汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文題 目: 汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名: 賀達(dá)磊 專 業(yè): 汽車制造與裝配 班 級: 汽制1403 指導(dǎo)教師: 劉自輝 2016年11月摘 要摘 要本論文是在當(dāng)前汽車尾氣污染不斷加重和汽車尾氣檢測標(biāo)準(zhǔn)越來越高的形勢下提出的，汽車尾氣中含有CO、HC、NOx等主要化合物這些尾氣對人體有害并且影響自然環(huán)境，這已發(fā)展成為嚴(yán)重的社會問題。對汽車排放污染物的治理，是世界性的環(huán)保課題。它推動了汽車工業(yè)的革命，同時(shí)帶動了燃料、凈化技術(shù)及監(jiān)測儀器等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。常用的氣體分析方法中，紅外光學(xué)吸收方式儀器的優(yōu)點(diǎn)是精度和靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量范圍大、選擇性、穩(wěn)定性和可靠性好，可以快速和連續(xù)檢測。因

2、此受到各國重視，獲得廣泛應(yīng)用。本論文盡可能消除環(huán)境干擾影響，提高尾氣檢測的精確性。能夠在實(shí)際中根據(jù)結(jié)果評價(jià)發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀況，特別是燃油供給系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)狀況。本文通過對汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，展開了以下工作：一是模擬信號采集、處理及A/D轉(zhuǎn)換，本文在數(shù)據(jù)采集的過程中由于外界的干擾，導(dǎo)致測試的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，針對外界的干擾分析了環(huán)境影響，此環(huán)境包括溫度、壓力、濕度等；二是在環(huán)境的影響基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步用試驗(yàn)來驗(yàn)證在不同的溫度和壓力下，尾氣檢測結(jié)果不同；三是利用汽車尾氣取樣設(shè)備，把尾氣送入儀器，尾氣在通過氣室的過程中，紅外傳感器產(chǎn)生模擬信號。傳感器直接產(chǎn)生的模擬信號一般都比較微弱，并且有干擾信

3、號，必須對它們進(jìn)行放大、濾波，并有效地排除干擾信號；四是各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值的計(jì)算，并根據(jù)檢測結(jié)果受環(huán)境影響的大小，采用不同的補(bǔ)償方法，最終得到正確的結(jié)果。關(guān)鍵詞：汽車尾氣 紅外線 檢測 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄目 錄第一章 緒論11.1 汽車尾氣的危害11.2 對汽車尾氣進(jìn)行檢測的意義2第二章 影響排放污染物的主要因素32.1 汽車發(fā)動機(jī)自身內(nèi)部因素的影響32.2 環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響5第三章 汽車尾氣檢測系統(tǒng)檢測方法及原理73.1 非擴(kuò)散型紅外線分析儀(NDIR)73.2 氫火焰離子型分析儀(FD)83.3 化學(xué)發(fā)光法分析(CLD)9第四章 汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)104.1 汽車尾氣檢測系統(tǒng)的介紹104.

4、2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成分析及抗干擾措施114.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)13結(jié)束語15參考文獻(xiàn)16致 謝17第一章 緒論第一章 緒論1.1汽車尾氣的危害隨著我國改革開放事業(yè)的深入發(fā)展和作為我國國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)的崛起以及人們生活水平的不斷提高，汽車越來越多地進(jìn)入百姓的中間。汽車的發(fā)展在給人民經(jīng)濟(jì)活動和日常生活提供方便的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。1995年全國機(jī)動車排放C0總量達(dá)到2200萬噸：NOx排放總量超過140萬噸，而且大部分集中在城市區(qū)域。與國外城市相比，90年代東京擁有機(jī)動車約400萬輛，而CO和NOx排放基本穩(wěn)定在10萬噸和5萬噸左右。1995年北京的汽車保有量僅為100萬輛，而CO和

