（检测技术与自动化装置专业论文）机动车尾气红外检测系统的研究.pdf

摘要 目前城市中汽车的保有量大幅度增加，给人们的日常生活带来了极大的便利，同时 也带来了严峻的环境问题，其产生的尾气已经构成公害，造成的环境问题变得日益严重， 因此世界各国和地区都加强对汽车尾气排放的检测。本文在分析了红外光谱特性和机动 车尾气成分吸收光谱特性的基础上设计了红外尾气分析系统，用来测量尾气中c o 和 c 0 2 气体的浓度，从而为汽车尾气的排放控制提供了有力的依据。 在分析了机动车尾气检测的发展现状和气体检测方法的基础上，提出了非分光红外 检测技术的方案。通过对c o 和c 0 2 气体在中红外区吸收光谱的分析，确定各自的特征 吸收峰。 确定了系统检测方案后进行检测系统的结构设计，非分光红外检测系统的结构主要 由红外光源及驱动电路、测量气室、红外传感器、信号调理电路和数据采集卡几部分组 成。根据红外光源的特性设计了稳压调制电路，通过分析比较各种类型的传感器选用热 电偶型的红外传感器，并根据传感器的输出特性设计了信号调理电路。设计了一套气体 浓度线性度评定装置，该装置是针对当前系统标定的种种不足而设计的，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。 检测系统的软件设计是基于l a b v i e w 软件平台来实现。根据系统要求实现的主要 功能有借助于采集卡实现的数据采集、数据分析、基于数据库技术的数据存储和查询、 系统的标定以及用于调制光源的p w m 方波的输出。软件界面简单直观，可操作性强， 功能实现的稳定性高。 通过实验对硬件部分和软件部分进行了测试，利用设计的线性度评定装置对系统进 行了标定，对拟合直线进行了相关性分析，并利用标定的系统进行了实验检测，结果表 明拟合直线的相关性非常好，符合标定的要求，检测结果证明非分光红外尾气检测系统 达到了预期的目标，具有较好的稳定性和测量精度。 关键字：非分光红外尾气检测虚拟仪器标定 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 fa u t o m o b i l ep o s s e s s i o ni nb i gc i t i e s ，a u t o m o b i l e b r i n g sg r e a tc o n v e n i e n tt op e o p l e sl i f e ，b u ti ta l s ob r i n g ss e r i o u se n v i r o n m e n tp r o b l e m t h e g a so fa u t o m o b i l eh a sb e c o m es o c i a le f f e c t so fp o l l u t i o nw h i c hm a k e se n v i r o n m e n tp o l l u t i o n m o r es e r i o u s l y s oe v e r y c o u n t r ya n dr e g i o nh a ss e tt h el i m i t e dv a l u et or e s t r i c tt h ee x h a u s t i n t h i sp a p e r , id e s i g nan e wi n f r a r e dg a sa n a l y t i c a ls y s t e mb a s e do ni n f r a r e ds p e c t r u ma n d g a s a b s o r b i n g t om e a s u r et h eg a sc o n c e n t r a t i o n b a s e do na n a l y z i n gt h er e s e a r c hp r o g r e s so fa u t o m o b i l eg a sd e t e c t i n ga n dg a sd e t e c t i n g m e t h o d s ，c h o o s en o n - d i s p e r s i v ei n f r a r e d ( n d i r ) t e c h n i q u e sa st h ed e t e c t i n gs c h e m e u s i n g t h es c h e m ec o u l dm e a s u l t et h ec o n c e n t r a t i o no fc a r b o nd i o x i d e ，c a r b o nm o n o x i d e i nt h eg a sa t t h es a m et i m e t h e nt h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no fd e t e c t i n gs y s t e ms t r u c t u r e t h en d i rs y s t e m i n c l u d e si n f r a r e dl i g h ts o u r c ea