CN105158206A - 一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该激光检测系统包括光学吸收池和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置；其特征在于：所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出的激光束通过光纤传输至光纤法兰，穿过窗口镜射入漫反射池；在漫反射池内，激光束由漫反射镜漫反射至聚焦透镜聚焦后经光电探测器送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将直流分量对二次谐波信号进行光强归一化处理；然后先采用L-M算法对所述的拟合函数模型进行最小二乘拟合，再对拟合后的二次谐波信号序列进行温度修正，直接计算出机动车尾气中氧气浓度。

Description

一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试材料，具体涉及利用激光光谱检测气体浓度。

背景技术

当前大气污染问题日益严重，随着我国机动车保有量的不断增加，机动车尾气排放量也不断，机动车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等成为大气气态污染物的主要来源。氧气是机动车内燃机燃烧过程的助燃剂，通过对机动车尾气中的氧气浓度进行实时检测，可以对机动车内燃机燃烧过程进行诊断，优化器燃烧过程，减少气态污染物的排放水平。

现有机动车尾气中氧气浓度的检测系统主要有：采用氧化锆探测器的检测系统和采用道路边激光遥测系统。采用氧化锆探测器的检测系统的探测器寿命短，而且容易受灰尘、温度等因素影响，检测精度不高；采用道路边激光遥测系统不能检测实际车况、路况下的氧气水平，且易受环境空气中的氧气的影响，两种方法均不能精确反映尾气中氧气浓度的变化。

公开号为CN101387607A的发明专利申请公开了一种红外激光光谱的氧气原位检测方法，该方法将激光器输出的光束由球面镜耦合进多次反射池(Herriott)内，在多次反射池中多次反射后，出射光束经第一球面镜和校准池槽聚焦在光电探测器的光敏面上，再经过屏蔽电缆传输到系统主机；在主机内，首先由滤波放大电路对光电信号进行处理，然后送到锁相放大器进行二次谐波检测，数据采集、处理和控制模块对二次谐波信号进行AID转换和数字采集，谐波信号进行多次累加平均后得到一条测量谱，再以该测量谱对校准谱作最小二乘拟合即得测量氧气浓度。上述专利申请所述的方法虽然检测氧气浓度，但是，该方法用于检测机动车尾气中的氧气还存在以下不足：1、由于机动车尾气中氧气的浓度很低，加之在行驶过程中情况复杂，不仅机械振动剧烈，而且尾气中氧气浓度变化快速、频繁，而激光探测器靶面又小，因此很容易造成激光束失调，不能长期稳定工作。2、采用测量谱对已知浓度标准氧气所得到的校准谱作最小二乘拟合，而其中所使用的校准谱则无法机动车在行驶过程中获得，必然会导致获取检测光谱与获取准标准光谱的条件不一致，因此拟合反演结果欠准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该系统工作稳定，而且不需要建立校准谱即可实现机动车尾气氧气浓度的实时检测。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该激光检测系统包括光学吸收池和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置，其中，所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、光电探测器和温度传感器；其特征在于：

所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池，该漫反射光学吸收池包括一圆柱形的吸收池，所述吸收池的一头设有漫反射镜，另一头设有聚焦透镜和窗口镜；其中，所述的漫反射镜具有一球冠状的凹面，该凹面上镀有阳极氧化铝颗粒形成漫反射膜；所述的窗口镜倾斜安装在漫反射光学吸收池的端盖上，其折射的光束指向漫反射镜的凹面；所述的窗口镜外侧设有光纤法兰，并通过光纤与可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的半导体激光器连接；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的光电探测器设在聚焦透镜的外侧；所述的温度传感器设在漫反射光学吸收池中；

所述激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的方法包括以下步骤：

所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出中心波长761nm的激光束通过光纤传输至光纤法兰，穿过窗口镜射入漫反射池；在漫反射池内，激光束由漫反射镜漫反射至聚焦透镜聚焦后经光电探测器送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将直流分量对二次谐波信号进行光强归一化处理，得到光强归一化后的二次谐波信号序列；然后，