5、NO，的排放量卻分別超過了100萬噸和1 0萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于東京。近10年我國生產(chǎn)的汽車的排放污染雖有所改善，但與發(fā)達(dá)國家相比差距仍然很大。隨著城市建設(shè)速度加快，高樓林立，更加不利于空氣的擴(kuò)散，使汽車排放加大了空氣污染程度，并逐步成為城市大氣的主要污染源之一。1998年世界衛(wèi)生組織列出的“世界十大污染嚴(yán)重城市”中，我國就占了7個(gè)。與國外相比，這些城市的汽車保有量不大，但城市中CO、HC和N0x對大氣污染的分?jǐn)偮蕝s達(dá)到了發(fā)達(dá)國家水平。汽車排放的污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響，特別是兒童、老人、孕婦以及心臟病和肺病患者，更容易受到傷害。另外，空氣污染還會損害生態(tài)環(huán)境，污染河流湖泊，危及野

6、生動植物的生存。目前，對汽車排放污染物的控制主要是設(shè)法減少CO、HC和NOx，它們是造成大氣污染的主要原因，也是汽車尾氣中對人體構(gòu)成危害的主要物質(zhì)。在汽車排出的尾氣中濃度最大有害氣體是CO，而現(xiàn)代城市空氣污染中80%左右的CO來自于汽車排放。CO是無色、無味的窒息性易燃有毒氣體。它與血紅素的親和力比氧氣與血紅素的親和力要大210多倍，而血紅素?fù)?dān)負(fù)著向人體器官和組織輸送氧氣的重任。因此，CO侵入體內(nèi)便會很快與血液中的血紅素相結(jié)合而成為羧基血紅素(Carboxyhem0910bin，簡寫為COHb)，使血液的輸氧能力降低而引起缺氧。這對心臟病和呼吸系統(tǒng)疾病患者特別有害。即使健康的人吸入一定量的C0

7、后會也會產(chǎn)生中毒，出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、惡心、頭暈、疲勞等癥狀，嚴(yán)重時(shí)會使人窒息死亡。排放汽車的碳?xì)浠衔飦碜匀N排放源。對一般汽油發(fā)動機(jī)來說，約60的碳?xì)浠衔飦碜詢?nèi)燃機(jī)廢氣排放，2025來自曲軸箱的泄漏，其余的1 520來自燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)。汽車排放污染物除了對人體健康造成嚴(yán)重危害之外，還會對大氣環(huán)境造成深遠(yuǎn)影響。近20年的研究結(jié)果表明，汽車的排放污染物對環(huán)境影響不僅是局0部的，許多影響還可以擴(kuò)展到大氣層中很遠(yuǎn)的距離甚至其他地區(qū)，并存在很長時(shí)間。目前，全世界有10億多城市人口的健康受到空氣污染的威脅。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)。我國11個(gè)大城市中，空氣中的煙塵和顆粒物每年使數(shù)萬人死亡，40多萬人感染上慢性支

8、氣管炎。世界銀行估計(jì)，因空氣污染導(dǎo)致的醫(yī)療成本增加以及工人生病喪失生產(chǎn)力使得中國GDP被抵消掉5。因此，控制汽車排放污染，改善人類生存環(huán)境，已經(jīng)刻不容緩。1.2對汽車尾氣進(jìn)行檢測的意義新車生產(chǎn)型式認(rèn)證和生產(chǎn)一致性檢驗(yàn)中對排放尾氣的檢測手段和控制比較嚴(yán)格、規(guī)范，因此，新出廠汽車的排放達(dá)標(biāo)率較高。但是，由于我國近幾年汽車保有量增長迅猛，用戶分散，對在用汽車的定期檢查和維護(hù)工作不夠嚴(yán)格和規(guī)范，因此，在用汽車技術(shù)狀況變壞導(dǎo)致的排放污染比較嚴(yán)重。即使在發(fā)達(dá)的歐美國家，研究和統(tǒng)計(jì)數(shù)字也表明，在用汽車中大約1015屬于高排放車，這些汽車的排放占汽車污染物總排放的5060。由此可以推算我國在用汽車中高排放車的

