張　坤， 陳　鋒

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系,安徽 合肥 230026)

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非分光紅外車輛尾氣傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張坤， 陳鋒

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系,安徽 合肥 230026)

摘要:非分光紅外(NDIR)是一種利用氣體對(duì)紅外光的選擇性吸收原理進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)的方法。利用NDIR分析方法，設(shè)計(jì)一種車輛尾氣檢測(cè)傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中存在的汽車尾氣進(jìn)行檢測(cè)與分析。該系統(tǒng)使用多窗口紅外傳感器組合，采用v支持向量回歸進(jìn)行傳感器建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該檢測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好和便于攜帶的特點(diǎn)，能夠滿足車輛尾氣測(cè)量分析的需求。

關(guān)鍵詞：車輛尾氣； 非分光紅外； 支持向量回歸； 紅外傳感器

0引言

機(jī)動(dòng)車尾氣的檢測(cè)方法很多，常見(jiàn)的有電化學(xué)法、催化燃燒法[1]和光學(xué)檢測(cè)法等。電化學(xué)方法是利用尾氣與傳感器內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生微電流，通過(guò)測(cè)量電流值來(lái)推算氣體濃度，但高濃度尾氣可能會(huì)使傳感器中毒[2]，抑制傳感器活性。催化燃燒法是利用金屬鉑絲加熱后的電阻變化來(lái)測(cè)定可燃?xì)怏w濃度，但是對(duì)非可燃?xì)怏w沒(méi)有反應(yīng)，只能測(cè)量可燃?xì)怏w的濃度。光學(xué)方法有可調(diào)諧二極管激光吸收光譜[3](tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)法和非分光紅外(non-dispersed infrared，NDIR)檢測(cè)法?？烧{(diào)諧激光器調(diào)制光譜技術(shù)是用單一窄帶的激光掃描氣體分子的特征吸收線獲得被測(cè)氣體的吸收光譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體進(jìn)行定性或者定量分析。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)和激光分束技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中多種氣體濃度的檢測(cè)。這種方法測(cè)量精度很高，但由于設(shè)備貴重且對(duì)電源、安裝、工作環(huán)境等要求很高，因此,不適合作為無(wú)人值守的在線檢測(cè)傳感器。

由于上述傳感器存在的局限性，需要一種可以在惡劣環(huán)境下工作，壽命長(zhǎng)，精度高的氣體傳感器?；贜DIR檢測(cè)法的傳感器具有壽命長(zhǎng)，受工作環(huán)境的影響小，能夠達(dá)到較高的檢測(cè)精度[5]。通過(guò)選擇不同中心波長(zhǎng)的濾光片，可以測(cè)量多種氣體的濃度。

本文深入研究了NDIR檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)整套系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用v支持向量回歸(v-support vector regression，v-SVR)構(gòu)建傳感器模型，將測(cè)量結(jié)果與理論推導(dǎo)相比較，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1相關(guān)原理概述

圖1　紅外吸收示意圖Fig 1　Schematic diagram of infrared absorption

從公式可以看出，濃度與輸入輸出光強(qiáng)比值的對(duì)數(shù)呈正比，給定輸入光強(qiáng)并對(duì)輸出進(jìn)行分析，可以得到氣體的濃度。不同的氣體對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光的吸收能力也不同。各種氣體都會(huì)對(duì)某種特定波長(zhǎng)的紅外光敏感，在特定波長(zhǎng)的紅外光的照射下，其ε較大，吸收光的能力也較強(qiáng)，對(duì)其他波長(zhǎng)的光吸收能力則很弱。這種特性稱為氣體對(duì)紅外光的選擇性吸收特性，該波長(zhǎng)稱為氣體的吸收峰[7]。

2基于NDIR的尾氣檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

NDIR尾氣檢測(cè)系統(tǒng)是光電一體化的儀器，主要部件包括電源、光源發(fā)生裝置、氣室、光強(qiáng)信號(hào)提取的調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)處理的核心板。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2　Block diagram of system structure

