機(jī)動(dòng)車尾氣檢測配套核心傳感器研究

1、機(jī)動(dòng)車尾氣檢測配套核心傳感器研究摘要：在分析我國機(jī)動(dòng)車尾氣檢測技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)尾氣檢測核心模塊：尾氣分析光學(xué)平臺(tái)、轉(zhuǎn)速RPM模塊開發(fā)的必要性。通過采用新型的光機(jī)電一體化紅外分析技術(shù)，配合嵌入式軟硬件系統(tǒng)，開發(fā)了一體化的尾氣檢測光學(xué)平臺(tái)。基于振動(dòng)和噪聲分析原理和DSP信號(hào)分析處理技術(shù)，開發(fā)成功新型的轉(zhuǎn)速傳感器。以上兩個(gè)尾氣檢測配套模的國產(chǎn)化開發(fā)，大大減少了我國對(duì)國外核心部件的依耐性，將進(jìn)一步推動(dòng)我國汽車檢測維修技術(shù)的發(fā)展。、/-、一前言近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和汽車保有量的飛速增加，汽車排放污染已經(jīng)成為主要污染源之一，特別是在一些大型城市，機(jī)動(dòng)車排放污染已經(jīng)成為首要污染，治

2、理汽車尾氣的呼聲日益強(qiáng)烈。我國現(xiàn)行的在用車排放標(biāo)準(zhǔn)為怠速法。由于只規(guī)定測量HC、CO的排放濃度，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前汽車技術(shù)以及環(huán)保要求的需要。1999年國家環(huán)?？偩珠_始要求對(duì)安裝了閉環(huán)控制和三元催化凈化系統(tǒng)的車輛尾氣測量采用雙怠速法進(jìn)行，并逐步推行簡易工況法。2003年北京開始推行簡易工況法。2005年7月1日有關(guān)汽車排氣污染物排放限值及測量方法GB18285-2005發(fā)布，規(guī)定了雙怠速法排放氣體測試儀器技術(shù)條件以及穩(wěn)態(tài)工況，瞬態(tài)工況以及簡易瞬態(tài)工況法等測量方法。汽車工業(yè)的發(fā)展同時(shí)帶動(dòng)了我國汽車維修業(yè)的發(fā)展。為規(guī)范其發(fā)展，交通主管部門開始對(duì)汽車維修業(yè)全面管理，1997年開始的汽車維修業(yè)開業(yè)條件國

3、家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)維修市場發(fā)展帶來了積極的作用。2004年針對(duì)新形式下的汽車維修企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，提出了新的汽車維修業(yè)開業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)，并于2005年1月1日開始實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，2類以上的維修企業(yè)必須具備尾氣分析儀才允許開業(yè)，因此刺激了維修市場對(duì)尾氣分析儀的需求。尾氣分析儀以往主要有一些檢測站和國家環(huán)保部門購買，是一種“罰款工具”。一般維修企業(yè)具備很少。但新的汽車維修業(yè)開業(yè)條件將尾氣分析儀作為一種“維修工具”。以往購買尾氣分析儀需要的款項(xiàng)一般由管理部門承擔(dān)，由于通過檢測具有快速盈利的可能，因此對(duì)尾氣分析儀的價(jià)格不是十分敏感。但是對(duì)于汽車維修企業(yè)，大量企業(yè)是民營性質(zhì)，企業(yè)規(guī)模不大，在我國維修技術(shù)還不發(fā)達(dá)的情況下

4、，維修人員還遠(yuǎn)沒有達(dá)到認(rèn)為尾氣分析可以作為維修手段，相反尾氣檢測可能會(huì)為其本身帶來有關(guān)維修質(zhì)量的糾紛。所以尾氣分析儀對(duì)于維修企業(yè)來講，還不是一種自愿的需求。高價(jià)格的尾氣分析儀很難在我國維修企業(yè)得到推廣。我國目前尾氣分析儀生產(chǎn)廠家有10余家，大都采用進(jìn)口核心光學(xué)平臺(tái)(NDIR三氣傳感器)組裝。國際上主要的平臺(tái)供應(yīng)商有Adros,Sensors,Horiba,CityTech等。雖然我國也有企業(yè)曾經(jīng)開發(fā)過尾氣光學(xué)平臺(tái)，由于我國的紅外氣體分析技術(shù)主要靠80年代與國外的合資引進(jìn)，進(jìn)入90年代后，特別是隨著IT技術(shù)的發(fā)展，國際上紅外氣體分析技術(shù)得到了快速的發(fā)展，價(jià)格也直線下降，國內(nèi)以往的技術(shù)在產(chǎn)品性能和