9、排放污染占汽車污染總排放的比例會更高。因此，控制汽車尾氣排放給大氣帶來的污染，改善人類賴以生存的質(zhì)量，是擺在我們面前的一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)。在治理汽車排放的措施中，除了制定嚴(yán)格可行的汽車排放法規(guī)，推動汽車生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的汽車排放控制技術(shù)，降低出廠新車的污染物排放以外，科學(xué)準(zhǔn)確地對在用汽車尾氣進(jìn)行檢測，適時(shí)地對汽車進(jìn)行良好維護(hù)，是減少汽車排放的重要手段。美國等發(fā)達(dá)國家推行的I/M(Inspection/Maintenance)(檢查/維護(hù))制度是世界公認(rèn)的控制在用汽車排放污染的有效方法，它強(qiáng)制要求在用汽車定期進(jìn)行排放檢測，對不合格的車輛在指定的維修網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行有針對性的維修，達(dá)標(biāo)后方可繼續(xù)使用

10、。第二章 影響排放污染物的主要因素第二章 影響排放污染物的主要因素影響汽車排放污染物的主要因素很多也很復(fù)雜。有汽車的內(nèi)部因素產(chǎn)生的影響，但這些排放物都是化學(xué)反應(yīng)燃燒的產(chǎn)物，主要的影響因素空燃比(AF)、點(diǎn)火提前角()等。其次是環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響。2.1 汽車發(fā)動機(jī)自身內(nèi)部因素的影響2.1.1 空燃比 空燃比是混合氣中空氣與燃料質(zhì)量之比，通常用AF表示。使1kg汽油完全燃燒按化學(xué)當(dāng)量計(jì)算需要14.7kg空氣，空燃比等于14.7，稱為理論空燃比；燃燒1kg燃料實(shí)際供給的空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數(shù)。空燃比支配著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排氣清潔性，是發(fā)動機(jī)最重要的控制參數(shù)。當(dāng)實(shí)際空燃

11、比比理論空燃比稍小時(shí)(AF=13.514)，燃燒火焰的溫度最高。燃燒速度最大時(shí)的空燃比比火焰溫度最高時(shí)的空燃比更小一點(diǎn)(AF=1213)。燃燒速度越快，燃燒壓力越高，發(fā)動機(jī)的輸出功率越大，因此AF=1213的稍大的空燃比被稱為功率空燃比。但是，燃油消耗率最低時(shí)的空燃比要比理論空燃比稍大，AF=16左右，這種稍大的空燃比稱為經(jīng)濟(jì)空燃比。圖2-1 排放濃度與空燃比的關(guān)系 圖2-2 三元催化器的空燃比特性曲線空燃比與汽油機(jī)排氣有害成分的關(guān)系如圖2-1所示。由圖2-1可知，混和氣越濃，由于空氣不足，燃燒不完全，NOx排放不多，但HC、CO的排放增多；混和氣越稀，燃燒完全，HC、CO的排放減少，但NOx

12、增加很多。供給更稀的混和氣時(shí)，隨著燃燒速度的下降，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒，這時(shí)NOx、CO的排放減少，而HC排放卻增多?？杖急瓤刂频哪繕?biāo)是發(fā)動機(jī)盡可能多地使用較稀混合氣，從而降低有害氣體排放量并節(jié)油，同時(shí)必須滿足發(fā)動機(jī)不同工況對空燃比的要求，否則發(fā)動機(jī)功率將下降、失穩(wěn)，甚至熄火?？杖急葘θ呋鞯奶匦郧€如圖2-2所示。由圖2-2可知，當(dāng)空燃比控制在14.7附近時(shí)，三元催化轉(zhuǎn)化器(TWC)對有害排放物的凈化效率最高。隨著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，TWC得到廣泛應(yīng)用，目前汽油機(jī)混合氣的空燃比通常采用閉環(huán)控制的方法，即在排氣管中安裝一個(gè)反應(yīng)空燃比信號的氧傳感器，將實(shí)際測到的空燃比信號反饋給控制單元(ECU

13、)，使ECU對噴油脈寬進(jìn)行修正，使排氣中平均空燃比達(dá)到設(shè)定的化學(xué)當(dāng)量比附近，這樣TWC對排氣中的HC、CO、NOx均具有很高的轉(zhuǎn)化率。2.1.2 點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角對汽油機(jī)CO、HC、NOx排放濃度的影響如圖2-3、如圖2-4所示：圖2-3 點(diǎn)火提前角對CO排放的影響 圖2-4點(diǎn)火提前角對HC和NOx排放的影響點(diǎn)火提前角對CO排放濃度影響很小，除非點(diǎn)火提前角過分推遲，使CO沒有充分的時(shí)間完全氧化而引起CO排放量增加?？杖急纫欢〞r(shí)，隨點(diǎn)火提前角的推遲，HC和NOx同時(shí)降低。由于推遲點(diǎn)火提前角會導(dǎo)致排氣溫度上升，使在排氣行程以及排氣管中HC氧化反應(yīng)加速，降低HC排放：而推遲點(diǎn)火提前角將使上止點(diǎn)后