n di t sd r i v i n gc i u c u i t ，m e a s u r i n gg a sr o o m ，i n f r a r e dd e t e c t o r , s i g n a lm a n a g i n gc i r c u i ta n dd a qc a r d a c c o r d i n gt ot h ei n f r a r e dl i g h tc h a r a c t e r , d e s i g n v o l t a g e - s t a b i l i z e da n dm o d u l a t i n gc i r c u i t s c o m p a r i n gs o r t so fd e t e c t o r s ，c h o o s et h ei n f r a r e d d e t e c t o ro ft h e r m o c o u p l ea n dd e s i g nt h es i g n a lc i r c u i t sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fd e t e c t o r s i g n a l s t h i sp r o j e c td e s i g n sae q u i p m e n tt oa s s e s st h el i n e a r i t yo fg a sc o n c e n t r a t i o n ，a n di ti s s i m p l et oo p e r a t e w i t ht h eh e l po ft h ee q u i p m e n t ，w ec a l ll o wd o w nt h ec a l i b r a t i o nc o s ta n d i m p r o v et h ec a l i b r a t i o ne f f i c i e n c y t h es o f t w a r ed e s i g no fd e t e c t i n gs y s t e mi sb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m t h em a i n f u n c t i o no fs o f t w a r ea r ei n c l u d i n g ：w i t ht h eh e l po fd a qc a r dt oa c q u i r e d a t a ；a n a l y z i n gd a t a ； c o n s e r v i n ga n de n q u i r i n gd a t ab a s e do nd a t a b a s et e c h n i q u e s ；c a l i b r a t i o no fs y s t e ma n dt h e o u t p u to fs q u a r es i g n a lt om o d u l a t et h ei n f r a r e dl i g h ts o u r c e t h es o f t w a r ei n t e r f a c ei ss i m p l e a n de a s yt oo p e r a t ea n dt h es t a b i l i t yo ff u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o ni sa l s ov e r y w e l l d u r i n gt h et e s t ，d e b u gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h e ya l lf u l f i l lt h ed e s i r e df u n c t i o n t h e nc a l i b r a t et h es y s t e mw i t ht h eh e l po fd e s i g n e de q u i p m e n ta n da n a l y z et h ed e p e n d e n t l i n e a r i t yo ff i t t i n gl i n e t h e nu s ec a l i b r a t e ds y s t e mt od e t e c tg a sa n dt h er e s u l t sp r o v et h a t f i t t i n gl i n eh a sg o o dd e p e n d e n tl i n e a r i t ya n ds a t i s f i e st h ec a l i b r a t i o nr e q u i r e m e n t t h e d e t e c t i n gr e s u l t sp r o v et h a tt h en d i ri n f r a r e ds y s t e ms a t i s f i e