CN108489919A - 一种多光束机动车尾气检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多光束机动车尾气检测装置和检测方法。检测装置包括龙门架，主机和多个反射器，主机安装在龙门架的横杆上，包括控制器和多个检测模块，每个检测模块包括检测光线发射端和接收端，多个检测模块的发射端的光线发射角度不同；反射器设置于横杆下方的路面下，其数量与检测模块的数量相对应，反射器为镜面反射，其具有三面相互垂直的平面反射镜，上方设置有光线入射和出射窗口，可将检测模块的发射端发出的光线平行于原路反射回接收端。本发明的技术方案克服了现有技术中两种检测方法的缺陷，使机动车尾气检测同时具有高反射效率及较强的路面覆盖能力，克服了车辆震动、路面抖动及热胀冷缩引起的构件偏移，保证了测量结果的可靠性。

Description

一种多光束机动车尾气检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于机动车尾气遥测领域，特别是一种多光束机动车尾气检测装置和检测方法。

背景技术

随着机动车保有量的持续增加，机动车排放所造成的污染越来越受到政府和民众的关注。2017年初，环保部为了保护和治理京津冀地区的大气环境，出台了《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》，明确了以北京，天津为首等其他26个城市今年的大气污染治理任务，简称“2+26”。在机动车污染治理方面，明确提出了在“2+26”城市，均要安装10台(套)左右固定垂直式遥感监测设备、2台(套)移动式遥感监测设备，重点筛查柴油货车和高排放汽油车。该政策的出台，导致机动车尾气垂直遥测仪生产厂家如雨后春笋般涌现出来，但是实际应用效果却不尽人意。

目前，机动车尾气垂直遥测仪通常所采用的方式是将发射端和接收端安装在横跨道路的龙门架上，地面采用单点镜面反射方式或玻璃微珠的回归反射方式。这两种反射方式都有一定的弊端：1、对于采用单点镜面反射方式，虽然镜面的反射率较高，但镜面的安装调整方式容易出现机械疲劳，任何角度的微小变化，如车辆经过时导致的震动和金属结构件热胀冷缩导致的偏移，会导致接收端接收不到光强信息，因此采用此种方式，检出率比较低下。2、对于玻璃微珠回归反射方式，玻璃微珠尺度在(50～200)μm，能够覆盖整个路面，但是这种反射材料的反射效率相对于镜面反射来说较差，检测精确度较低；且使用寿命有限，容易被车辆经过时夹杂的泥土、灰尘等覆盖、磨损，需要频繁的维护和更换，操作较为繁杂且成本较高。

如公布号为CN 105300914 A的发明专利，公布了一种机动车尾气检测装置，包括光源、气体探测器、回归反射装置以及龙门架，所述光源及气体探测器均安装在所述龙门架的横杆上，反射装置设置在所述龙门架下方的道路表面，回归反射装置为涂覆在所述道路表面的回归反射材料、或为表面涂覆有回归反射材料的平板，所述平板粘贴在道路表面。其尾气检测装置虽然将光源和气体探测器安装在龙门架的横杆上，光源发出的监测光束经路面的回归反射装置反射到所述探测器中，因此可应用于多车道的尾气检测，但涂覆在路面或粘贴在平板表面的回归反射材料，长期被车辆来回辗压，及风吹日晒雨淋，极易磨损，其光线的反射效率相较于镜面反射而言，检测的精确度大大降低。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种多光束机动车尾气检测装置，能较好地解决上述两种检测方案的弊端，使机动车尾气检测同时具有高反射效率及较强的路面覆盖能力。

本发明的技术方案为：

一种多光束机动车尾气检测装置，包括龙门架，所述龙门架包括立于道路两侧的两支撑杆和连接所述两支撑杆并位于道路上方的横杆，还包括主机和多个反射器，所述主机安装在龙门架的横杆上，包括控制器和多个检测模块，每个检测模块包括检测光线发射端和接收端，所述多个检测模块的发射端的光线发射角度不同；所述反射器设置于横杆下方的路面下，其数量与检测模块的数量相对应，所述反射器为镜面反射，其具有三面相互垂直的平面反射镜，上方设置有光线入射和出射窗口，可将检测模块的发射端发出的光线平行于原路反射回接收端。