1)在已知浓度、压力和参考温度条件下对所述的激光检测系统进行校准，从而获取参考温度下的氧气吸收系数a₀(T₀)和有效光程L；

2)根据洛仑兹线型构造如下式II)所示的二次谐波信号序列y_2f(i)的拟合函数模型：

y_2f(i)＝Ca₀(T₀)LS₂(V,m)+y₀II)

V＝(i-i₀)Δx

式II)中，C为氧气浓度，S₂(V,m)为二次谐波信号的洛伦兹线型表达式，y₀为二次谐波信号的基线偏移量，i为二次谐波信号序列的采样位置，i₀为二次谐波信号序列y_2f(i)的中心位置，Δx为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数；

3)采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式II)所示拟合函数模型进行最小二乘拟合，从而得到拟合后的二次谐波信号序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中各参数初值的确定方法如下：

y₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)各采样点信号的平均值；

i₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max所对应的采样位置；

Δx的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得：

A)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max与最小值Y_min之比R；

B)根据DSP微处理器中预设的R值与m为二倍频调制系数理论值曲线，获得m的初值；

C)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中两个过零采样点的间隔数iz；

D)根据DSP微处理器中预设的R值与二次谐波信号过零点的波长间距理论值x_z曲线按下式Ⅲ)计算Δx的初值：

E)根据m的初值、二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max按下式Ⅳ)计算获得C的初值：

Ⅳ)；

4)根据漫反射光学吸收池内温度传感器获得的气体温度T按下式Ⅴ)对拟合后的二次谐波信号序列进行温度修正，并直接计算出机动车尾气中氧气浓度C_corr：

$C_{corr}=\frac{C_{raw}}{\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}}---V)$

式Ⅴ)中，C_raw为最小二乘拟合得到的初始氧气浓度，为温度修正因子，并根据下式Ⅵ)获得：

$\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}=\frac{T_0}{T}\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\frac{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_{B}T})}{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_B{T}_0})}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\mathrm{\η}}---VI)$

式Ⅵ)中，E″为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总配分函数，Q(T0)为参考温度下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，η为谱线展宽的温度依赖系数常数。

上述方案中，所述的漫反射膜的表面粗糙度优选为1-2μm。

相较于现有技术，本发明的优点效果在于：

1)由于本发明所述的激光检测系统用所述的漫反射光学吸收池取代了现有技术所使用的多次反射池，尤其是将池内的漫反射镜的反射面设计成球冠状的凹面，并在凹面内镀有阳极氧化铝颗粒形成漫反射膜，因此当平行的激光束入射到反射面后就会变换为无规则的漫反射，显著增加了激光的反射路径，并在其球冠状的凹面作用下聚集到聚焦透镜上，再聚焦于光电探测器上，明显改善了现有技术容易产生激光对准失调的不足。

2)本发明先采用L-M算法对所述的拟合函数模型进行最小二乘拟合，再对拟合后的二次谐波信号序列进行温度修正，直接计算出机动车尾气中氧气浓度，不仅省去了现有方法预先测量标准谱线的繁锁步骤，而且排除了获取检测光谱与获取准标准光谱的条件不一致的缺点，显著提高了检测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明所述的激光检测系统的一个具体实施例的原理图。

图2和图3为本发明所述的激光检测系统中漫反射光学吸收池的一个具体实施例的结构示意图，其中，图2为主视图，图3为左视图；图中的虚线箭头表示窗口镜的折射光束。

图4采用图1所示激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明所述的激光系统包括漫反射光学吸收池1和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2。