14、燃燒的燃料增多，燃燒的最高溫度下降而降低NOx的排放。2.1.3 發(fā)動機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速在汽油機(jī)怠速、減速等低速輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低、汽油霧化差、混合氣很濃，殘余廢氣系數(shù)較大，產(chǎn)生較多的CO。當(dāng)發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，其節(jié)氣門位置接近于全開，進(jìn)氣量增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，缸?nèi)溫度升高，使CO的生成較多。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對HC和NOx的生成有一定的影響，而對CO影響程度相對較小。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，增強(qiáng)了氣缸中的擾流混合與渦流的擴(kuò)散，也增強(qiáng)了排氣的混合，于是既改進(jìn)了氣缸內(nèi)氣體的燃燒，又促進(jìn)了排氣系統(tǒng)的氧化反應(yīng)，因此HC明顯降低。2.1.4 氣缸壓力發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果燃燒室溫度和壓力下降，會

15、使混合氣燃燒不良，尾氣CO濃度升高。汽車長期運(yùn)行，發(fā)動機(jī)活塞、氣缸和活塞環(huán)組件的磨損會導(dǎo)致氣缸密封性下降，使氣缸壓力降低。氣缸墊漏氣、氣門密封性不良、氣門腳間隙過小以及活塞環(huán)對口等，也是造成氣缸壓力不足的主要原因。使用中為保持氣缸良好的密封性，應(yīng)定期對氣缸壓力進(jìn)行檢查。檢查中，要求多缸發(fā)動機(jī)各缸壓力均不得低于標(biāo)準(zhǔn)壓力的80，同時(shí)，為保證發(fā)動機(jī)工作平穩(wěn)，各缸壓差不得大于5，不合要求，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修。2.2環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響考慮到汽車尾氣檢測結(jié)果受環(huán)境的影響，對此，汽車排放法規(guī)對各項(xiàng)指標(biāo)的檢測都有嚴(yán)格的試驗(yàn)環(huán)境要求。由于汽車檢測大部分都在室外進(jìn)行，環(huán)境變化比較大，容易受到溫度、壓力、濕度等影

16、響，所以容易出現(xiàn)檢測結(jié)果不穩(wěn)定和抗干擾性差等現(xiàn)象。因此對汽車尾氣檢測倉內(nèi)的環(huán)境要求比較高。溫度對檢測結(jié)果的影響。尤其是對測點(diǎn)的溫度(-7°C±1°C)要求更高。所以環(huán)境參數(shù)就比較嚴(yán)格。環(huán)境溫度變化主要影響空燃比的變化，溫度一般控制在20°C 30°C范圍。溫度越高則大氣的密度越小，根據(jù)流體力學(xué)原理，大氣流動速度加快。那么在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣缸的混合氣體不變的情況下，混合氣體就越稀?；旌蠚獾目杖急却笥诶碚摽杖急?，此時(shí)氣缸內(nèi)混合氣燃燒完全，因此CO的生成量減少，CO排放減少。同時(shí)紅外氣體傳感器的溫度效應(yīng)比較明顯，在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于環(huán)境溫度變化比

