CN108132228A - 一种汽车尾气遥测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体检测技术领域，具体为一种汽车尾气遥测装置。本发明装置包括：激光发生器、参考信号激光发生器，探测器，激光器驱动，控制器，震荡镜，激光束光路；其中；激光发生器与参考信号激光发生器的输出光束共轴合束，各激光发生器与激光器驱动连接，通过震荡镜扫过参考气体池获取的吸收信号校准激光发生器的波长，并校准系统探测的信号强度；通过比较各激光发生器和参考信号激光发生器的信号获取待测气体的浓度；还设置有追踪系统，使扫描气体为汽车连续排放的呈非扩散状的新鲜气体；通过控制激光器驱动使装置实现时分复用或频分复用的功能，可在单个探测器上实现同步获取多种气体的浓度。

Description

一种汽车尾气遥测装置

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及汽车尾气成分的遥感检测装置。

背景技术

近年来随着国民经济的快速发展，我国机动车保有量显著增长，机动车尾气对大气环境的负面影响日趋严重。尤其是在城市地区道路上，机动车数量暴涨导致的交通拥堵又进一步加剧了机动车尾气的危害。因此，对机动车尾气尤其是在城市主干道上行驶中的机动车尾气进行污染物检测显得尤为重要。

汽车尾气监测目的就是得到各个汽车尾气成分所占份额。研究学者将汽车尾气检测方法分为两种，一种为在线监测，一种为非在线监测。目前，普遍手段有以下几种：一、基于传感器测量成分为主，但是这样给汽车尾气中多种成分测量带来很大不便，因为这意味着要么增加传感器检测通道，要么增加传感器的数量；二、通过光谱原理，进行光学及图像处理的方法进行检测，需要动用高精度的计算或者仿真设备，提高了检测设备费用；三、不完全检测，即只检测汽车尾气中需要检测的物质，利用被检测物质的属性，进行化学、物理处理，转变为数字信号，提供检测数据，此方法不完善，起不到检测所有汽车尾气成分的目的；四、将汽车尾气样本进行回收，利用物理、化学处理的方法，得到准确的检测结果，此方法数值精确，但是达不到实时检测的目的。

目前市场上常见的汽车尾气在线监测的方法为遥感测试装置，该领域内有以下专利。

中国专利 CN 102798609 A 《基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法》，该专利介绍了马路两旁安装方式的遥感技术，由于平行于路面的光束无法区分多车道并排行驶的车辆尾气，此方案只适用于单车道解决方案。

美国专利US 8654335B《通过遥感方式对汽车尾气进行量化方法和装置》，该专利介绍了一种龙门架上安装方式解决多车道尾气监测的问题，如附图1所示，激光束通过分束镜105后分散成两束光线，其中一束光线通过参考气体池115-接收器118-放大器119-数字转换器120-控制器101；另一束光线106经震荡镜107-地面108或者铺设在地面108上的回归反射材料109-震荡镜107-聚焦镜111-接收器112-放大器113-数字转换器116-控制器101。但是该技术仍然存在以下问题 ：

（1）激光光束分光法不仅降低了激光光线的强度，影响接收器探测的难度以及计算的准确度；而且增加多余的或者不完全必要的元器件或者装置，增加了整个装置的体积、装置整体成本以及人工安装成本等；

（2）激光光束的扫描平面相对地面处于静止状态，汽车在以相对扫描平面垂直的前行方向上运行，因汽车相对扫描平面处于远离状态，所以汽车排气管排放的烟气束在连续扩散过程中穿过扫描平面的横截面积也在连续变大，因此，获取检测出的数据比实际值有所偏离，影响数据的精确性，尤其是在露天道路工况下的大风环境，对距离尾气管出口较远的烟气测量精确性影响更大；

（3）系统无法在线校准零点和量程点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种检测方便、精度高，而且结构简单的汽车尾气成分遥感检测的装置。