2.1光源

紅外光源常用的有激光紅外光源和熱輻射紅外光源，激光光源利用受激發(fā)射原理產(chǎn)生紅外光，具有輻射強(qiáng)度高，方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是需要專門的電源與控溫措施，功耗大。因此，當(dāng)對(duì)輻射光強(qiáng)要求不高時(shí)，可選用熱輻射紅外光源。本文采用EMIRS200中紅外光源，是一種黑體輻射源。相比白熾燈，在同一溫度下，輻射功率密度更大。其發(fā)光波長(zhǎng)段可達(dá)0～20 μm，覆蓋了待測(cè)尾氣的敏感波長(zhǎng)，符合使用需求。為了抑制來(lái)自環(huán)境光的干擾，對(duì)光源進(jìn)行低頻方波調(diào)制，從而使后續(xù)探測(cè)器檢測(cè)時(shí)，可以交替得到“光源加背景光”的信號(hào)和“背景光”的信號(hào)。其信號(hào)差為光源產(chǎn)生的信號(hào)。

2.2氣室

由朗伯—比爾定理，理論上光程長(zhǎng)度b越大測(cè)量分辨率越高。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于粉塵干擾、空氣流動(dòng)、水汽吸收等影響，紅外光從光源發(fā)出后，紅外光的光強(qiáng)衰減速度比理論值要快得多。如果光程長(zhǎng)度太短，則系統(tǒng)的靈敏度和分辨率太低；如果光程長(zhǎng)度太長(zhǎng)，光源發(fā)出的紅外光會(huì)在氣室中大量衰減，導(dǎo)致接收端測(cè)得的光強(qiáng)太弱，降低系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此，在權(quán)衡折中后混合尾氣分析時(shí)使用光程長(zhǎng)度為10.0～20.0 cm的大容量氣室。氣室由腔體、進(jìn)氣口、出氣口和窗口組成。

氣室主要起避光作用和減少自然光對(duì)熱釋電探測(cè)器的影響。外界空氣通過(guò)進(jìn)氣閥門進(jìn)入，通過(guò)出氣口排出，以減小空氣流動(dòng)和粉塵對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2.3噪聲抑制方法

熱釋電探測(cè)器主要負(fù)責(zé)對(duì)紅外光的接收，并將接收到的紅外光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。測(cè)量過(guò)程中，由于電源和光路的不穩(wěn)定、運(yùn)算放大器的噪聲、以及環(huán)境的變化都會(huì)產(chǎn)生噪聲，本文采用差分檢測(cè)技術(shù)降低噪聲干擾。其基本思想為光源發(fā)出紅外光后分成兩路，其中一路為與待測(cè)尾氣吸收峰波長(zhǎng)相同的紅外光，在通過(guò)氣室后會(huì)被尾氣吸收從而產(chǎn)生光強(qiáng)衰減，作為測(cè)量信號(hào)；另一路為遠(yuǎn)離待測(cè)氣體吸收峰波長(zhǎng)的紅外光，經(jīng)過(guò)氣室后光強(qiáng)衰減很小，作為參比信號(hào)。由于兩路通道處在幾乎相同的條件下，各種噪聲對(duì)測(cè)量信號(hào)和參比信號(hào)上產(chǎn)生的影響幾乎是相同的，對(duì)比測(cè)量信號(hào)與參比信號(hào)，可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。

本文選擇雙波長(zhǎng)單光路法實(shí)現(xiàn)氣體濃度的差分吸收檢測(cè)。熱釋電探測(cè)器的窗口上為波長(zhǎng)不同的窄帶濾光片，一種為參比波長(zhǎng)，其他為待測(cè)尾氣敏感波長(zhǎng)，窄帶濾光片的作用為僅允許特定波長(zhǎng)的紅外光透過(guò)，這樣熱釋電探測(cè)器的每個(gè)通道就只測(cè)量單一波長(zhǎng)的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)單光路多波長(zhǎng)的效果。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3　Mechanical structure diagram

