CN102539365A - 一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置及其使用方法，属于光电一体化领域。装置包括内部和外部连部分组成；内部各部件置于长方形绝缘外腔壳内，散热风扇仪器的最前端，后面依次固定n2分子激光器，荧光板，空间滤波器，石英玻璃
、石英玻璃、凸透镜、紫外滤光片、微型光纤光谱仪，各个光学组件的主光轴在同一水平线上；微型光纤光谱仪通过usb数据线与外部计算机相连接，外部结构中长方形绝缘外腔壳设有可调节大小的圆形卡槽，圆形卡槽两边设置有圆形卡槽开关。本发明利用光学的方法，在线检测机动车尾气排放出的物质，从而对机动车的尾气含量是否达标提供有力的依据，也对汽车生产商对机动车燃烧所排出的尾气含量的改进提供了技术依据。
Description
技术领域：
本发明涉及一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置及其使用方法，属于光电一体化领域。
背景技术：
大气是我们人类赖以生存的环境之一，我们人类每时每刻都在不停的使用大气中的各种成分的气体，尤其人类对氧气等一些气体的使用时必不可少的。自然界中植物的光合作用释放也对大气的净化有着巨大的推动。但是在大气中，对于一些气体如；氮气、氧气、氩气、二氧化碳这三种常固定的成分占据大气中的99.997%。一氧化二氮等含量大体上比较固定的气体成分，也有水汽、一氧化碳、二氧化硫和臭氧等变化很大的气体成分。随着社会的发展，人类的日常生活节奏的快速化，工业中排放的废气和人类交通工具机动车的使用率大大增加，排放出的CO2 CO NO2 SO2 H2S 等一些对大气有毒有污染气体的增加，对我们的社会生活和身心健康带来巨大的危害。为了改善这种现象，要对其生产物加以改善和检测控制。本发明专利产品就可以检测机动车尾气含量和物质。从而对机动车燃烧的技术问题的改进有很大的推动。从而也对检测尾气排放超标的机动车辆加以整治，控制机动车对大气污染的排放，从而减少对环境的污染。
现在机动车尾气检测装置在国外有几家公司在做这件事情，近几年国内的很多公司企业也在研发中，技术也日渐成熟，但是由于体积、精确度等缘故成为问题。
发明内容：
本发明提出一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置及其使用方法，利用光学的方法，在线检测单辆机动车尾气排放出的物质成分和物质含量，从而对机动车的尾气含量是否达标提供有力的依据，也对汽车生产商对机动车燃烧所排出的尾气含量的改进提供了技术依据。
本发明专利所解决的方案：一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，装置包括内部和外部连部分组成；内部主要由散热风扇1、 N2分子激光器2、荧光板3、空间滤波器4、石英玻璃 5、石英玻璃6、凸透镜7、紫外滤光片8、微型光纤光谱仪9；外部构造由可拆卸的便携式高压电源10、长方形绝缘外壳11、可调节大小的圆形卡槽12、圆形卡槽开关13、机车排气口14和外部计算机15组成；内部各部件置于长方形绝缘外壳11内，散热风扇1在整台仪器的最前端，后面依次固定N2分子激光器2，荧光板3，空间滤波器4，石英玻璃
5、石英玻璃
6、凸透镜7、紫外滤光片8、微型光纤光谱仪9，各个光学组件的主光轴在同一水平线上；石英玻璃
5和石英玻璃
6平行放置，中间是机车排气口14的通道，紫外滤光片8贴在微型光纤光谱仪9上，凸透镜7到微型光纤光谱仪9的距离等于凸透镜7的焦距，微型光纤光谱仪9通过 USB数据线与外部计算机15相连接，散热风扇1、N2分子激光器2和微型光纤光谱仪9分别和外部的便携式高压电源10相连；外部结构中长方形绝缘外壳11设有可调节大小的圆形卡槽12，可调节大小的圆形卡槽12两边设置有圆形卡槽开关13。
所述的石英玻璃5和石英玻璃
6镀有仿刮痕仿化学液体腐蚀的薄膜；散热风扇1的电源电压在12v左右，小功率的静音风扇；氮气分子激光器2与石英玻璃
5之间区域保持真空；石英玻璃
6与紫外滤光片8之间保持真空；便携光纤光谱仪9中的电荷耦合器件CCD的参数设置，波长范围200~1100nm覆盖范围，高分辨率，石英光纤（对紫外不吸收），狭缝10μm ,25μm标准，还需要1200 线/毫米的光栅（高分辨），选取深紫外（DUV）CCD要选取响应增强型线性硅基CCD阵列像素为2048或3648；像元尺寸14μm x 200μm选择一种特殊的紫外增强型探测器，加强200~350nm 波长范围的响应；检测器长度为30mm，光谱仪大小设计为光谱仪尺寸124×91×35mm、重量0.250kg；N2分子激光器2为输出峰值功率为45 kW ，脉冲持续时间<3.5ns，紫外波长多主要为337.1nm 、357.7nm、315.9nm的N2分子激光器，石英玻璃