17、較大，因此會導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。壓力對檢測結(jié)果的影響。大氣壓力大小對尾氣排放檢測結(jié)果的影響也是比較大的，由于通入氣缸的氣體為空氣和燃油的混合氣，燃油進(jìn)入氣缸的量是固定的，然而通入氣缸的空氣受外界大氣壓力的影響，在氣缸的工作過程中，由于第一行程是進(jìn)氣行程，缸內(nèi)的殘余氣體壓力比較低，近似于真空狀態(tài)。此時(shí)進(jìn)入氣缸的氣體取決于汽缸內(nèi)、外氣體的壓力差。當(dāng)大氣壓力變化時(shí)，氣缸內(nèi)、外壓力差比較大，此時(shí)進(jìn)入氣缸內(nèi)的大氣多少取決于外界大氣壓力。大氣壓力越低，進(jìn)入氣缸的空氣越少，此時(shí)氣缸內(nèi)的混合氣越濃，自然空燃比就越小，混合氣燃燒不充分，CO生成量增加。在汽車檢測的過程中會因?yàn)镃O量增加。第三章 汽車尾所檢測系統(tǒng)

18、檢測方法及原理第三章 汽車尾氣檢測系統(tǒng)檢測方法及原理目前用于汽車尾氣分析的方法主要有三種，即：用不分光紅外分析(NDIR)測量CO、HC和NO；用氫氣火焰離子分析儀(FDI)測量HC；用電化學(xué)原理測量NOx和O2。世界各國在工況法檢測標(biāo)準(zhǔn)中都嚴(yán)格規(guī)定必須采用上述測量方法，但怠速法檢測標(biāo)準(zhǔn)中略有不同。3.1 非擴(kuò)散型紅外線分析儀(NDIR)非擴(kuò)散型(不分光型)紅外線分析儀用來測定廢氣中CO、NO、HC的濃度(主要測量CO的濃度)。它使用非擴(kuò)散型紅外線即NDIR光。當(dāng)紅外線穿透CO、NO和HC與其它氣體的混合物時(shí)，特定波長的紅外線被各種氣體吸收，吸收程度與CO、NO、HC及其它氣體的濃度成正比。非

19、擴(kuò)散型紅外線分析裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖3-1所示，它由兩相同的紅外線光源1、濾波室10、基準(zhǔn)室9、分析室3、檢測室8、信號放大器6及記錄顯示器7等組成。在基準(zhǔn)室9內(nèi)封入對紅外線不吸收的氣體如氮?dú)?，在分析?內(nèi)測定氣體，檢測室8內(nèi)裝有可變電容器，其動極為鋁薄膜5把檢測室8分成左、右兩個(gè)輻射接收室。來自光源的紅外線由反射鏡聚成平行光束，遮光板11又把連續(xù)的光束調(diào)制成一定頻率的光信號。當(dāng)紅外線通過分析室3和基準(zhǔn)室9時(shí)，由于分析室3內(nèi)的一部分紅外線被式樣氣體吸收，結(jié)果檢測室8左、右兩接收室接收的紅外輻射能不同，而轉(zhuǎn)換為壓力作用于薄膜5上。隨紅外線斷斷續(xù)續(xù)地被遮光板11阻擋，薄膜5振動，這一振動又轉(zhuǎn)換為交流

20、電信號，傳送到記錄顯示器7。圖3-1 非擴(kuò)散型紅外線分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖基本檢測原理實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算得出，CO在波長4.7m附近存在著強(qiáng)烈的振動吸收峰，其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾定律。因此，當(dāng)在波長4.7m一定強(qiáng)度的窄帶紅外光附近通過含有CO的混合氣體時(shí)，入射光強(qiáng)度而與出射光強(qiáng)度曉問存在如下關(guān)系(3.1)式中為CO氣體的吸收系數(shù)；C為待測CO氣體的濃度。令：(3.2)則式(3.1)可簡化成：(3.3)或：(3.4)其中：(3.5)顯然，只要測出D及I，即可利用式(3.4)計(jì)算出CO氣體的濃度。3.2 氫火焰離子型分析儀(FD)氫火焰離子型分析儀(Flame Ionization Defector)用

21、來分析HC。由于NDIR對HC中的稀烴和芳香族烴感度低，所以在CVS取樣測定中改用FID分析HC。FID可以測到極小濃度的HC。FID的測量原理是：碳?xì)浠衔镌跉浠鹧嬷腥紵龝r(shí)，火焰的高溫(2000攝氏度)會使其分解產(chǎn)生離子，這些離子的產(chǎn)生和HC濃度成正比。圖3-2為氫火焰離子型分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖，它由噴嘴7、燃燒室1、收集器3、傳感器4等組成。取樣氣體和燃燒氣體在噴嘴A處混合，然后這一混合氣體又在燃燒室1和空氣混合。在噴嘴7和收集器3間加一高電壓，傳感器4計(jì)算火焰中產(chǎn)生離子的數(shù)目，探測在噴嘴7和收集器3這兩個(gè)電極之間流動的離子流大小，依此計(jì)算出HC濃度，其結(jié)果被輸出至記錄器。圖3-2氫火焰離子