3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1基于v-SVR的傳感器建模

本文采用v-SVR算法進(jìn)行紅外氣體傳感器建模，模型如圖4所示，輸入因子包括測(cè)量通道電壓值、參比通道電壓值、測(cè)量通道電壓值和參比通道電壓值對(duì)數(shù)的比值；輸出因子為尾氣濃度值。本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)，然后將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入模型中，選擇合適的核函數(shù)以及參數(shù)，得到擬合誤差較好的v-SVR模型。最后利用所得模型，求出尾氣濃度值。

圖4　基于v-SVR的紅外氣體傳感器模型Fig 4　Infrared gas sensor model based on v-SVR

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

本文測(cè)試不同濃度的尾氣，測(cè)量紅外傳感器的輸出電壓，測(cè)量結(jié)果如表1。

表1　測(cè)量結(jié)果

3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖5　v-SVR擬合曲線Fig 5　v-SVR fitting curve

圖6　v-SVR擬合誤差Fig6　v-SVR fitting error

相關(guān)系數(shù)r2=

對(duì)比線性擬合結(jié)果如表2。

表2　擬合誤差比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：采用v-SVR對(duì)傳感器進(jìn)行建?？梢蕴岣咂錅y(cè)量精度。

4結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)車輛尾氣的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，本文研發(fā)了一種NDIR車輛尾氣檢測(cè)傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)可以檢測(cè)CO，CO2，HC的濃度，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)和體積小等特點(diǎn)。利用v-SVR進(jìn)行傳感器的建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文研發(fā)的傳感器具有較高的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn):

[1]Hernández-Giménez A M,Lozano-Castelló D,Bueno-López A.Effect of CO2,H2O and SO2in the ceria-catalyzed combustion of soot under simulated diesel exhaust conditions[J].Applied Catalysis B:Environmental,2014,148:406-414.

[2]張志剛,鄭益慧,張志豐,等.抗中毒載體催化傳感器的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,37(9):1484-1487.

[3]Werle P,Mücke R,Slemr F.The limits of signal averaging in atmospheric trace-gas monitoring by tunable diode-laser absorption spectroscopy(TDLAS)[J].Applied Physics B,1993,57(2):131-139.

[4]宋雪梅,劉建國(guó),張玉鈞,等.可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法監(jiān)測(cè)二氧化碳的通量[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(1):184-187.

[5]Frodl R,Tille T.A high-precision NDIR gas sensor for automotive applications[J].Sensors Journal,IEEE,2006,6(6):1697-1705.

[6]石曉光,宦克為,高蘭蘭.紅外物理[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2012:31-34.

[7]Chen C,Wang B,Li J.A trace gas sensor using mid-infrared quantum cascaded laser at 4.8 μm to detect carbon mono-xide[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34(3):838-842.

Design of non-dispersive infrared sensor system for detection of vehicle exhaust

ZHANG Kun, CHEN Feng

(Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Abstract:Non-dispersive infrared(NDIR)is a kind of detection methods for gas concentration based on the principle that gas selectively absorbs infrared light.NDIR method is used to develop a sensor system for detection of vehicle exhaust under air environment.In this sensor system, multi-window infrared sensors are integrated,and v-support vector regression(v-SVR)is introduced for sensor modeling.The experimental results show that this sensor system has the characteristics including high measurement precision, high stability,and portable,which can meet the demands of measurement and analysis of vehicle exhaust.

Key words:vehicle exhaust; non-dispersive infrared(NDIR); support vector regression(SVR); infrared sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0130—03

收稿日期：2015—05—19

中圖分類號(hào)：TP 212.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0130—03

作者簡(jiǎn)介:

張坤(1990-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅?、模式識(shí)別技術(shù)等。