st h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t sa n d t h es y s t e mi ss t a b l ea n da c c u r a t e k e y w o r d s ：n d i r ，g a sd e t e c t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，c a l i b r a t i o n 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鲎或 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：玛率艳 签字日期： 叫年 z 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大学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：马洋松 签字日期： 卅年工月彳日 导师签名：薇饧峙 签字日期： 伽 年工月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前，大气污染已不仅仅是在几个工业化国家中，它已逐渐发展成为世界性的问题， 尤其是在一些大中城市。随着汽车保有量的增加( 年递增率达到1 0 以上) ，汽车排气污 染物造成的环境污染情况将同趋严重。所以对汽车排气污染物的预防、监控、治理已处 于刻不容缓的地步。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。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，一些大城市的机动车尾气污染正越 来越令人担忧。 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2 0 的丁、戊烷，4 5 高碳烷、 烯烃、芳烃及其它添加剂，氢碳比控制在约1 8 5 ：1 ，以辛烷值衡量抗爆性能，理论上正 庚烷的抗爆性能最差( 0 ) ，异辛烷最高( 1 0 0 ) 。汽车排放的主要污染物是：一氧化碳 ( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、氮氧化合物( n o x ) 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) 担，。 在内燃发动机中，c o 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。c o 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3 0 0 倍。因此，肺里的血红蛋白不与氧结合而与c o 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。c o 的容许限度规定为8 h 内1 0 0 p p m 。如l h 内 吸) k 5 0 0 p p m 的c o ，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1 h 内吸入1 0 0 0 p p m 的c o ，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c 0 2 的剧增。其中约3 0 来自汽车排 气。c 0 2 为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中的c 0 2 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 c 0 2 的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题口1 。 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 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。用机动车尾气分析 第一章绪论 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。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c o 和c 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，以达 到减少环境污染和保护生态环境的目的。 1 3 常见的气体检测方法分析 汽车尾气分析最常用的检测方法主要有：红外分析原理、电化学原理，此外还有氢 火焰离子化法( f i d ) 、化学发光法( c l d ) 、磁气压力法等。根据不同的原理，就相应有 不同结构的检测器( 通常称仪器的传感器) ，分别适合测试不同类别的气体成分。 工业用红外气体分析仪从物理特征上分为分光型和非分光型两种。分光型是借助分 光系统分出单色光，使通过介质层的红外线波长与被测组分的特征吸收光谱相吻合而进 行测定的，其分析能力强，多用于实验室。