5、生產(chǎn)成本上都不具備競爭優(yōu)勢。國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品宣傳中的“采用進(jìn)口先進(jìn)光學(xué)平臺(tái)”優(yōu)勢實(shí)際上也是企業(yè)不得已的選擇。采用進(jìn)口關(guān)學(xué)平臺(tái)不僅大大增加了儀器的整體成本，同時(shí)在維修上也造成困難。因此尾氣檢測核心光學(xué)平臺(tái)的國產(chǎn)化十分必要。此外與尾氣檢測配套的轉(zhuǎn)速傳感器(RPM)隨著我國雙怠速以及工況法檢測技術(shù)的發(fā)展需求旺盛。我國目前普遍采用轉(zhuǎn)速鉗的方式測量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速鉗方式需要打開發(fā)動(dòng)機(jī)蓋進(jìn)行測量，同時(shí)也容易損壞，對(duì)于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)無法適應(yīng)。從國際上尾氣檢測線使用情況來看，大都傾向采用振動(dòng)和噪聲原理生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速傳感器。振動(dòng)噪聲原理測量轉(zhuǎn)速在理論上十分成熟，但是作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量的專用模塊國內(nèi)目前還沒有成熟的產(chǎn)品。國

6、際上，奧地利AVL公司推出的490型產(chǎn)品就是采用該原理生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速傳感器，在我國尾氣檢測線上得到大量應(yīng)用。為控制機(jī)動(dòng)車排放，我國近年來加大了尾氣檢測站的建設(shè)，不管采用怠速法還是其它工況法檢測，尾氣分析儀和轉(zhuǎn)速RPM傳感器都是基本配置。因此開發(fā)新型的轉(zhuǎn)速傳感器(RPM)也十分必要。尾氣分析傳感器(光學(xué)平臺(tái))非分光紅外(NDIR)氣體分析技術(shù)是尾氣成分檢測的關(guān)鍵技術(shù)。以往NDIR氣體傳感器采用鎳錯(cuò)絲作為紅外光源、采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制，儀器功耗大，且穩(wěn)定性差，儀器造價(jià)也很高。同時(shí)采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對(duì)振動(dòng)十分敏感，因此不

7、適合尾氣的便攜測量,生產(chǎn)成本也很高。隨著紅外光源、紅外探測器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速的發(fā)展。主要表現(xiàn)在采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。1.1NDIR尾氣分析原理當(dāng)紅外光通過待測氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長的紅外光有吸收,其吸收關(guān)系服從朗伯一比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行光，其強(qiáng)度為10,出射光的強(qiáng)度為I,氣體介質(zhì)的厚度為L。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí)，根據(jù)朗伯一比爾吸收定律：dI/I=-KdN，式中K為比例常

8、數(shù)。經(jīng)積得:lnI=-KN+a,式中:N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù)；a為積分常數(shù)。顯然有N*cl,c為氣體濃度。貝I：I=exp(a)exp(-KN)=exp(a)exp(-pcL)=I0exp(-pcL)光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度c及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)M互不相同。對(duì)同一氣體川則隨入射波長而變。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體，則式(2)應(yīng)改為：I=I0exp(-lpici)，因此對(duì)于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測氣體濃度變化。以CO2分析為例，紅外光源發(fā)射出1-2