5和石英玻璃
6也可以是聚丙烯酸酯（有机玻璃）。
所述氮气分子激光器的机动车尾气检测装置的使用方法，装置完成以后可以按照下面步骤进行：
第一步：固定机动车尾气管14，打开装置两侧的圆形卡槽12，使检测装置与机动车尾气管相连接；
第二步：开启便携式高压电源10，接通连接的氮气分子激光器2和散热风扇1；
第三步：激光器2打出紫外激光，通过荧光片3孔，空间滤波器4，石英玻璃5，对机动车尾气加载光信息，再通过石英玻璃6打在凸透镜7上聚焦，焦点处放上紫外滤光片8让其紫外光通过，紫外光在进入微型光纤光谱仪9；
第四步：紫外光通过光纤光谱仪9的光分析传入光电耦合器件CCD中，进行光电转换，通过USB接入计算机处理通过光纤光谱仪控制的软件- Morpho2011尾气检测软件，分析尾气中各元素的光谱谱线的分布，确定尾气的元素成分和含量；
第五步：仪器中气体检测有效部分是石英玻璃
5和石英玻璃
6的中间空间，组合后也就相当于一个圆柱空间，尾气在这个空间流动，它的体积可以根据石英玻璃
5和石英玻璃
6的面积和距离计算出，根据光谱仪的检测其含量，就可以计算出一定体积内的含量，再根据公式1ppm=1mg/kg=1ml/k，最后比照轻型汽车污染物排放限值，判断是否合格，从而确定机动车尾气排放和机动车性能的好坏。
如果检测到的尾气成分超过极限值，可以判断不符合标准，如果低于极限值，可以判断符合国家要求。
所述的空间滤波器4在整套设备没有封装前要与氮气分子激光器2输出的紫外激光调试，与其参数和光路匹配；圆形卡槽开关13与设备两侧的圆形卡槽12相连接，拨动开关，圆形卡槽打开，根据机动车的排气口14的大小调节开关与通入排气口的圆形卡槽口径的大小与之吻合，后方的圆形卡槽开关全打开排放尾气，检测完成清洁玻璃后前后的圆形卡槽开关关闭，圆形卡槽闭合。
本发明的有益效果：可以提高紫外激光进入到微型光纤光谱仪的光单一性，同时增加光的信息度，通过微型光纤光谱仪，进行在线分析尾气物质元素的光谱数据，从而对机动车的燃烧和排放进行改进提供有力依据。
附图说明：
图1 本发明内部结构示意图；
图2 本发明中N2分子激光器能级图；
图3 本发明外部结构示意图；
图4 本发明线圆形卡槽开关示意图。
图中：1-散热风扇、 2-N2分子激光器、3-荧光板、4-空间滤波器、5-石英玻璃
、6-石英玻璃
、7-凸透镜、8-紫外滤光片、9-微型光纤光谱仪、10-可拆卸的便携式高压电源、11-长方形绝缘外壳、12-可调节大小的圆形卡槽、13-圆形卡槽开关、14-机动车尾气口、15-计算机。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以方便技术人员理解。
如图1所示：本发明的包括内部和外部连部分组成；内部主要由散热风扇1、 N2分子激光器2、荧光板3、空间滤波器4、石英玻璃
5、石英玻璃
6、凸透镜7、紫外滤光片8、微型光纤光谱仪9；内部各部件置于长方形绝缘外壳11内，散热风扇1在整台仪器的最前端，后面依次固定N2分子激光器2，荧光板3，空间滤波器4，石英玻璃
5、石英玻璃6、凸透镜7、紫外滤光片8、微型光纤光谱仪9，各个光学组件的主光轴在同一水平线上；石英玻璃
5和石英玻璃
6平行放置，中间是机车排气口14的通道，紫外滤光片8贴在微型光纤光谱仪9上，凸透镜7到微型光纤光谱仪9的距离等于凸透镜7的焦距，微型光纤光谱仪9通过 USB数据线与外部计算机相连接，散热风扇1、N2分子激光器2和微型光纤光谱仪9分别和外部的便携式高压电源10相连；
所述的石英玻璃
5和石英玻璃
6镀有仿刮痕仿化学液体腐蚀的薄膜，可以避免在仪器使用完后擦拭中防止对玻璃产生的划痕；散热风扇1的电源电压在12v左右，小功率的静音风扇，尽量在保证散热的同时减小因风扇产生的噪声；氮气分子激光器2与石英玻璃
5之间区域保持真空，石英玻璃
6与紫外滤光片8之间保持真空，以保证不让其他杂质粉尘颗粒和其他光进入设备；便携光纤光谱仪9中的电荷耦合器件CCD的参数设置，波长范围200~1100nm覆盖所选N2分子激光器2的波长，高分辨率，石英光纤（对紫外不吸收），狭缝10μm ,25μm标准，还需要1200 线/毫米的光栅（高分辨），选取深紫外（DUV）CCD要选取响应增强型线性硅基CCD阵列像素为2048或3648（分辨率高误差小）；像元尺寸14μm x 200μm，选择一种特殊的紫外增强型探测器，加强 200~350nm 波长范围的响应，这样可以减小误差加强紫外探测器的灵敏度；检测器长度为30mm，光谱仪大小设计为光谱仪尺寸124×91×35mm、重量0.250kg，体积小、使用方便灵敏度高误差小。