从目前研究状况看，分光型红外分析器开始 从实验室应用向现场应用发展。非分光型指光源的连续光辐射全部投射到样品上，样品 对红外辐射具有选择性吸收和积分性质，同时采用与样品具有相同吸收光谱的检测器来 测定样品对红外光的吸收量。非分光型功能单一，但简单可靠，多用于工业现场。 红外分光型气体分析仪器由以下基本部分组成：红外光源( 红外热辐射型，波段在 2 1 5 岬) 、调制器、分光系统、气室、探测器和电子系统。分光型仪器的多样性在于 分光系统组成部分的变化和改进。目前分光系统主要有滤光片、光栅、干涉仪、声光调 制滤光器和傅立叶变换型等。 非分光型红外仪( n d i r ) 是指光源发射出的连续光谱全部通过特定厚度的含有被 测气体混合组分的气体层，特定气体分子( 含原子) 有特定的波长，可以吸收红外线， 并且在恒定条件下其吸收量与气体的浓度成正比。由于被测气体的浓度不同，吸收固定 红外线的能量就不同，因而转换成的热量就不同。检测器输出电信号，经数据处理后由 显示部分( 如液晶屏) 显示出来或将信号输出供后续处理。非分光型由以下基本部分组 成：红外光源、调制器、充气滤波气室或者光学滤波器、测量气室和探测器。非分光红 外吸收法仪器结构简单、寿命长、测量精度高、反应速度快、运行费用低、操作简便， 可用于分析测试c o ( 一氧化碳) 、c 0 2 ( 二氧化碳) 、h c ( 碳氢化合物) ，n o ( 氮氧化 物) 等气体的浓度，因而被广泛用于汽车排放污染物浓度的分析h 1 。 电化学法可用于测量0 2 、n o 、s 0 2 等，检测器是电化学式的，属消耗性的，寿命 第一章绪论 多为两年以内。此类检测器结构小巧简单、价格低廉、易于更换，但美中不足是寿命短。 当有气体通过时会输出与气体浓度成良好线性的电压、电流信号，通过一定的电路处理 输送给显示器。 氢火焰离子化法测量h c 具有准确度高、输出与碳原子数成良好线性关系的优点， 多用于高精度测量试验。此类仪器可以连续长时问测试，反应快、测试精度高、结构简 单、易维护，但配套价格昂贵。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。 化学发光法分析测试n o n o x 等成分同样具有灵敏度高、反应速度快、线性好等特 点。其它类似氢火焰离子化法。 因此，用氢火焰离子化法分析h c ，用非分光原理分析c o 、c 0 2 ，用磁压法或氧化 锆法分析发动机排放的氧，用化学发光法分析n o n o x ，这些方法被各国权威机构广泛 推荐为发动机排气分析的标准方法。但由于他们结构较复杂、配套费用较高( 数百万至 数千万人民币) 、操作不够简便，目前只应用于发动机或汽车摩托车整车排气分析。 正如大家现在常提到的汽车欧i 、欧i i 、欧i i i 、欧( 最新) 排放标准应用的仪器就是 此类仪器，也是目前国家发改委要求汽车摩托车厂家必备的形式认证及生产一致性检 查测试设备，足见政府对控制未来汽车污染的决心巧6 | 。 目前国内汽车摩托车生产下线检测、汽车维修检测、在用汽车污染检测、汽车污 染检测与治理等领域使用的仪器，主要应用非分光原理和电化学原理的小型仪器，费用 较低，在国外也有使用氢火焰离子化法、化学发光法等大型仪器，但费用昂贵。现在我 国在用机动车污染检测规范标准要求使用的仪器是前者，所以本系统采用非分光红外线 分析原理进行设计。 1 4 国内外在机动车检测方面的发展 为了控制汽车排气污染物对生态环境的危害，世界各国政府相继制定了汽车排气污 染物的限制标准。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，机动车检测现己实现了全自动化。对于机动车排放检测，随着欧洲体 系标准即e c e 标准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。 我国从1 9 8 1 年开始制定机动车排放标准，并于1 9 9 3 年发布了国家机动车排放标准， 中华人民共和国国家标准g b l 4 7 6 1 5 一1 9 9 3 汽油车怠速污染物排放标准， g b l 4 7 6 1 仁1 9 9 3 柴油车自由加速烟度排放标准来检测汽车的排放污染物。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，且控制指标正逐步与国际先进指标接 近。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 日批准了最新的点 第一章绪论 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1r 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。 国外对于红外的气体分析技术应用也比较早，1 9 3 8 年世界上第一台红外气体分析仪 问世。在5 0 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气体检测器， 使不分光型红外气体分析仪技术趋于成熟。到6 0 年代，红外技术在军事上的应用不断 扩大，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h 3 。