9、0um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個(gè)4.26pm波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測透過4.26um波長紅外光的強(qiáng)度，以此表示CO2氣體的濃度，如果在探測器端放置一種具備四元的探測器，并配備四種不同波長的濾光片，如C02、CO、HC以及參考的濾光片，則在一個(gè)傳感器內(nèi)就可以完成對(duì)尾氣成分中CO2、CO、HC的同時(shí)測量。尾氣分析傳感器內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖1所示：圖1尾氣分析傳感器系統(tǒng)框圖圖1上方虛線區(qū)域?yàn)閭鞲衅鞯墓鈱W(xué)系統(tǒng)部分，為了減少紅外傳感器微弱信號(hào)的衰減以及外界信號(hào)干擾，將前置放大電路也一并放在光學(xué)部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號(hào)具有較好的分辨率，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)

10、設(shè)計(jì)時(shí),紅外光源、氣室、紅外探測器應(yīng)設(shè)置在同一光軸上。此外為了使得信號(hào)足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩(wěn)流供電,供電電壓和電流根據(jù)使用的光源不同而不同。工作時(shí),傳感器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光，紅外光源發(fā)出的紅外光通過窗口材料入射到測量氣室,測量氣室由采樣氣泵連續(xù)將被測氣體通入測量氣室,氣體吸收特定波長的紅外光,透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測。由于調(diào)制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流信號(hào)，通過其后的前置放大電路放大后在一次經(jīng)過高精密放大整流電路，得到一個(gè)與被測氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)送入ADuc832系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測其工作環(huán)境溫度，并在其

11、外殼上社有微型加熱裝置，通過Aduc832系統(tǒng)控制傳感器的溫度。紅外傳感器信號(hào)經(jīng)過Aduc832系統(tǒng),并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補(bǔ)償?shù)溶浖幚砗?給出氣體濃度測量值，并將其濃度信號(hào)通過RS232串口輸出。此外，在本傳感器控制系統(tǒng)內(nèi)，除RS232外，同時(shí)設(shè)計(jì)有液晶顯示（支持240*128）、微型打印、鍵盤輸入、氣泵控制、報(bào)警輸出等接口。因此組裝尾氣分析儀已經(jīng)十分方便，不需要額外的技術(shù)開發(fā)工作。1.2關(guān)鍵技術(shù)問題121紅外光源調(diào)制傳統(tǒng)的紅外氣體傳感器采用連續(xù)紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件，其發(fā)出紅外光的波長在215“m之間，由于其熱容量大，通常采用切光片對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。因此需要

12、一個(gè)同步電機(jī)帶動(dòng)切光片旋轉(zhuǎn)，其缺點(diǎn)在于存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)?？拐裥圆?、攻耗大、不適合于便攜設(shè)備；其次，為保證調(diào)制的頻率，還需要嚴(yán)格同步的電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路，使得系統(tǒng)復(fù)雜化，成本也大大增加。本研究采用了國際上最新研制的MEMS技術(shù)紅外光源，熱容量很低，升降溫速度很快。紅外光源發(fā)射窗口上安裝有透明螢石窗,可以保證發(fā)射的紅外光波長在2-9um范圍內(nèi)，適合于對(duì)尾氣中的氣體如C02、CO、HC的檢測。122紅外探測器紅外探測器是該傳感器的核心部件，傳感器的測量精度很大程度取決于探測器性能。本研究采用高靈敏度熱釋電紅外傳感器，并且在TO5的封裝上固定安裝有針對(duì)不同氣體的窄帶干涉濾光片以及一種參考濾光片。通過使用固定

13、有不同波長濾光片的的紅外探測器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測量。尾氣分析光學(xué)平臺(tái)使用的探測器就是在一體化的四元探測器上安裝有四個(gè)不同的濾光片（CO2、CO、HC、參考），實(shí)現(xiàn)對(duì)三種氣體的同時(shí)測量（如圖2）。圖2：濾光片一體化四元紅外探測紅外探測器以及光源隨著使用時(shí)間的增長，紅外發(fā)射功率以及紅外探測效率會(huì)隨之降低，因此會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的衰減，氣體濃度信號(hào)會(huì)發(fā)生失真。本研究采用了“單光束、多波長”的方法，通過確定測量通道與參考通道的比值來減少以上因素對(duì)測量信號(hào)的影響。123測控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的測量、控制以及自動(dòng)標(biāo)定等功能，需要一個(gè)合適的微控制器來管理傳感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc832