所述平面反射镜安装在镁铝合金底座上。

所述反射器安装在完全密封的不锈钢壳体内。

所述壳体内部设置有干燥除湿装置。

所述各检测模块的光源由同一激光器发出的激光经等比分束获得。

所述主机安装于横杆中央。

所述检测模块和反射器均为三个，中间的反射器位于主机的正下方，且位于车道中央处，左右两侧的反射器距离中间的反射器0.6米。

所述主机还包括测速模块，所述测速模块有两组，分别安装于主机箱体内部左右两侧。

还包括牌照、路况识别系统、LED显示系统、环境参数测量系统、平台服务器和工业计算机，所述牌照、路况识别系统分别用于对车牌和路况进行识别，所述环境参数测量系统用于测量路边空气质量，所述LED显示系统用于显示尾气测量结果和路边空气质量，所述平台服务器用于存储测量数据，所述工业计算机设置于路边的机柜中，用于控制各部件的正常工作，并将测量数据实时上传到平台服务器。

一种多光束机动车尾气检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：未有车辆通过时，多个检测模块实时采集各检测光束光谱，环境参数测量系统实时测量路边空气质量；

步骤二：机动车驶入检测区域，牌照识别系统识别机动车号牌；

步骤三：某组测速模块被触发、或两组同时被触发，记录下车头进入检测区域的时间点；

步骤四：多个检测模块停止检测，控制器以停止检测前检测到的光谱信号作为本次检测的背景信号，并存储；

步骤五：某组测速模块被触发、或两组同时被触发，记录下车尾离开检测区域的时间点；

步骤六：多个检测模块恢复检测，重新采集各检测光束光谱；

步骤七：控制器将各检测模块检测到光谱信号与背景信号作比较，取光谱变化最大值作为本次检测的光谱信号；

步骤八：控制器计算得出引起光谱变化的尾气中的污染物的浓度；

步骤九：控制器计算出机动车通过检测区域的速度和加速度；

步骤十：污染物浓度检测结果及空气质量测量结果显示于LED显示屏；

步骤十一：各测量数据由工业计算机上传至平台服务器。

本发明通过设置多个检测光线发射端和接收端，每个发射端所发射的光线角度不同，使检测光线能够覆盖绝大多数车辆排气管通过位置，无论机动车从车道的哪一侧通过，以及排气管设于机动车的哪一侧，其排放的尾气都能被设计的光线准确的检测出来。且反射器由三面相互垂直的平面反射镜组成，无论光线从哪个角度入射反射器，均可使光线沿平行于原路的路线返回，保证反射光线能被接收端接收到，较好地克服了车辆震动、路面抖动及热胀冷缩引起的构件偏移，从而保证了测量结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明多光束机动车尾气检测装置的正视结构示意图；

图2为本发明主机的俯视结构示意图；

图3为本发明反射器的立体结构示意图；

图4为单面反射镜反射光线的路线图；

图5为两面反射镜反射光线的路线图；

图6为本发明三面反射镜反射光线的路线图；

图7为本发明多光束机动车尾气检测装置的整体结构示意图；

图8为本发明多光束机动车尾气检测装置的检测步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

参考图1和图2，本发明的多光束机动车尾气检测装置，包括龙门架、主机10和三个反射器11(B1、B2和B3)，龙门架包括立于道路两侧的两支撑杆和连接两支撑杆并位于道路上方的横杆20。主机10安装在龙门架的横杆20上，包括控制器12和三个检测模块13(A1、A2和A3)，检测模块13用于测量机动车尾气中各污染物成分及浓度，每个检测模块13包括检测光线发射端131和接收端132，发射端131用于向路面30发射光束，接收端132用于接收经过反射器11反射后的反射光。多个检测模块13的发射端131的光线发射角度不同，分别发射向车道的左端、中间和右端，从而覆盖整个路面30。控制器12用于控制、协调主机10内部各部件的工作，稳定激光器的工作电流和温度，采集并处理各检测模块13接收到的光信号。