从7 0 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。有代表性的产品是k e n t 公司生产的i r 5 0 0 型红外气体分析仪。7 0 年代末到8 0 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，要测量级的气体成分必须有较长的气室m 1 。8 0 年代末以来红 外气体分析技术不断地完善，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。瑞典汽车故障诊断设备公司生产的“m u l t i g a s p r d 五气分析仪，英国凯恩梅公司生产工艺的a u t o 系7 0 - - 气，四气及五气分析仪，美国0 t c 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 精确等优点嘲。 很长时间以来，中国汽车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。汽车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。九十年代，随着汽车技术的迅猛发展和技术的升级变化，很多汽车厂 家要求特约维修站将尾气分析作为诊断工具在发动机的故障诊断中应用。汽车尾气的排 放直接关系到大气环境污染，中国科学院安徽光学精密机械研究所就机动车尾气排放在 线监测系统做过相关的研究。 1 5 本论文的主要内容 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c o 和c 0 2 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c 0 和c 0 。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0 2 、n 2 为同核双原子分子，不具有红外活性，所以在中红外 ( 3 9 m 5 m ) 区域无红外吸收。二氧化碳( c 0 2 ) 、一氧化碳( c o ) 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 第一章绪论 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c o 和c 0 2 的吸收差异 确定c 0 和c 0 。的特征吸收峰。 2 提出系统方案，根据方案确定系统部件，包括红外光源、红外探测器等，根据 红外探测器的输出特性和红外光源的电调制，设计完成数据调理电路和光源调制电路， 设计气体浓度线性度评定装置，设计一套不同长度的标准容器，容器两端开有透射窗口， 内部充以标准气体，以其不同的长度组合代替不同的浓度，将其放入测量光路，以考核 所研制的检测系统的检测精度，同时还可对该系统进行标定。 3 分析虚拟仪器技术的特点和发展，利用n i 公司的l a b v i e w 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：系统标定模块，利用数据库存储数据，完成 数据存储和查询，数据采集及气体浓度的检测模块。 4 系统的调试工作以及实验。主要是硬件调试和软件应用调试，利用设计的气体浓 度线性度评定装置进行系统的标定，并进行气体的检测及分析。 1 6 本章小结 本章论述了课题研究的背景和研究的目的和意义，通过国内外发展现状的比较突显 了本课题研究的必要性。本章还列举了气体的各种检测方法，通过比较论述了其各自的 优缺点，最后对该课题的主要研究内容进行了介绍。下面的章节将首先介绍一下红外气 体检测的原理。 第二章红外气体检测的原理 2 1 红外辐射及特性 第二章红外气体检测的原理 1 8 0 0 年，赫肯尔在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，他用温度计去测 量光带中不同颜色所含的热量，他偶然发现一个奇怪的现象放在光带红光外的一支温度 计，比室内其他温度的指示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是 位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种 人眼看不见的“热线”，这种人的肉眼看不见的“热线 位于红色光外侧，叫做红外线。 能量可以电磁辐射即以电磁波的形式在空间传播。电磁波的频率范围为1 0 5 h z 一 1 0 2 5 h z ，而光线只占其中很小的一部分。电磁波的性质取决于它们的波长。为方便起见， 将全部波谱范围分为若干个区段，例如宇宙射线、无线电波、紫外线等。由于在给定的 一定波长范围内，电磁波的特性不会剧烈地突变，所以这些区段之间并没有严格和十分 明确的界限u 引。 理论分析和实验研究表明，不仅太阳光中有红外线，而且任何温度高与绝对零度的 物体如人体等都在不停地辐射红外线。就是冰和雪，因为它们的温度也远远高于绝对零 度一2 7 3 1 6 ，所以也在不断的辐射红外线。因此，红外线的最大特点是普遍存在于自 然界中。也就是说，任何“热”的物体虽然不发光但都能辐射红外线。