本发明提供的汽车尾气遥感监测的装置，包括：激光发生器、参考信号激光发生器，探测器，激光器驱动器，控制器，震荡镜，以及激光束光路；其中：

所述激光发生器和探测器之间设置有参考气体池，所述参考气体池内填充一定浓度的待测气体，用于提供参考吸收光谱，通过反馈控制将激光发生器的波长锁定在待测气体吸收谱中心；

所述激光发生器有多个，各激光发生器中心波长不同，用于区分检测不同气体成分；

所述参考信号激光发生器用于提供本底光谱信号；该参考信号不被任何待测气体吸收；

所有激光发生器与参考信号激光发生器共轴合束，以保证激光束光路最终通过球面聚焦镜，汇集于单个探测器上；

所述激光器驱动器分别与所述激光发生器、参考信号激光发生器连接以及控制器连接；

所述激光器驱动器用于控制激光发生器进行时分复用或频分复用，进而在单个探测器上实现多个激光发生器信号的区分；

所述激光束光路，由设置于各激光发生器输出端的合束镜，聚焦镜，震荡镜，探测器，以及参考气体池，反射镜依次排列组成。合束镜将各激光发生器输出光共轴合束，穿过聚焦镜中心孔，到达震荡镜，被震荡镜反射，经过待测气体以及路面回归反射到达震荡镜，再经聚焦镜，到达探测器；震荡镜上设置有震荡马达，使震荡镜将光束在单位时间内反射出若干条用于穿过目标气体的扫描光线；

所述控制器分别与探测器、震荡镜、激光器驱动器连接，控制器用于控制所有元器件以及解析接收的数据信号；震荡镜通过震荡马达与控制器连接，控制器通过控制震荡马达来控制震荡镜的震荡角度；探测器接收的信号通过放大器、转换器传输到控制器，控制器进行分析计算，以及通过反馈来控制震荡马达改变震荡镜的震荡角度，实施对目标气体进行追踪。

本发明中，控制所述震荡镜将激光束反射至特定角度，使激光束穿过参考气体池，再经过反射镜或回归反射到达震荡镜，再经过聚焦镜到探测器，构成检测系统的信号及波长校准光路；用于分析已知的参考气体的浓度，其结果可以作为检测系统的量程校准信号；也可用参考气体池的参考气体的吸收光谱位置，反馈控制激光发生器的波长，使其锁定在待测气体吸收光谱的中心，用于连续检测输出气体信号强度。

本发明中，所述震荡镜可将激光束反射至另一特定角度，使激光束直接经反射镜或回归反射到达震荡镜，再经过聚焦镜到探测器，可构成检测系统的零点校准光路，即其中光束不经过任何气体吸收，其结果可以做为检测系统的零点校准信号。

本发明中，所述震荡镜构成追踪系统，控制器通过控制震荡马达，从而控制震荡镜的震荡角度，来改变光束的扫描路径，以此来追踪目标气体路径；路面上铺设回归反射材料，当光束无论以任何角度照射回归反射材料时，光束皆原路返回。

本发明设计的汽车尾气遥感监测的装置，是对美国专利US8654335B的改进：

1、在美国专利US8654335B中，部件118和112、119和113、120和116分别具有同样的功能，为省去繁冗的零部件，本发明中去掉了部件118、119、120；同时，将参考通气池115设置于震荡镜107和聚焦镜111中间，震荡镜旋转的某特定角度上，使光束直接依次穿过参考气体池115，被反射镜或回归反射材料113原路反射回聚焦镜111，到达接收器112。所以，接收器112的接收结果为参考气体池115中的气体浓度，可以用来对分析仪做量程校准，也可以利用参考气体池115中气体吸收产生的光谱，对激光发生器的波长做反馈锁定。同理，将震荡镜旋转的另一特定角度上，使光束直接被反射镜或回归反射材料113原路反射回聚焦镜111，到达接收器112。此时接收器112没有任何气体吸收信号，可以用来对分析仪做零点校准。控制器101可以控制震荡镜的角度，来决定何时做零点校准，何时做量程校准和波长校正。