22、型分析儀結(jié)構(gòu)原理3.3 化學(xué)發(fā)光法分析(CLD)化學(xué)發(fā)光法分析儀(Chemical Luminscence Detector)用來測量NOx的濃度，其優(yōu)點(diǎn)是感度高、應(yīng)答性好，在0.01濃度范圍內(nèi)輸出特性呈線性關(guān)系，適合連續(xù)分析。在化學(xué)發(fā)光法分析的結(jié)構(gòu)中。在排氣成分中，其它產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的物質(zhì)有CO、稀烴等，它們都以比59mm短的波長發(fā)光，為了消除它們的影響，可用濾波器將這些光波濾除。NO和O3進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所發(fā)出的光通過濾波器，由光電倍增管檢出、放大并測量，這樣就確定了廢氣中NOx的濃度。分析儀是從汽車排氣管內(nèi)收集取出汽車的尾氣，并對氣體中所含有的CO、HC、02和NOx的濃度進(jìn)行

23、連續(xù)測定的儀器。它主要由尾氣取樣系統(tǒng)、尾氣分析系統(tǒng)、指示系統(tǒng)和校正系統(tǒng)等組成。0第四章 汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第四章 汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 汽車尾氣檢測系統(tǒng)的介紹本檢測系統(tǒng)采用不分光紅外分析(NDIR)法測量CO、HC和C02。此方法是建立在惰性氣體不吸收紅外線能量，而異原子組成的氣體如汽車尾氣中的CO、HC、C02等均能吸收一定波長的紅外線能量的基礎(chǔ)上。其吸收能量的紅外線波長稱為特征波長，吸收強(qiáng)度用吸收系數(shù)反映。當(dāng)紅外線通過氣體時(shí)，由于氣體對紅外線波段中特征波長紅外線能量的吸收，紅外線的能量將減少，其減少量與氣體濃度、氣體室厚度和吸收系數(shù)有關(guān)，它服從朗伯-比爾定律。圖4-1 紅外氣體

24、分析裝置結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)上述原理制成的紅外氣體分析裝置如圖4-1所示。紅外線光源發(fā)出的紅外線的波長在27m之間，紅外線經(jīng)過取樣室后，通過旋轉(zhuǎn)的紅外濾光片(紅外濾光片分CO、C02、HC和基準(zhǔn)信號四個(gè)光片組成)到達(dá)光電池產(chǎn)生電信號，由圖4-1紅外氣體分析裝置結(jié)構(gòu)原理所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的紅外濾光片旋轉(zhuǎn)一周，CO、C02、HC和基準(zhǔn)信號四個(gè)濾光片分別通過取樣室下方一次，這樣在光電池上產(chǎn)生兩個(gè)正半周期的正弦波形。本系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/分。氣體的濃度越高，波形幅值越小，反之越大。根據(jù)通入氣體前后的幅值變化，可以得到尾氣各組分含量的檢測結(jié)果。04.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成分析及抗干擾措施4.2.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成分析由

25、于溫度和壓力對檢測結(jié)果的影響比較大，這就要求研究人員在設(shè)計(jì)和升級產(chǎn)品時(shí)采用硬件和軟件干擾措施抑制這些現(xiàn)象。傳感器直接產(chǎn)生的模擬信號一般都比較微弱，并且有干擾信號，必須對它們進(jìn)行放大、濾波，并有效地排除于擾信號。傳感器產(chǎn)生的信號較弱，需要把信號放大和濾波之后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。微處理器在鍵盤的控制下進(jìn)行顯示、通訊、打印、抽氣、排氣等操作。下面分別介紹系統(tǒng)幾個(gè)主要硬件模塊的組成和器件的選擇。傳感器：傳感器是將外界輸入的被測量信號變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測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，通常是將其他能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便