因此红外线又称 为热辐射线，简称热辐射。 一般将红外辐射分为三个区域，近红外区( 0 7 5 9 m 一2 5 9 m ) ，中红外区( 2 5 岬 - 2 5 p m ) ，远红外区( 2 5 岬一1 0 0 0 “m ) u 引。 近红外光区( 0 7 5 9 m - 2 5 岬) 的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团如 ( o h ，n h ，c h ) 伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡 金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量 分析。 中红外光区( 2 5 9 m 2 5 岬) 的特点是绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带 出现在该光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外 光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前己积累了 该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为 红外光谱法。 远红外光区( 2 5 岫1 0 0 0 9 m ) 的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动转动 跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振 动所引起的。由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别 方便。此外，还能用于金属有机化合物包括络合物、氢键、吸附现象的研究。但由于该 光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析n 副。 6 第二章红外气体检测的原理 由于中红外区是基频吸收带，吸收幅度大，所以选择中红外的吸收谱线来进行分子 含量探测。本系统对于尾气中c o 和c 0 2 检测都使用了中红外光区的吸收光谱。 2 2 红外吸收气体检测方法 2 2 1 遥感傅里叶变换红外光谱技术( r s f t i r ) n 4 1 近年来发展的遥感测量技术，为实时监测大范围气体污染物的成分变化及分布情况 提供了可能。各国环境科学工作者都在努力将遥感技术应用于大气污染自动监测系统， 如差分吸收激光雷达技术( d i f f e r e n t i a la b s o r p t i o nl i d a r , d i a l ) ，差分光学吸收光谱技术 ( d 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 ) ，可调二极管激光技术( t u n a b l ed i o d e l a s e r , t d l ) ，o p f t i r 技术。 o p f t i r 技术是近年来发展起来的一种新兴的探测技术。高分辨傅里叶变换红外光 谱仪能够从分子的振动转动光谱中得到更多的信息，可以解决水蒸气吸收谱线和其他谱 线重叠的问题，而与遥感技术相结合更显示出其在大气监测方面的优势。r s o p f t i r 用于大气分析，可分为主动式和被动式两类。 主动遥感常用做环境大气污染研究，被动式遥感f t i r 技术利用待测对象的自身发 射或对太阳光、月亮光的吸收，对待测组分进行定性或定量测定。该技术不需要光源和 后向反射器，结构简单，可测量燃烧条件下的排放气体，利用分子光谱数据库h i t r a n 和h i t e m p 的多层反演软件确定多组分气体的温度和浓度。 在研究气体组分或颗粒物的空间分布上，如涉及空气污染源排放的有害气体的扩散 问题，o p f t i r 测定结果只能获得光路积分浓度数据，而不能直接反映待测参数如气体 浓度在空间的分布，这使其应用受到限制。 2 2 2 气相色谱分析法 气相色谱法是色谱法中的一种。它分析的对象是气体和可挥发的物质。气相色谱法 实际上是一种物理分离的方法，基于不同物质物理化学性质的差异，在固体相( 色谱柱) 和流动相( 载气) 构成的两相体系中具有不同的分配系数( 或吸附性能) ，当两相作相 对运动时，被测物质随流动相一起迁移，并在两相问进行多次的分配，使得那些分配系 数只有微小差别的物质，在迁移速度上产生了很大的差别，经过一段时问后，各组分之 间达到了彼此的分离。被分离的物质顺序的通过检测装置，就可对其进行定性和定量分 析。气相色谱法的优点是分离效能高，使用毛细管柱，每米汞柱效可达1 0 6 理论塔板数； 选择性高，可以对同位素、空间异构体、光学异构体等进行有效的分离；灵敏度高，可 高达1 0 1 1 1 0 。1 3 9 。 虽然气相色谱法可检测的灵敏度比较高，但是气相色谱法也有其局限性：首先在对 被分离组分的定性工作上，如果没有标准样品供对照，那么定性方面将存在很多的困难； 其次这种方法很难做到在线检测，实时性差。从取样到分析结果出来通常不能在同一天 完成。因此气相色谱法不适合实时监测大气中的污染气体。 