图1中带箭头的直线为检测光束线，当车辆经过尾气检测装置时，只要排气管处于任何一个检测光束上，机动车排气都能准确的被检测出来。三组检测光束线由三组检测模块13发出，每一组检测模块13都是独立模块，可以根据实际需要，如根据行车道的宽窄，增加或减少检测模块13和反射器11的数量。对于较宽的车道，可使用4-5组检测模块13和反射器11，对于较窄的车道，也可以使用2组检测模块13和反射器11。

反射器11设置于横杆20下方的路面30以下，上表面与路面30平齐，不影响车辆行驶，又能最大限度地对光线进行反射。反射器11的数量与检测模块13的数量相对应，B1、B2、B3分别反射A1、A2、A3射出的光束。如图3，反射器11为镜面反射，其具有三面相互垂直的平面反射镜111，上方设置有光线入射和出射窗口，可将检测模块13的发射端131发出的光线平行于原路反射回接收端132。

参照图4和图5，实线分别为光束γ经单个镜面S1和相互垂直的两镜面S1、S2反射的光路线图，虚线为当镜面相对于入射光γ产生小角度偏转后，经单个镜面S1和两垂直镜面S1、S2反射的光路线图。可以看出，当单个镜面S1产生角度为Φ的偏转时，根据反射原理，其反射光线相对于原反射光线来说将产生角度为2Φ的偏转，光线接收器离镜面S1越远，其误差也会越大。而对于相互垂直的两镜面S1、S2来说，入射光γ需要经过S1和S2的二次反射，即使两镜面S1、S2同时产生小角度偏转时，其最终的反射光将始终平行于原反射光线，仅相对于原反射光线产生一定程度的偏移，其偏移误差由S1、S2两镜面之间的距离决定，距离远，误差稍大，距离近，误差稍小。

以上图5要求入射光γ在与两个镜面S1、S2垂直的平面内入射，对于从任意方向入射的光线，需要由三个平面镜相互垂直构成的反射装置。如图6所示，对于从任意方向入射的光线γ，由于平面镜S1、S2、S3相互垂直，光线γ亦可以分解成垂直于三镜面的三个分光线γ1、γ2和γ3(图中未示出)，当光线γ经过S1和S2面时，平行于这两面的分光线(即垂直于S3的分光线)未改变方向，仍沿原方向前进；而当光线γ最终经过S3面时，此分光线被S3原路反射，最终的出射光将完全平行于入射光线γ。

现有技术中使用单个平面反射镜作为反射器11，假设光线从5米远的发射端以45°入射角照射到单个平面反射镜上，镜面由于震动或形变原因，产生1°的偏转，经过反射，再回到5米处的接收端时，其位置偏差达到177mm。而利用三个相互垂直的镜面，假设两个垂直镜面的中心距离为100mm，当镜面同样产生1°的偏转时，经过第二个反射面的反射，到达接收端的位置误差为1.77mm。所以利用三个镜面反射，可以明显提高反射光线的抗干扰能力。此种抗干扰能力对于越远的距离，其优势越明显。一般来说，行车道龙门架的高度一般为5.5-6米，其优势作用更加明显。

由上可知，由三面相互垂直的平面反射镜111组成的反射器11，如果其自身产生一定范围内的角度偏转，或者入射光产生一定程度的角度偏转，其反射光始终将平行于入射光，能被设置于发射端131一定距离内的接收端132接收到，用于测量、计算机动车污染物排放浓度。本发明的反射器11同时具备了镜面反射的高效率反射、以及回归反射的优点，不会因为反射装置的微小形变或位移引起反射光线角度的变化，从而克服了现有技术中由于机动车经过时产生的路面震动或龙门架摇动，或外界环境热胀冷缩产生的位移，而导致的发射端131发出的光线无法被接收端132接收的情况，增加了尾气检测装置的可靠性。