参见图1，可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2由半导体激光器3、驱动半导体激光器3的温度与电流的控制器4、产生调制信号与倍频信号的信号发生器5、光电探测器6、光电探测器信号滤波放大的前置放大电路7、提取二次谐波信号的锁相放大器8和对前置放大电路7输出的直流信号、锁相放大器8输出的二次谐波信号和温度传感器9输出的温度信号进行处理的DSP微处理器10组成。

参见图2和图3，漫反射光学吸收池的吸收池11为圆柱形，其进气口12和出气口13分别设在接近吸收池11左右两端的上下两侧；左端盖14上设有漫反射镜15，右端盖16上设有聚焦透镜17和窗口镜18。漫反射镜15具有一球冠状的凹面19，该凹面19上镀有阳极氧化铝颗粒形成表面粗糙度为1.5μm漫反射膜20。窗口镜18倾斜安装在漫反射光学吸收池的右端盖16上，其折射的光束指向漫反射镜15的凹面19。漫反射膜的表面糙度优选为1-2μm

参见图2并结合图1，吸收池11的窗口镜18的外侧设有光纤法兰21，并通过光纤22与可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2中的半导体激光器3连接；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2中的光电探测器6设在聚焦透镜17的外侧；所述的温度传感器9设在漫反射光学吸收池1中。

参见图4并结合图1和图2，上述激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的方法如下：

所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2的半导体激光器3输出中心波长761nm的激光束通过光纤13传输至光纤法兰21，穿过窗口镜18射入漫反射池1；在漫反射池1内，激光束由漫反射镜15漫反射至聚焦透镜17聚焦后经光电探测器6变换成电信号送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2的前置放大电路7；前置放大电路7接收到的电信号进行放大滤波后分成两路，一路信号经锁相放大器8二倍频调制后输出二次谐波信号序列P_2f(i)至DSP微处理器10，另一路直接传输至DSP微处理器10，由DSP微处理器10根据光谱信号序列中的最大值B_max和最小值B_min按下式I)对二次谐波信号序列P_2f(i)进行光强归一化，得到光强归一化后的二次谐波信号序列y_2f(i)：

$y_{2f}\left(i\right)=\frac{P_{2f}\left(i\right)}{P_{DC}}$

$P_{DC}=\frac{B_{max}+B_{min}}{2}---I)$

式I)中，P_DC光谱信号序列中的直流分量；然后，

1)配制氧气浓度为20.9％的标准气体，在压力为1013hPa、温度为296K(即下式Ⅱ中的参考温度T₀)条件下对所述激光系统进行校准，从而获取参考温度下的氧气吸收系数a₀(T₀)和有效光程L；

2)根据洛仑兹线型构造如下式II)所示的二次谐波信号序列y_2f(i)的拟合函数模型：

y_2f(i)＝Ca₀(T₀)LS₂(V,m)+y₀II)

V＝(i-i₀)Δx

式II)中，C为氧气浓度，S₂(V,m)为二次谐波信号的洛伦兹线型表达式，y₀为二次谐波信号的基线偏移量，i为二次谐波信号序列的采样位置，i₀为二次谐波信号序列y_2f(i)的中心位置，Δx为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数；

3)采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式II)所示拟合函数模型进行最小二乘拟合，从而得到拟合后的二次谐波信号序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中各参数初值的确定方法如下：

y₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)各采样点信号的平均值；

i₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max所对应的采样位置；

Δx的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得：

A)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max与最小值Y_min之比R；

B)根据DSP微处理器10中预设的R值与m为二倍频调制系数理论值曲线，获得m的初值；

C)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中两个过零采样点的间隔数i_z；

D)根据DSP微处理器10中预设的R值与二次谐波信号过零点的波长间距理论值x_z曲线按下式Ⅲ)计算Δx的初值：

E)根据m的初值、二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max按下式Ⅳ)计算获得C的初值：

Ⅳ)；

4)根据漫反射光学吸收池1内温度传感器9获得的气体温度T按下式Ⅴ)对拟合后的二次谐波信号序列进行温度修正，并直接计算出机动车尾气中氧气浓度C_corr：

$C_{con}=\frac{C_{raw}}{\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}}---V)$