2、设置有用于提供光谱本底信号的参考信号激光发生器，所有激光发生器与参考信号激光发生器共轴合束，激光发生器测得的信号与参考信号激光发生器测得的信号之差分信号，与待测气体浓度信号成正比。

3、设置有用于连续改变光路形成不同的扫描平面以实现同步追踪汽车排气管的追踪系统，使扫描气体为汽车连续排放的呈非扩散状的新鲜气体，避免扫描结果为汽车尾气排放后不断扩散后的气体。

4、设置有控制各激光发生器信号特性的激光器驱动，可使激光发生器实现时分复用和频分复用的功能，比如使各激光发生器的调制频率不同，虽然合束的激光被单一探测器接收，但可通过锁相放大解调区分不同调制频率的激光发生器信号；或者其他各种光路切换开关的功能，可以在不同时间段探测不同的激光发生器信号及其对应的气体光谱信息。因此可实现同步获取不同种类气体的浓度。

5、设置参考气体池光路和零点校准光路，通过震荡镜旋转至特定角度获得参考气体池中的标准气体信号或零点信号，用于量程信号或零点信号的校准，另外，量程信号也可用于锁定激光发生器的波长。

本发明提出的汽车尾气遥感检测装置的工作流程如下：

（1）通过设定激光器驱动打开各激光发生器，产生对应各自探测气体波长的激光束，若干平行激光束分别经各自的合束镜一次反射后，合并成一束准直激光束；

（2）合束的激光穿过聚焦镜中心孔照射到震荡镜上，震荡镜将光束反射至地面上的回归反射材料上，经回归反射材料沿入射光方向原路反射至震荡镜上，震荡镜将光束反射至聚焦镜上，聚焦镜将光束聚焦至探测器上；探测器接收的信号含有所有激光发生器和参考激光发生器的光功率，通过控制器中的锁相放大解调算法或者窄带滤波器（频分复用），可将调制在不同中心频率上的激光发生器和参考激光发生器的信号提取出来；或者，通过不同激光器驱动提供的各激光发生器的同步信号，提取不同时间段投射在探测器上各激光发生器的信号。检测光路中被检测气体浓度的，即探测气体浓度正比于：激光发生器信号-参考激光发生器信号；

（3）激光发生器发射的激光光束的路径为：经反射镜直接到达震荡镜，经环境气体，经震荡镜、聚焦镜，到达探测器；车辆经过时，扫描光束扫描到车辆排气管排出烟气，通过车辆测速仪给出的瞬时车速为跟踪速度，改变振荡马达的角度位置，使扫描光束不仅有垂直于路面长度方向的往复扫描路径，而且使光束有同步追踪排气管的追踪扫描路径，换言之，追踪光线相对汽车只有沿垂直于路面长度方向的扫描动作，并与汽车前进方向保持同步，两者扫描路径的合成路径结果如图5、图6，扫描气体束基本无扩散，保持圆柱形，截面图为长方形，扫描路径为“之”字形路径。而对比文件的扫秒光束相对汽车不仅有沿垂直于路面长度方向的扫描动作，并且汽车相对于扫描面处于远离状态，所以扫描光束面相对于汽车为远离汽车状态，两者扫描路径的合成路径结果如图3所示，在非追踪扫面上，扫描气体束处于扩散状态，呈圆台状，截面图为梯形，扫描路径为“之”字形路径。