如图2所示：根据N2分子激光器能级图，优选的N2分子激光器2为输出峰值功率为45 kW ，脉冲持续时间<3.5ns，紫外波长多主要为337.1nm 、357.7nm、315.9nm的N2分子激光器，石英玻璃
5和石英玻璃
6也可以是聚丙烯酸酯（有机玻璃）。
如图3所示：外部构造由可拆卸的便携式高压电源10、长方形绝缘外壳11、可调节大小的圆形卡槽12、圆形卡槽开关13、机车排气口14和外部计算机15组成；外部结构中长方形绝缘外壳11设有可调节大小的圆形卡槽12，可调节大小的圆形卡槽12两边设置有圆形卡槽开关13；圆形卡槽开关13与设备两侧的圆形卡槽12相连接，拨动开关，圆形卡槽打开，根据机动车的排气口14的大小调节开关与通入排气口的圆形卡槽口径的大小与之吻合，后方的圆形卡槽开关13全打开排放尾气，检测完成清洁玻璃后前后的圆形卡槽开关13关闭，圆形卡槽12闭合。
所述的空间滤波器4在整套设备没有封装前要与氮气分子激光器2输出地紫外激光调试，与其参数和光路匹配；在装置完成装配以后可以按照以下步骤进行检测：
第一步：固定机动车尾气管14，打开装置两侧的圆形卡槽12，使检测装置与机动车尾气管14相连接；
第二步：开启便携式高压电源10，接通连接的氮气分子激光器2和散热风扇1；
第三步：激光器2打出紫外激光，通过荧光片3孔，空间滤波器4，石英玻璃5，对机动车尾气排放加载光信息，再通过石英玻璃6打在凸透镜7上聚焦，焦点处放上紫外滤光片8让其紫外光通过，紫外光在进入微型光纤光谱仪9；
第四步：紫外光通过光纤光谱仪9的光分析传入光电耦合器件CCD中，进行光电转换，通过USB接入计算机处理通过光纤光谱仪控制的软件- Morpho2011尾气检测软件，分析尾气中各元素的光谱谱线的分布，确定尾气的元素成分和含量；
第五步：仪器中气体检测有效部分是石英玻璃
5和石英玻璃
6的中间空间，组合后也就相当于一个圆柱空间，尾气在这个空间流动，它的体积可以根据石英玻璃
5和石英玻璃
6的面积和距离计算出，根据光谱仪的检测其含量，就可以计算出一定体积内的含量，再根据公式1ppm=1mg/kg=1ml/k，最后比照轻型汽车污染物排放限值，判断是否合格，从而确定机动车尾气排放和机动车性能的好坏。
轻型汽车污染物排放限值：
如果检测到的尾气成分超过极限值，可以判断不符合标准，如果低于极限值，可以判断符合国家要求。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (12)
1.一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：装置包括内部和外部连部分组成；内部主要由散热风扇(1)、N2分子激光器(2)、荧光板(3)、空间滤波器(4)、石英玻璃 
(5)、石英玻璃
(6)、凸透镜(7)、紫外滤光片(8)、微型光纤光谱仪(9)、外部构造由可拆卸的便携式高压电源(10)、长方形绝缘外壳(11)、可调节大小的圆形卡槽(12)、圆形卡槽开关(13)、机车排气口（14）和外部计算机（15）组成；内部各部件置于长方形绝缘外壳(11)内，散热风扇(1)在整台仪器的最前端，后面依次固定N2分子激光器(2)，荧光板(3)，空间滤波器(4)，石英玻璃(5)、石英玻璃
(6)、凸透镜(7)、紫外滤光片(8)、微型光纤光谱仪(9)；各个光学组件的主光轴在同一水平线上，石英玻璃
(5)和石英玻璃
(6)平行放置，中间是排气管的通道，紫外滤光片(8)贴在微型光纤光谱仪(9)上，凸透镜(7)到微型光纤光谱仪(9)的距离等于凸透镜(7)的焦距，微型光纤光谱仪(9)通过 USB数据线与外部计算机（15）相连接，散热风扇(1)、N2分子激光器(2)和微型光纤光谱仪(9)分别和外部的便携式高压电源(10)相连；外部结构中长方形绝缘外壳(11)设有可调节大小的圆形卡槽(12)，可调节大小的圆形卡槽（12）两边设置有圆形卡槽开关(13)。
2.根据权利要求1中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：石英玻璃
(5)、石英玻璃
(6)表面镀有仿刮痕仿化学液体腐蚀的薄膜，做成规则的圆形或者方形。