第二章红外气体检测的原理 2 2 3 气体光声光谱检测技术n 胡 光声光谱法是通过检测气体吸收光能后产生的声压信号的大小来测量气体的浓度。 这种方法从发现到现在已经有一百多年的历史了，有很多自身的特点。光声效应是1 8 8 0 年美国著名科学家b e l l 在固体中首先发现的。光声光谱分析方法就是用一定频率的调 制光照射密闭的物质组分，物质吸收光能后，有一部分能量转化为分子的平移动能，即 分子热能，并以声压的形式表现出来，检测声压信号就可以对物质组分进行分析。实际 使用中它要求光源的输入功率大，气室的设计更为复杂，另外，它还使探头带电。 2 2 4 非分光红外( n d i r ) 检测技术 非分光型红外( n d i r ) 检测是指光源发射出的连续光谱全部通过特定厚度的含有被 测气体混合组分的气体层，由于被测气体的浓度不同，吸收固定红外线的能量就不同， 因而转换成的热量就不同。探测温度变化或者在特殊结构的红外探测器将热量转换成为 压力变化，进而测定温度或压力参数以完成对气体的定性定量分析。 当红外光通过待测气体时，由于气体分子有各自特定的吸收光谱，这些气体分子对 特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯一比尔( l a m b e r t b e e r ) 吸收定律。 i = i o e 一1 ( 2 1 ) i 。表示入射到待测气体的初始光强：l 表示气体的厚度，即红外辐射经过吸收气体的 路程：c 表示待测气体的浓度；i 表示经过待测气体吸收之后的出射光强；k 表示待测 气体的吸收系数，是吸光物质在特定波长和环境下的一个特征常数，数值上等于在一单 位长度的气体厚度中吸光物质为时的吸光度，它是吸光物质的吸光能力的量度。值越大， 表示该吸光物质对某一波长的吸光能力越强u8 l 。 非分光红外检测技术的测量上限为1 0 0 ，下限可进行微量( 1 0 川级) 以致痕量( 1 0 。9 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。本系统要检 测c 0 2 和c o 浓度，非分光检测技术避免了复杂的分光装置，在不需分光的情况下检测 两种气体，正好符合本系统设计的需要，所以本系统采用非分光红外检测技术。 2 3 检测理论的分析 在公式( 2 - 1 ) 中e 一可以根据指数的级数展开为： e k l c = 1 + ( 一k l c ) + ( - k l c ) z + z ! 因为k 值大约是1 0 - , 9 量级的常数，所以k l c 1 ，略去掣以后各项，上式可 以简化为e - 眦= 1 - k l c 公式就变成： 8 第二章红外气体检测的原理 i = i o ( 1 一k l c ) ( 2 2 ) 所以在l c 很小的情况下，经过吸收后辐射能的衰减与l c 呈线性关系。在吸收光程 l 确定的情况下，辐射能的衰减与待侧浓度c 成正比。确定了入射光强和出射光强后就 可以确定气体的浓度了。 系统检测最后输出的电压信号表示了气体对红外光吸收的程度，电压越小反映了气 体浓度越大。根据朗伯一比尔定律，气体测量通道和参考通道的电压信号为： = k p 也cx r g a s ( 2 3 ) u 嚼= lr ，f x r 嚼x c q o 和表示测量通道和参考通道在不同波长处的出射光强； 和表示测量通道和参考通道不同的窄带滤光片的透射效率； 和表示测量通道和参考通道中气体传感器的响应度； k 表示气体的吸收系数；c 表示待测气体的浓度；l 表示待测气体的吸收长度。 测量通道和参考通道的电压比为： u ：鱼： k e 。肛c u 嚼i 呵r 呵x c 呵 2 4 机动车尾气吸收光谱的分析 2 4 1 吸收光谱理论1 2 3 1 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 物质中分子内部的运动可分为电子的运动、分子内原子的振动和分子自身的转动， 因此具有电子能级、振动能级和转动能级。当分子被光照射时，将吸收能量引起能级跃 迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。而三种能级跃迁所需能量是不同的，需用不同波 长的电磁波去激发。用红外线( 能量为1 e m 0 2 5 e v ) 照射分子，此能量不足以引起 电子能级的跃迁，而只能引发振动能级和转动能级的跃迁，得到的光谱为红外光谱。若 以能量更低的远红外线( 0 0 2 5 e v 珈0 0 3 e v ) 照射分子，只能引起转动能级的跃迁，这 种光谱称为远红外光谱。 红外线在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而衰减。由于物质结构不同对 上述各能级跃迁所需能量都不一样，因此对光的吸收也就不一样，各种物质都有各自的 吸收光带，因而就可以对不同物质进行鉴定分析。 红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等 第二章红外气体检测的原理 物质的吸收和散射作用，使辐射在传输过程中逐渐衰减。