计算过程如下（参见图4、图5、图6）：

汽车尾气有限元的极限有效宽度：，则：

汽车尾气有限元的二维平面内单位有效量：；

汽车尾气有限元的三维平面极限均值有效量： ；

扫描路径上每一个扫描平面上获取D_TOTAL，求平均值。

θ_i，相邻扫秒光束之间的极限角度单元；

r_i，激光发射端到目标气体之间的距离；

X_i，每一束经过目标气体的光学质量；

M，追踪扫描平面的数量；

N，极限单元数量；

D_j，每一个追踪平面上的单位有限量。

本发明有益效果

1、在不影响检测精度，并实现同样功能的情况下，减少元器件使用，不仅降低了设备成本，而且避免分光法降低激光强度，影响检测精度。设置参考气体池，提供波长锁定参考信号和量程校准信号，使得各激光发生器工作在对应分子的吸收峰中心；

2、实际工况中，由于背景日光，粉尘或雾霾遮挡，对光偏离等原因造成本底光谱的偏离，需要提供实时校正。本发明设置参考信号激光发生器，用于提供测量的本底光谱，从而实现了差分光谱测量，避免外接环境影响信号漂移，提高检测精度和信号稳定性；

3、设置用于连续改变光路形成不同的扫描平面以实现同步追踪汽车排气管的追踪系统，使扫描气体为汽车连续排放的新鲜气体，避免扫描结果为汽车尾气排放后不断扩散后的气体；

4、将参考气体池光路和零点校准光路设置于震荡镜的某两个特定角度，通过控制震荡镜角度使激光束穿过参考气体池或零点校准光路，对系统的激光发生器波长校准，量程校准和零点校准提供了一种成本更低，更有效的方案。

附图说明

图1为美国专利US 8654335B的装置结构图示。

图2为本发明装置结构原理图。

图3为二维扫描平面的扫描方式的相对扫描路径截面图，在非追踪扫面上，扫描气体束处于扩散状态，呈圆台状，截面图为梯形。

图4为扫描平面截面公式推导原理图。

图5为三维扫描方式的追踪扫描立体图。

图6为三维扫描方式的追踪扫描路径截面图，在追踪扫面上，扫描气体束基本无扩散，保持圆柱形，截面图为长方形。

图7为控制器通过锁相解调后的某气体分子信号的1f,2f,3f谐波特性。

图中标号：101控制器，102激光器驱动，103激光发生器，1031参考信号激光发生器，105合束镜，106光束，107震荡镜，108地面，109回归反射材料，110目标气体，111聚焦镜，112探测器，113反射镜，114 零点校准光路，115参考气体池，116信号及波长校准光路，125扫描光束，201排气管，202圆台状尾气束，203梯形扫描路径，302长方形扫描路径，303圆柱状尾气束。

具体实施方式

下面结合附图，进一步描述本发明装置。

本发明设计的汽车尾气遥感检测装置，其结构原理如图2所示。

控制器101上设置数据传输器，用于数据的传输；

在激光器驱动102上并联设置若干激光发生器103和参考激光发生器1031，激光器驱动102用于在频率或时域内调制激光发生器103，用于时分复用或者频分复用检测。控制器101与激光器驱动102连接，主要作用是为控制器101提供频域或时域同步信号并解析探测器112上的所有激光光谱信号。

激光器驱动102上设置有与激光发生器103并联的参考信号激光发生器1031，用于测定本底光谱信号，用于差分光谱的测量。

合束镜105的合束面经过特殊镀膜处理，既可以全部反射本激光发生器波长的光束，又可使其他波长的激光透射，用于将不同波长的激光发生器103及1031光线共轴合束。

合束镜105和聚光镜111之间设置参考气体池115，参考气体池115中的气体浓度，可以用来对分析仪做量程校准，也可以利用参考气体池115中气体吸收产生的光谱，对激光发生器的波长做反馈锁定。

聚光镜111中间设置穿孔，使合束光线可穿过聚焦镜111照射在震荡镜107上。

震荡镜107可以是一个平面反射镜，与震荡马达连接，震荡马达由控制器101控制，继而控制震荡镜107的震荡幅度和角度，震荡幅度用于在垂直于马路长度方向的二维扫描面上寻找目标气体110的扫描，并能在锁定目标气体之后以目标气体110直径范围内进行扫描；并同时调整震荡角度，可以同步追踪汽车排气管201。