26、進(jìn)一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號。這主要是由于電信號較容易放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲及遠(yuǎn)距離傳送等操作。傳感器精度的高低是影響測控系統(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。紅外氣體傳感器：本系統(tǒng)使用的是美國PerkinElemer公司的紅外氣體傳感器。該傳感器可同時(shí)檢測CO、C02和HC(特別是C2H6，C3H8)的含量，還提供一個(gè)基本信號。大氣壓力傳感器：使用美國IC Sensors公司的HIT-1210型壓力傳感器，選用量程015Psi。1210型是通用的固態(tài)壓阻式壓力傳感器，為雙列直插封裝結(jié)構(gòu)(DIP)。適合于要求長

27、期穩(wěn)定性好、成本低而且使用批量大的場合。A/D轉(zhuǎn)換：微處理器能處理的信號應(yīng)是數(shù)字信號，因此，在智能儀器的輸入通道中加入能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的芯片即A/D轉(zhuǎn)換器。使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)先根據(jù)輸入通道的總誤差，選擇A/D轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。根據(jù)信號對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定A/D轉(zhuǎn)換速度，以保證智能儀器的實(shí)時(shí)性要求，對快速信號必須考慮采樣。在選用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)還應(yīng)考慮智能儀器所處的環(huán)境選擇AD轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù)。不同A/D轉(zhuǎn)換器有不同的輸出狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的接口特性選擇輸出狀態(tài)。A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口一般要完成的操作有微處理器發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換信號，微處理器取回轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號，讀取轉(zhuǎn)

28、換的數(shù)據(jù)。任何信號的A/D轉(zhuǎn)換器可以同任何型號的微處理器接口，但其接口形式隨A/D轉(zhuǎn)換器的型號，以及A/D轉(zhuǎn)換速度、分辨率的要求不同而有所差異。4.2.2硬件電路的抗干擾措施近年來，隨著汽車尾氣排放法規(guī)要求的進(jìn)一步加強(qiáng)和汽車尾氣分析儀的廣泛應(yīng)用，并有效地控制了尾氣排放對大氣污染的影響。但是，汽車尾氣分析儀的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、精確性就成為一個(gè)非常突出的問題。系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行，否則將導(dǎo)致誤差加大，嚴(yán)重時(shí)會使系統(tǒng)失靈。要形成干擾，必有三個(gè)因素，即干擾源、耦合通道和敏感電路。它們之間的聯(lián)系如圖4-2所示。干擾源產(chǎn)生的電磁干擾信號，通過電路或者磁路的傳播和耦合，

29、對易受干擾的電路或器件產(chǎn)生影響，使之工作異常。圖4-2 干擾三要素結(jié)構(gòu)圖為消除和抑制干擾，就要針對這三個(gè)因素采取措施。對于干擾源，要盡量消除，不能消除的，則通過隔離、濾波等措施，盡量減弱其發(fā)出的干擾信號的強(qiáng)度；對于干擾的藕合通道，要切斷或采用濾波、選頻、屏蔽等技術(shù)進(jìn)行抑制：對于對干擾信號敏感的電路或元件，要采用合理接地和退耦、濾波等措施提高電路或元件的抗干擾能力。在本系統(tǒng)中，主要采用了以下方法來防止干擾。首先是濾波技術(shù)。濾波器對噪聲、干擾等進(jìn)行抑制或衰減，特別是對由導(dǎo)線傳導(dǎo)耦合到電路中而又具有一定頻率特征的干擾信號，具有十分明顯的效果。在本課題中，在所有集成元件的電源部分，均并聯(lián)一只0.1uF

30、的電容，濾除從電源竄入的干擾。在信號調(diào)理電路中使用了有源濾波器。其次是光電隔離技術(shù)。光電隔離是由光電耦合器件完成的。光電耦合器件是70年代發(fā)展起來的新型電子元件，是以光為媒介傳輸信號的器件。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關(guān)量輸入電路接入光電藕合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路中的一側(cè)。除此之外，還能起到很好的安全保障作用，因?yàn)樵诠怆婑詈掀鞯妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g有很高的耐壓值，達(dá)500V1000V，甚至更高。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號進(jìn)行耦合，而是以光為媒介進(jìn)行間接禍合，具有較高的