但空间的大气、烟云对红外辐 射的吸收程度与红外辐射的波长有关，尤其对波长范围在2 2 6 1 a m 、3 - 5 9 m 和8 1 4 9 m 这 三个波段的吸收相对很弱，这三个波段的红外线穿透能力很强，透过率很高，统称它们 为“大气窗口”，对红外探测技术很重要，现有红外探测器一般都工作在这三个波段之 内。 由红外理论可以知道，化合物分子在红外波段都具有一定的吸收带，吸收带的强弱 及所在的波长范围由分子本身的结构决定。只有当物质分子本身固有的特性的振动和转 动频率与红外光谱中某一波段的频率相一致时，分子才能吸收这一波段的红外辐射能 量。实际上，每一种化合物的分子并不是对红外光谱内所有波长的辐射或任意一种波长 的辐射都具有吸收能力，而是有选择性地吸收某一个或某一组特定波段内的辐射。这个 波段就是分子的特征吸收带。特征吸收带的范围主要在1 - 2 5 9 m 波长范围内的红外区，而 且特征吸收带对某一种分子是确定的、标准的，如同“物质指纹”。通过对特征吸收带 及其吸收光谱的分析，可以鉴定识别分子的类型，这是利用红外线气体检测的主要依据。 2 4 2 气体吸收光谱分析 尾气的产生和排放都与大气有关，首先分析大气中各成分的吸收情况。在红外波段 中，大气中的吸收比散射严重得多。大气含有多种气体成份，根据分子物理学理论，吸 收是入射辐射和分子系统之间相互作用的结果，而且仅当分子振动或转动的结果引起电 偶极矩变化的，才能产生红外吸收光谱。由于地球大气层中含量最丰富的氮、氧、氨等 气体分子是对称的，它们的振动不引起电偶极矩变化，因此不吸收红外光。大气中含量 较少的水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳等非对称分子，振动引起的 电偶极矩变化能产生强烈红外吸收n 引。 尾气中的成分比较多，其中0 2 、n 2 为同核双原子分子，不具有红外活性，所以在中 红外( 3 9 m 一- - 5 9 m ) 区域无红外吸收。二氧化碳( c 0 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 、水( h 2 0 ) 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。下面将从各成分的中红外吸收谱线进行分析来确定最佳的 测量波长。 o 弱 o 2 仉1 5 n l 玟0 5 图2 1c o 的红外吸收光谱 第二章红外气体检测的原理 从c o 的红外吸收谱线可知，c o 在波长为( 4 p m 5 斗m ) 处有2 个特征吸收峰，分别 为4 5 9 9 m 和4 7 4 i _ t m 附近。 ； ； ； k 一 ? k 图2 2c 0 2 的红外吸收光谱 上图为c 0 2 的红外吸收谱线，从图中可知，c 0 2 在中红外区有两处明显的吸收带， 一处为( 4 0 9 m - 5 o g m ) 之问，一处为1 5 1 x m 左右。但是4 2 6 9 m 左右的吸收比较明显， 吸收幅度比较大，因此选取此处的吸收谱线来分析c 0 2 的含量瞳小2 2 1 。 c 0 2 、c o 气体的测量波长： 表2 1c o 、c 0 2 气体的测量波长 成分测量波长 c o 4 6 4 1 a m c 0 2 4 2 6 9 m 在实际的测量中，需要获得气体吸收所引起的光能量的变化，因此需要分别获得吸 收前后的光能量。本次设计采用对连续光谱的不同波长处光能量测量来解决。由于不同 气体对红外光的选择性吸收，气体的选择性吸收只是引起特定波长的光能量的变化，而 不在吸收波长的光能量几乎没有变化，因此，通过对其他波长的光的测量获得无吸收时 的光能量。这一波长的测量光路可称为参考光路。因此参考光路的测量波长必须避开其 他成分的吸收峰。通过比较c o 、c 0 2 气体的测量波长，选择参考光路的测试波长为4 0 “ 2 5 本章小结 本章通过对红外特性的分析，确定了利用c o 和c 0 ：在中红外光区的吸收光谱进行检 测。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分析和c 0 和c 0 。吸收谱线的分析选择合适的特征吸 收峰。下面章节主要详细介绍非分光红外检测系统的结构设计。 第二章非分光红外检测系统结构设计 第三章非分光红外检测系统结构设计 非分光红外检测系统组成如图3 1 所示。光源发出的红外光经过前光学系统汇聚变 成平行光束，然后平行光经过通有待测气体的气体池，被测气体将吸收特定波长的红外 光。红外辐射的光能量( 光强) 发生变化( 光强减小) 。经过气体的吸收后再通过后光 学系统的汇聚，将光汇聚到多探头的红外探测器上。当多种混合气体之间投有作用，且 吸收光谱投有重叠或影响较小时，可在传感器前安置适合分析气体吸收波长的窄带滤光 片，经过滤光片后，红外探测器把被测组分吸收后的剩余光能转换为电信号，经过信号 调理电路的滤波放大后通过采集卡进到计算机进行数据分析。入射光强和出射光强的差 值是与气体的浓度有关系的，据此可以检测出气体的浓度。 图3 1 检测系统结构图 整个检测系统主要由以下几个部分组成：红外光源及驱动电路、标定装置、红外传 感器、信号调理电路和数据采集卡。下面将逐一的进行介绍。 3 1 红外光源及驱动电路 本系统选择中红外区3 5 “m 来铡量c o 和c 0 2 ，相应的选择能量集中在这个范围的红 外光源。本系统选用的是i r l 7 1 5 红外光源，它是一种白炽灯