聚焦镜111是为了使所有的震荡镜反射的任意角度的光束经聚焦反射至探测器112。

探测器112接收到的信号需要传送到控制器101进行分析，并同时使控制器101给激光器驱动102、和震荡镜107进行反馈控制。

本发明中，可控制所述震荡镜107将激光束反射至特定角度，使激光束穿过参考气体池115，再经过反射镜113或回归反射到达震荡镜107，再经过聚焦镜111到探测器112，构成检测系统的信号及波长校准光路116；用于分析已知的参考气体的浓度，其结果可以作为检测系统的量程校准信号；也可用参考气体池的参考气体的吸收光谱位置，反馈控制激光发生器的波长，使其锁定在待测气体吸收光谱的中心，用于连续检测输出气体信号强度。

本发明中，所述震荡镜107可将激光束反射至另一特定角度，使激光束直接经反射镜113或回归反射到达震荡镜107，再经过聚焦镜111到探测器112，可构成检测系统的零点校准光路114，即其中光束不经过任何气体吸收，其结果可以做为检测系统的零点校准信号。

激光发生器发射的激光光束的路径为：经合束镜直接到达震荡镜，经环境气体，经震荡镜、聚焦镜，到达探测器；车辆经过时，扫描光束125扫描到车辆排气管排出烟气，控制器控制控制振荡马达，通过改变振荡马达的角度位置，使扫描光束不仅有垂直于路面长度方向的往复扫描路径，而且使光束有同步追踪排气管的追踪扫描路径，换言之，追踪光线相对汽车只有沿垂直于路面长度方向的扫描动作，并与汽车前进方向保持同步，两者扫描路径的合成路径结果：如图5、6示，扫描气体束基本无扩散，保持圆柱形即圆柱状尾气束303，截面图为长方形（即长方形扫描路径302），扫描路径为“之”字形路径。而美国专利US8654335B装置的扫秒光束相对汽车不仅有沿垂直于路面长度方向的扫描动作，并且汽车相对于扫描面处于远离状态，所以扫描光束面相对于汽车为远离汽车状态，两者扫描路径的合成路径结果：如图3所示，在非追踪扫面上，扫描气体束处于扩散状态，呈圆台状（即圆台状尾气束202），截面图为梯形（即梯形扫描路径203），扫描路径为“之”字形路径。

如图7所示，为控制器101通过锁相解调后的某气体分子信号的1f、2f、3f谐波特性。其中，1f的平均值（或吸收峰中心值）与接收到的光功率成正比。2f与吸收谱最相似，2f的中心峰值与参考激光发生器的2f中心峰值之差，除以1f的平均值，可获得归一化的差分光功率2f/1f，用于计算气体浓度。3f的基线为零，且在吸收峰中心处过零点，用中心的过零点以及两侧附近的线性斜率做PID反馈控制，使激光发生器的波长稳定于吸收峰中心，适合用于高速车辆通过后的尾气连续测量，可避免传统激光光谱技术扫描整个光谱的测量方法所浪费的光谱扫描时间。

Claims (6)

1.一种汽车尾气遥测装置，其特征在于，包括：激光发生器、参考信号激光发生器，探测器，激光器驱动器，控制器，震荡镜，以及激光束光路；其中：

所述激光发生器和探测器之间设置有参考气体池，所述参考气体池内填充一定浓度的待测气体，用于提供参考吸收光谱，通过反馈控制将激光发生器的波长锁定在待测气体吸收谱中心；