式Ⅴ)中，C_raw为最小二乘拟合得到的初始氧气浓度，为温度修正因子，并根据下式Ⅵ)获得：

$\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}=\frac{T_0}{T}\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\frac{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_{B}T})}{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_B{T}_0})}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\mathrm{\η}}---VI)$

式Ⅵ)中，E″为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总配分函数，Q(T0)为参考温度下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，η为谱线展宽的温度依赖系数常数。

Claims (2)

1.一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该激光检测系统包括光学吸收池和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置，其中，所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、光电探测器和温度传感器；其特征在于：

所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池，该漫反射光学吸收池包括一圆柱形的吸收池，所述吸收池的一头设有漫反射镜，另一头设有聚焦透镜和窗口镜；其中，所述的漫反射镜具有一球冠状的凹面，该凹面上镀有阳极氧化铝颗粒形成漫反射膜；所述的窗口镜倾斜安装在漫反射光学吸收池的端盖上，其折射的光束指向漫反射镜的凹面；所述的窗口镜外侧设有光纤法兰，并通过光纤与可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的半导体激光器连接；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的光电探测器设在聚焦透镜的外侧；所述的温度传感器设在漫反射光学吸收池中；

所述激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的方法包括以下步骤：

所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出中心波长761nm的激光束通过光纤传输至光纤法兰，穿过窗口镜射入漫反射池；在漫反射池内，激光束由漫反射镜漫反射至聚焦透镜聚焦后经光电探测器送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将直流分量对二次谐波信号进行光强归一化处理，得到光强归一化后的二次谐波信号序列；然后，

1)在已知浓度、压力和参考温度条件下对所述的激光检测系统进行校准，从而获取参考温度下的氧气吸收系数a₀(T₀)和有效光程L；

2)根据洛仑兹线型构造如下式II)所示的二次谐波信号序列y_2f(i)的拟合函数模型：

y_2f(i)＝Ca₀(T₀)LS₂(V,m)+y₀II)

V＝(i-i₀)Δx

式II)中，C为氧气浓度，S₂(V,m)为二次谐波信号的洛伦兹线型表达式，y₀为二次谐波信号的基线偏移量，i为二次谐波信号序列的采样位置，i₀为二次谐波信号序列y_2f(i)的中心位置，Δx为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数；

3)采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式II)所示拟合函数模型进行最小二乘拟合，从而得到拟合后的二次谐波信号序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中各参数初值的确定方法如下：

y₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)各采样点信号的平均值；

i₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max所对应的采样位置；

Δx的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得：

A)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max与最小值Y_min之比R；

B)根据DSP微处理器中预设的R值与m为二倍频调制系数理论值曲线，获得m的初值；

C)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中两个过零采样点的间隔数i_z；

D)根据DSP微处理器中预设的R值与二次谐波信号过零点的波长间距理论值x_z曲线按下式Ⅲ)计算Δx的初值：

E)根据m的初值、二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max按下式Ⅳ)计算获得C的初值：

4)根据漫反射光学吸收池内温度传感器获得的气体温度T按下式Ⅴ)对拟合后的二次谐波信号序列进行温度修正，并直接计算出机动车尾气中氧气浓度C_corr：

$C_{corr}=\frac{C_{raw}}{\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}}---V)$

式Ⅴ)中，C_raw为最小二乘拟合得到的初始氧气浓度，为温度修正因子，并根据下式Ⅵ)获得：

$\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}=\frac{T_0}{T}\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\frac{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_{B}T})}{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_B{T}_0})}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\mathrm{\η}}---VI)$

式Ⅵ)中，E″为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总配分函数，Q(T0)为参考温度下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，η为谱线展宽的温度依赖系数常数。

2.根据权利要求1所述的一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，其特征在于，所述的漫反射膜的表面粗糙度为1-2μm。