成了大量的生成图形界面的模板，如各 种表头、旋钮、开关、l e d 指示灯、图表等，界面直观、形象，相对于传统的编程方式 而言，它简单易学而且执行效率高。与传统的编程方式相比，使用l a b v i e w 设计的虚 拟仪器，可以提高效率4 1 0 倍。 3 1 2l a b v i e w 的优点4 目 l a b v i e w 从被推出到现在，2 0 多年的实践证明l a b v i e w 确实是一个使用方便却 又功能非常强大的开发平台，l a b v i e w 具有以下优点： 1 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了大量仪器面板中的控制 对象，即使没有多少编程经验，仍可以很方便的使用l a b v i e w 。 2 先进的a c t i v e x 技术融合了简单的拖放编程方法，仪器控制和数据采集变得非常 简单，使用户非常容易地开发自己的系统，并将其立即投入使用。 3 l a b v i e w 完整地集成了与g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 和内插式数据采集卡等 硬件的通讯，而且，l a b v i e w 使得它们的驱动程序具有模块化，可以重复使用，最大 限度地减少软件开发的工作量。 4 l a b v i e w 拥有丰富的分析模块，可以满足用户从统计过程控制到数字信号处理 ( d s p ) 等方面的要求。 第三章d o a s 检测系统软件设计与实现 5 l a b v i e w 也拥有大量n i 公司或第三方公司提供的、非常实用的支持软件，如， a p p l i c a t i o nb u i l d e r ( 用于产生可执行文件) 、s q lt o o l k i t ( 用于将l a b v i e w 程序与本地 或远程数据库相连) 等，这些特性为l a b v i e w 环境下应用程序的开发提供了方便。 6 使用l a b v i e w 开发环境，用户可以创建3 2 位的编译速度，从而为常规的数据采 集、测试等任务提供了更快的执行速度。 7 l a b v i e w 提供了先进的网络技术，如：t c p i p 函数库、数据套接字技术，可以 很容易地实现测控网络的体系结构，并且提高了系统的开放性、稳定性、可靠性。 8 l a b v i e w 有真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境 而单独运行。 另外，相对来说，l a b v i e w 的功能可扩展性较好，应用起来比较灵活，操作起来 比较容易。所以基于以上各原因，l a b v i e w 更容易为人们作为虚拟仪器开发平台所接 受。l a b v i e w 能够充分利用和发挥现有计算机技术，使仪器的测试和测量及自动化工 业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。 3 2d o a s 检测系统软件总体设计 紫外差分检测系统软件主要目的是完成对硬件系统的数据采集、显示、数据管理、 浓度算法的处理等功能，软件系统与硬件结合紧密，软件系统的设计直接关系到整个检 测系统最终的工作状况。 本软件设计采用的l a b v i e w 8 2 图形化开发环境，上一节已对其做了详细的介绍， 这里就不再赘述。我们使用操作简便的a c c e s s 作为数据库工具。因为它同是微软的产 品，不会与操作系统、l a b v i e w 8 2 有任何冲突，这一方面较o r a c l e 等数据库优越。a c c e s s 虽然是桌面数据库系统，但它同样具有完善的数据管理功能，并且提供了直观的可视化 管理，操作和使用十分简便。系统软件中仅使用了数据库最基本的数据管理和查询及统 计功能，这点a c c e s s 足以胜任。选用a c c e s s 还有一个重要的原因是a c c e s s 数据库运行 时占用系统资源很少，而系统软件中每次浓度反演都要从数据库中取标准截面数据，因 此若采用占用资源较大的s q ls e r v e r 数据库也会带来很多不便。 紫外差分检测系统软件主要功能包括： 1 人机界面的设计。 2 数据的采集、处理、显示和保存。 3 数据库管理功能。 根据软件的总体功能需求，紫外差分检测系统可以分成三个部分，数据采集模块、 数据处理模块和数据管理模块。其中数据采集部分主要为读入光谱数据或气体浓度外的 其他参数。本设计中，光谱数据通过光谱仪调用d l l 读取，光谱仪配置参数从系统驱 动文件中读取。数据处理部分主要为根据原始光谱对痕量气体进行浓度反演的过程；数 据管理模块则包含了数据查询、用户信息管理等功能。这三个模块中，数据管理模块为 独立的模块，数据采集和数据处理模块通过公共的光谱数据读取发生联系，完成整个数 据处理流程。这种功能模块的划分，系统层次比较请楚，而且分工明确。图3 1 是系统 第三章d o a s 检测系统软件设计与实现 软件构成图。 图3 - 1 系统软件构成图 软件启动后，首先进行初始化，载入各种参数设置，对硬件进行检查，并进行必要 的硬件初始化。初始化完毕后，根据设置参数读取光谱数据并在界面上图形显示出来； 根据数据库中现有的各气体谱线数据，调用核心算法对原始光谱进行处理，反演得到的 目标气体浓度数据，同时将结果数据显示在主界面上。图3 - 2 为系统软件流程图。 第三章d o a s 检测系统软件设计与实现 ( r 开始 、) l l 系统初始化 上 参数设置 1 l 系统调用d l l 读取光谱数据， 同时从数据库读取暗光光谱，气体差分吸收 截面 上 调鬻行浓度计算 i 提示有标定统没l 上 标定系统，将拟合系 数保存到数据库 1r 读取拟合系数计 算拟合后浓度 上 结果显示 图3 - 2 系统流程图 2 8 第二章d o a s 检测系统软什设计与实现 3 3 人机界面设计 人机界面的开发设计以实现功能需求、操作灵活方便为设计原则，采用事件响应 机制