所述激光发生器有多个，各激光发生器中心波长不同，用于区分检测不同气体成分；

所述参考信号激光发生器用于提供本底光谱信号；该参考信号不被任何待测气体吸收；

所有激光发生器与参考信号激光发生器共轴合束，以保证激光束光路最终通过球面聚焦镜，汇集于单个探测器上；

所述激光器驱动器用于控制激光发生器进行时分复用或频分复用，进而在单个探测器上实现多个激光发生器信号的区分；

所述激光束光路，由设置于各激光发生器输出端的合束镜，聚焦镜，震荡镜，探测器，以及参考气体池，反射镜依次排列组成；合束镜将各激光发生器输出光共轴合束，穿过聚焦镜中心孔，到达震荡镜，被震荡镜反射，经过待测气体以及路面回归反射到达震荡镜，再经聚焦镜，到达探测器；震荡镜上设置有震荡马达，使震荡镜将光束在单位时间内反射出若干条用于穿过目标气体的扫描光线；

所述控制器分别与探测器、震荡镜、激光器驱动器连接，控制器用于控制所有元器件以及解析接收的数据信号；震荡镜通过震荡马达与控制器连接，控制器通过控制震荡马达来控制震荡镜的震荡角度；探测器接收的信号通过放大器、转换器传输到控制器，控制器进行分析计算，以及通过反馈来控制震荡马达改变震荡镜的震荡角度，实施对目标气体进行追踪。

2.根据权利要求1所述的汽车尾气遥测装置，其特征在于，控制所述震荡镜将激光束反射至特定角度，使激光束穿过参考气体池，再经过反射镜或回归反射到达震荡镜，再经过聚焦镜到探测器，构成检测系统的信号及波长校准光路；用于分析已知的参考气体的浓度，其结果作为检测系统的量程校准信号；或者用参考气体池的参考气体的吸收光谱位置，反馈控制激光发生器的波长，使其锁定在待测气体吸收光谱的中心，用于连续检测输出气体信号强度。

3.根据权利要求1所述的汽车尾气遥测装置，其特征在于，控制所述震荡镜将激光束反射至另一特定角度，使激光束直接经反射镜或回归反射到达震荡镜，再经过聚焦镜到探测器，构成检测系统的零点校准光路，其中光束不经过任何气体吸收，其结果做为检测系统的零点校准信号。

4.根据权利要求1所述的汽车尾气遥测装置，其特征在于，所述震荡镜和震荡马达构成追踪系统，控制器通过控制震荡马达，控制震荡镜的震荡角度，来改变光束的扫描路径，以此来追踪目标气体路径；路面上铺设回归反射材料，当光束无论以任何角度照射回归反射材料时，光束皆原路返回。

5.根据权利要求1所述的汽车尾气遥测装置，其特征在于，激光发生器发射的激光光束的路径为：经反射镜直接到达震荡镜，经环境气体，经震荡镜、聚焦镜，到达探测器；车辆经过时，扫描光束扫描到车辆排气管排出烟气，与参考信号激光发生器测试结果对比，明显不一致，则控制器通过改变振荡马达的角度位置，使扫描光束不仅有垂直于路面长度方向的往复扫描路径，而且使扫描光束有同步追踪排气管的追踪扫描路径，即追踪光线相对汽车只有沿垂直于路面长度方向的扫描动作，并与汽车前进方向保持同步，两者扫描路径合并；其中，扫描气体束基本无扩散，保持圆柱形，截面图为长方形，扫描路径为“之”字形路径。

6.根据权利要求5所述的汽车尾气遥测装置，其特征在于，设汽车尾气有限元的极限有效宽度：，则：

汽车尾气有限元的二维平面内单位有效量：，

汽车尾气有限元的三维平面极限均值有效量：，

扫描路径上每一个扫描平面上获取D_TOTAL，求平均值；

θ_i，相邻扫秒光束之间的极限角度单元；

r_i，激光发射端到目标气体之间的距离；

X_i，每一束经过目标气体的光学质量；

M，追踪扫描平面的数量；

N，极限单元数量；

D_j，每一个追踪平面上的单位有限量。