进一步地，平面反射镜111安装在镁铝合金底座上，镁铝合金的热温度系数很小，可以减小温度引起的热胀冷缩变化，使平面反射镜111的位置保持固定，免受外界环境温度变化影响。整个反射器11安装在完全密封的不锈钢壳体内，且壳体内部设置有干燥除湿装置，保证反射器11与外界相隔离，有一定的抗辗压、防水防潮能力。

进一步地，各检测模块13的光源由同一激光器发出的激光经等比分束获得，这样可以保证光源的一致性，作为采集检测光束后的计算、对比和分析，且可以节约成本。

优选地，主机10安装于横杆20中央，中间的反射器11位于主机10的正下方，且位于车道中央处，左右两侧的反射器11离中间的反射器11距离0.6米处。此距离能够兼顾大多数机动车排气管的位置，当车辆经过时，排出的尾气正好能处在光路上，提高检出率和检测结果的准确性。

参考图2，主机10还包括四个测速模块14，用于测量被测机动车的行驶速度和加速度，为后期计算污染物浓度提供依据。四个测速模块14分为两组，M1和M2为一组，M3和M4为一组，分别安装于主机10箱体内部左右两侧。每个测速模块14即为距离传感器，可实时向地面发出距离检测光线。

如图2所示，左边箭头代表车行方向，未有机动车通过时，距离传感器检测的是从传感器到路面的距离；当机动车驶入时，M2和/或M4先被触发，记录下车头进入时距离变化的时间点，M1和/或M3后被触发，记录下车尾离开时距离恢复的时间点，由于M1和M2(或M3和M4)之间的距离是已知的，通过对时间和距离的计算，就得到了机动车通过时的速度和加速度值。本发明的主机10设有两组测速模块14，当机动车不论从行车道偏左、还是偏右位置经过时，至少有一组测速模块14能被触发，当两组测速模块14同时被触发时，可以用两组数据的平均值作为最后测量结果，与其他各测量结果一并存储。

本发明多光束机动车尾气检测装置还包括牌照、路况识别系统、LED显示系统、环境参数测量系统、平台服务器和工业计算机。牌照、路况识别系统用于对车牌和路况进行识别，以便对于不同地区车牌的机动车尾气排放情况进行分类统计、对比分析，以及对不同路况对于尾气排放的影响进行研究分析；环境参数测量系统用于实时测量路边空气质量，跟踪机动车经过前和经过后尾气排放对周围环境的影响；LED显示系统用于显示机动车尾气测量结果及环境参数测量结果，提醒车主；以上各部件的软件应用程序集成在工业计算机中，工业计算机用于协调、控制以上各部件的正常工作，并将测量数据实时上传到平台服务器；平台服务器安装在环保系统的监控中心，用于存储以上数据。工业计算机设置于路边的机柜中，机柜防水防尘，内部设置有恒温空调，使各部件均能长期稳定工作。

本发明的多光束机动车尾气检测装置，其工作原理为：检测模块13的发射端131从上方发出一束包含了检测机动车尾气所需要的光线，通过设置在路面30的反射器11反射，反射光线被接收端132接收。由于特定的分子只能吸收特定频率的光辐射，当测量光束通过光路中的特定化合物时，只有那些频率相符的辐射光被吸收，从而产生特征吸收带，得到一个光吸收谱图，可以用来确定未知的化合物。接收端132设有对应于不同气体检测光源的带通滤光片，通过检测未经机动车尾气吸收的光强和经过机动车尾气吸收衰减后的光强，可以计算出对应的气体浓度。

如图8所示，本发明的多光束机动车尾气检测装置的工作过程如下：

步骤一：未有车辆通过时，多个检测模块13实时采集各检测光束光谱，环境参数测量系统实时测量路边空气质量；

步骤二：机动车驶入检测区域，牌照识别系统识别机动车号牌；

步骤三：测速模块14的M2/M4的某个或同时被触发，记录下车头进入检测区域的时间点；

步骤四：多个检测模块13停止检测，检测到的光强信号由高电平很快变成零，控制器12将停止检测前检测到的光谱信号作为本次检测的背景信号，并存储；

步骤五：测速模块14的M1/M3的某个或同时被触发，记录下车尾离开检测区域的时间点；

步骤六：多个检测模块13恢复检测，重新采集各检测光束光谱，检测到的光强信号由零很快变为高电平；

步骤七：控制器12将各检测模块13检测到光谱信号与背景信号作比较，取光谱变化最大值作为本次检测的光谱信号；

步骤八：控制器12计算得出引起光谱变化的尾气中的污染物的浓度；

步骤九：控制器12根据步骤三和步骤五所记录的两个时间点，计算出机动车通过检测区域的速度和加速度；如果两组测速模块14被同时触发，则以两组测速模块14的平均值作为测量结果；