31、電氣隔離和抗干擾能力。本文在單片機(jī)對排氣泵和換向閥的控制中，采用了光電隔離電路，以消除220V電源的繼電器產(chǎn)生的強(qiáng)電流導(dǎo)致的干擾。再次是采用印制電路板抗干擾措施。加粗地線能降低導(dǎo)線電阻，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)信息傳遞方向一致。滿接地，即在印制板上除供傳輸信號用的印制導(dǎo)線外，把電路板上沒有被器件占用的面積全做為接地線等措施。4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.3.1 軟件的控制部分紅外汽車尾氣分析儀的程序是由MCS.51單片機(jī)匯編語言編寫，主要由以下六個(gè)模塊組成：(1)數(shù)據(jù)采集模塊。完成氣泵控制和汽車尾氣各組分的數(shù)模轉(zhuǎn)換。(2)數(shù)據(jù)處理模塊。對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，消除大氣壓

32、力和溫度對它的影響。(3)傳感器標(biāo)定模塊。先通入標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄檢測結(jié)果，制成表格寫入程序。在實(shí)際檢測時(shí)，通過查詢表格或計(jì)算得實(shí)際測試值。(4)液晶顯示模塊。對各組分的測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。(5)與PC機(jī)的通信模塊。包括接受應(yīng)答信號和設(shè)定參數(shù)，發(fā)送采集數(shù)據(jù)等。(6)打印檢測結(jié)果模塊。圖4-3 主程序流程圖4.3.2 紅外傳感器數(shù)據(jù)的采集啟動氣泵進(jìn)行抽氣，尾氣在通過氣室的同時(shí)，紅外傳感器產(chǎn)生微弱的電壓信號。信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后進(jìn)入AD7895。紅外傳感器同時(shí)產(chǎn)生HC、CO2、CO和基準(zhǔn)信號等四種信號，所以需要配置四個(gè)AD7895。AD7895的時(shí)序圖如圖4-4。圖4-4 AD7895的時(shí)序圖由于

33、四種信號同時(shí)產(chǎn)生，所以需要把四個(gè)AD7895的SCLK引腳連到單片機(jī)的同一個(gè)引腳P1.4；把四個(gè)AD7895的CONVST引腳連到單片機(jī)的同一個(gè)引腳P1.7；AD7S95的DOUT端分別接在單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。由于在檢測過程中，傳感器中的濾光片是旋轉(zhuǎn)的，所以產(chǎn)生的電壓信號是類似于正弦波形的。計(jì)算過程中需要取出該信號的峰值差。為減小干擾的影響，在編寫程序時(shí)，采用滑動濾波和平均濾波等方法計(jì)算。結(jié)束語結(jié)束語汽車尾氣檢測理論及其技術(shù)的發(fā)展是隨著汽車技術(shù)不斷進(jìn)步和人們環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)而逐步完善的過程。系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜化、系統(tǒng)功能的多樣化、檢測過程的自動化以及顯示信息的智能

34、化都成為汽車尾氣檢測過程中值得注意而且必須考慮的關(guān)鍵問題。多參數(shù)、智能化、高精度、便攜式及長期穩(wěn)定性方向已成為汽車尾氣檢測的必然要求和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。特別是，汽車發(fā)動機(jī)所摔出的污染物成分和濃度與發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀況密切相關(guān)，所以通過對發(fā)動機(jī)的排氣污染物進(jìn)行檢測，可評價(jià)發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀況，特別是燃油供給系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)狀況。這就為汽車維護(hù)和修理人員提供了很大的方便。(1) 本文在分析了國內(nèi)外汽車尾氣檢測技術(shù)的發(fā)展情況后，提出應(yīng)在設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、智能化、國產(chǎn)化等方面加大研究和開發(fā)力度。(2) 基于比爾定律和氣體對紅外線的選擇性吸收規(guī)律，利用紅外法對汽車尾氣進(jìn)行檢測，能夠滿足多參數(shù)、高精度的要求。并且使用方便，編程量小，是一種較為理想的用于檢測汽車尾氣成分及其