14、系統(tǒng)。ADuc832是一個(gè)全集成的12位數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，除含有8路12為A/D外，還具有2路D/A、8052內(nèi)核、64K程序儲(chǔ)存器、640字節(jié)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器以及UART、rc、SPI等串行I/O等功能。ADuc832集如此強(qiáng)大的模擬與數(shù)字功能與一體，作傳感器測控系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)勢。ADuc832通過采集參考和測量四路紅外直流信號(hào)，確定信號(hào)的差值和比值，通過測量標(biāo)準(zhǔn)氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度，并通過ADuc832系統(tǒng)的串口每1秒向外部設(shè)備發(fā)送測量濃度數(shù)據(jù)。此外，在ADuc832多余的數(shù)據(jù)線和地址線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、打印驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤輸入

15、模塊、氣泵控制、報(bào)警等接口，用戶可以通過安裝這些標(biāo)準(zhǔn)模塊,方便地操作分析儀器。通過ADuc832的的D/A控制，可以控制液晶LCD的背光。通過采用以上技術(shù)，尾氣分析光學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)比以往儀器將大大簡化，儀器功耗也大幅度降低。124量程匹配及干擾校正對(duì)于汽車尾氣檢測，由氣體中有CO、C02、HC等氣體，C02在主吸收峰的吸收最大,CO、HC的吸收很小。由于需要在一個(gè)氣室中完成對(duì)CO、CO2、HC的同時(shí)測量，因此CO2只能采用其次峰。由于受帶寬的限制，CO2次峰與CO的主峰間存在交叉，因此本傳感器存在一個(gè)氣體量程匹配和相互干擾的去除問題。新型尾氣分析光學(xué)平臺(tái)通過選用合適的中心波長和帶寬，配合通過實(shí)驗(yàn)

16、確定的干擾消除程序，成功地在一個(gè)氣室內(nèi)完成了尾氣成分測量范圍的匹配，并消除了CO、CO2之間的相互干擾。新型尾氣檢測關(guān)學(xué)平臺(tái)如下圖3所示：圖3：尾氣檢測光學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖轉(zhuǎn)速RPM傳感器轉(zhuǎn)速傳感器在我國使用普遍。目前我國在對(duì)機(jī)動(dòng)車檢測和維修時(shí)測量轉(zhuǎn)速還普遍采用速鉗模式，測量點(diǎn)火線圈的脈沖。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。但是該傳感器需要打開發(fā)動(dòng)機(jī)蓋測量，容易受高溫?fù)p壞，同時(shí)不適合壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)測量。本文介紹一種基于振動(dòng)和噪聲原理的新型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，同時(shí)適合點(diǎn)燃式和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。振動(dòng)傳感器測量轉(zhuǎn)速在我國研究多年，但大都基于PC計(jì)算機(jī)技術(shù)，很少見到脫離PC的模塊化產(chǎn)品。本傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4：選擇

17、合適量程的振動(dòng)傳感器VIB和聲音傳感器VIC,配合電荷放大器和電壓放大器，將需要測量的振動(dòng)和噪聲信號(hào)預(yù)處理信號(hào)引入CODEC解碼芯片進(jìn)行數(shù)字化，此后DSP對(duì)進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行處理，從復(fù)雜的信號(hào)數(shù)據(jù)中通過FFT算法得到其頻譜，然后根據(jù)算法確定發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的主要頻率，根據(jù)振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)類型最后計(jì)算法定機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)工況法檢測線的要求，轉(zhuǎn)速傳感器至少需要0.5秒輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。由于頻譜分析需要很大的數(shù)據(jù)計(jì)算量，本傳感器采用了類似聲卡技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方法。同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量時(shí)會(huì)有大量的噪聲干擾，通用的FFT程序很難得到高精度的轉(zhuǎn)速測量，本傳感器通過設(shè)計(jì)合理的抗干擾振動(dòng)探頭，配合優(yōu)化的TTF算法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的高精度測量。圖4是該傳感器信號(hào)通過計(jì)算機(jī)同時(shí)采集并通過計(jì)算機(jī)頻譜分析軟件的分析結(jié)果，通過比較發(fā)現(xiàn)，基于DSP技術(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器能夠快速輸出準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5是該傳感器的實(shí)物圖。