步骤十：污染物浓度检测结果及空气质量测量结果显示于LED显示屏；

步骤十一：各测量数据由工业计算机上传至平台服务器，作为分析研究、环境治理的依据。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多光束机动车尾气检测装置，包括龙门架，所述龙门架包括立于道路两侧的两支撑杆和连接所述两支撑杆并位于道路上方的横杆(20)，其特征在于，还包括主机(10)和多个反射器(11)，所述主机(10)安装在龙门架的横杆(20)上，包括控制器(12)和多个检测模块(13)，每个检测模块(13)包括检测光线发射端(131)和接收端(132)，所述多个检测模块(13)的发射端(131)的光线发射角度不同；所述反射器(11)设置于横杆(20)下方的路面(30)下，其数量与检测模块(13)的数量相对应，所述反射器(11)为镜面反射，其具有三面相互垂直的平面反射镜(111)，上方设置有光线入射和出射窗口，可将检测模块(13)的发射端(131)发出的光线平行于原路反射回接收端(132)。

2.根据权利要求1所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述平面反射镜(111)安装在镁铝合金底座上。

3.根据权利要求1所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述反射器(11)安装在完全密封的不锈钢壳体内。

4.根据权利要求3所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述壳体内部设置有干燥除湿装置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述各检测模块(13)的光源由同一激光器发出的激光经等比分束获得。

6.根据权利要求5所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述主机(10)安装于横杆(20)中央。

7.根据权利要求5所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述检测模块(13)和反射器(11)均为三个，中间的反射器(11)位于主机(10)的正下方，且位于车道中央处，左右两侧的反射器(11)距离中间的反射器(11)0.6米。

8.根据权利要求6或7所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，所述主机(10)还包括测速模块(14)，所述测速模块(14)有两组，分别安装于主机(10)箱体内部左右两侧。

9.根据权利要求8所述的多光束机动车尾气检测装置，其特征在于，还包括牌照、路况识别系统、LED显示系统、环境参数测量系统、平台服务器和工业计算机，所述牌照、路况识别系统分别用于对车牌和路况进行识别，所述环境参数测量系统用于测量路边空气质量，所述LED显示系统用于显示尾气测量结果和路边空气质量，所述平台服务器用于存储测量数据，所述工业计算机设置于路边的机柜中，用于控制各部件的正常工作，并将测量数据实时上传到平台服务器。

10.一种如权利要求9所述的多光束机动车尾气检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：未有车辆通过时，多个检测模块(13)实时采集各检测光束光谱，环境参数测量系统实时测量路边空气质量；

步骤二：机动车驶入检测区域，牌照识别系统识别机动车号牌；

步骤三：某组测速模块(14)被触发、或两组同时被触发，记录下车头进入检测区域的时间点；

步骤四：多个检测模块(13)停止检测，控制器(12)以停止检测前检测到的光谱信号作为本次检测的背景信号，并存储；

步骤五：某组测速模块(14)被触发、或两组同时被触发，记录下车尾离开检测区域的时间点；

步骤六：多个检测模块(13)恢复检测，重新采集各检测光束光谱；

步骤七：控制器(12)将各检测模块(13)检测到光谱信号与背景信号作比较，取光谱变化最大值作为本次检测的光谱信号；

步骤八：控制器(12)计算得出引起光谱变化的尾气中的污染物的浓度；

步骤九：控制器(12)计算出机动车通过检测区域的速度和加速度；

步骤十：污染物浓度检测结果及空气质量测量结果显示于LED显示屏；

步骤十一：各测量数据由工业计算机上传至平台服务器。