3.根据权利要求1中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：散热风扇1的电源电压在12v左右，小功率的静音风扇。
4.根据权利要求1中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：氮气分子激光器2与石英玻璃
(5)之间区域保持真空。
5.根据权利要求1中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：石英玻璃
(6)与紫外滤光片（8）之间保持真空。
6.根据权利要求1中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：便携光纤光谱仪（9）中的电荷耦合器件CCD的参数设置，波长范围200~1100nm覆盖范围，高分辨率，石英光纤，狭缝10μm ,25μm标准，还需要1200 线/毫米的光栅，选取深紫外（DUV）CCD要选取响应增强型线性硅基CCD阵列像素为2048或3648；像元尺寸14μm x 200μm选择一种特殊的紫外增强型探测器，加强200~350nm 波长范围的响应；检测器长度为30mm，光谱仪大小设计为光谱仪尺寸124×91×35mm、重量0.250kg。
7.根据权利要求1中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：N2分子激光器（2）为输出峰值功率为45 kW ，脉冲持续时间<3.5 ns，紫外波长多主要为337.1nm 、357.7nm、315.9nm的N2分子激光器。
8.根据以上任何一项权利要求中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置，其特征在于：石英玻璃(5)、石英玻璃(6)可以用聚丙烯酸酯（有机玻璃）替换。
9.一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置的使用方法，其特征在于：装置完成以后可以按照下面步骤进行：
第一步：固定机动车尾气管（14），打开装置两侧的圆形卡槽（12），使检测装置与机动车尾气管（14）相连接；
第二步：开启便携式高压电源（10），接通连接的氮气分子激光器（2）和散热风扇（1）；
第三步：激光器（2）打出紫外激光，通过荧光片（3）孔，空间滤波器（4），石英玻璃
（5），对机动车尾气加载光信息，再通过石英玻璃
（6）打在凸透镜（7）上聚焦，焦点处放上紫外滤光片(8)让其紫外光通过，紫外光在进入微型光纤光谱仪(9)；
第四步：紫外光通过光纤光谱仪(9)的光分析传入光电耦合器件CCD中，进行光电转换，通过USB接入计算机（15）处理通过光纤光谱仪控制的软件- Morpho2011尾气检测软件，分析尾气中各元素的光谱谱线的分布，确定尾气的元素成分和含量；
第五步：仪器中气体检测有效部分是石英玻璃
（5）和石英玻璃
（6）的中间空间，组合后也就相当于一个圆柱空间，尾气在这个空间流动，它的体积可以根据石英玻璃
（5）和石英玻璃（6）的面积和距离计算出，根据光谱仪的检测其含量，就可以计算出一定体积内的含量，再根据公式1ppm=1mg/kg=1ml/k，最后比照轻型汽车污染物排放限值，判断是否合格，从而确定机动车尾气排放和机动车性能的好坏。
10.根据权利要求9中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置的使用方法，其特征在于：如果检测到的尾气成分超过极限值，可以判断不符合标准，如果低于极限值，可以判断符合国家要求。
11.根据权利要求9中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置的使用方法，其特征在于：空间滤波器4在整套设备没有封装前要与氮气分子激光器输出的紫外激光调试，与其参数和光路匹配。
12.根据权利要求9中所述的氮气分子激光器的机动车尾气检测装置的使用方法，其特征在于：圆形卡槽开关（13）与设备两侧的圆形卡槽（12）相连接，拨动开关，圆形卡槽（12）打开，根据机动车的排气口径的大小调节开关与通入排气口的圆形卡槽口径的大小与之吻合，后方的圆形卡槽开关全打开排放尾气，检测完成清洁玻璃后前后的圆形卡槽开关（13）关闭，圆形卡槽（12）闭合。
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