CN109781648A

CN109781648A - 一种机动车尾气遥感检测系统

Info

Publication number: CN109781648A
Application number: CN201711126722.1A
Authority: CN
Inventors: 朱德麒; 王浩; 刘晓芹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开一种机动车尾气遥感检测系统。本系统采用被动红外原理，即自身不带红外光源，而利用机动车尾气对背景辐射的吸收来进行检测。本系统包括一个红外信号接收器；该红外接收器可以接收一组红外光谱带信号；该组红外光谱带信号至少包括一个能被尾气吸收的波长，以及至少一个不被尾气吸收或基本不吸收的波长。本系统还包括一个数据处理器；该数据处理器可以对接收器的数据进行存储和处理。与传统的尾气检测设备相比较，由于本系统自身不带红外光源，所以成本相对较低，系统更加简化，安装也更容易。本系统可固定安装，也可集成为车载或手持等便携系统。

Description

一种机动车尾气遥感检测系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种利用被动红外对机动车辆尾气进行检测的系统。

背景技术

随着经济的快速发展，到2016年，我国已经连续8年成为全球机动车产销第一大国，全国的机动车保有量达2.95亿辆，未来5年还将新增机动车1亿多辆。在方便出行，提高人们生活水平之余，机动车尾气也带来了相当大的环境污染问题。环根据保部《中国机动车环境管理年报(2017)》显示，2016年全国机动车排放污染物初步核算为4472.5万吨，其中，一氧化碳3419.3万吨，碳氢化合物422.0万吨，氮氧化物577.8万吨，颗粒物53.4万吨，机动车尾气污染已成为我国空气污染的重要来源，是造成细颗粒物、光化学烟雾污染的重要原因，污染防治的紧迫性凸显。为此国家制定了严格的尾气排放标准，建立了机动车环境管理新体系，实施了新生产机动车环保信息公开、环保达标监管、加速不达标老旧车淘汰等一系列环境管理制度。这其中，对机动车尾气的检查监测是保证这些措施得以实施的重要一环。

目前对机动车尾气的检测，主要通过“年检”的方式，即车辆根据不同的车龄，定期到指定地点进行尾气检测和其它安全技术的检验。这种方法的缺点在于，在检测周期内，不达标的车辆可能在路上已经行驶相当长度一段时间。所以对在路面上行驶的车辆进行实时检测，是机动车辆尾气检测-治理这个监管闭环中重要的一个环节。对路面行驶的车辆进行尾气检测，可以通过临时抽查或遥感检测两种方法。相比较于后者，临时抽查需要的设备较高，效率低，覆盖面小，所以越来越多的使用遥感检测的方法。

传统的机动车尾气遥感检测系统，如美国专利US5650624，日本专利JPH11153544，我国专利CN102128802，需要系统自己的光源，通过光源发射红外光线，被气体吸收后，由接收器接收进行检测分析。红外光源对设备的要求较高，是系统成本的主要部分之一。光源发射后，需要经过反射器的反射才能返回到接收器，或者需要把接收器安装在光源的对面，对系统的安装位置有所限制。加上通常光源尺寸较大，发射光源需要提供较高的能源，所以很难把整个系统简化，做成更方便的例如手持的检测系统。这些因素都限制了尾气检测系统在更广泛的范围内的应用。

发明内容

为了解决传统机动车尾气遥感检测系统的这个缺陷，我们发明了一种利用被动红外的检测系统，系统不用提供红外光源也能对机动车尾气进行遥感检测。

根据“黑体辐射”理论，任何高于绝对零度的物体都会向外发射光子，作为一个理想的黑体，其辐射强度只与光子波长和黑体的温度有关，如公式一所示。

B(λ，T)＝2hc²/(λ⁵(exp(hc/λRT)-1) (公式一)

其中，

B(λ，T)-黑体的光谱辐射亮度(瓦/米³)

λ-辐射波长(微米)

T-黑体绝对温度(开)

C-光速(2.998×10⁸米/秒)

h-普朗克常数，6.626×10^-34焦·秒

K-波尔兹曼常数，1.380×10^-23焦/开

根据不同的温度做出曲线，如图1示，图中每条曲线对应不同的开氏温度，开氏温度可由摄氏温度数值加上273得来，普通的室温接近于300开氏度。需要指出的是，公式一和图一都是描述的理想黑体，其辐射率ε为一。对于真实的物体，其辐射率比一要小，但对大多数物体来说，辐射率接近一；对于相近的波长，辐射率更是相同或非常接近。

机动车辆发动机在工作的时候，其温度可高达1000K以上，燃烧后的气体经过催化剂和各种管道，最终从尾管排出的时候，温度仍然可达500K左右，其辐射的波长在典型的红外区间。这些辐射会部分被尾气吸收，成为带有尾气成分和浓度信息的特殊吸收光谱，如果能接收这个光谱，并加以分析，就可用来检测尾气的成分和浓度。尾气的主要成分是氮气(N₂)，水蒸气(H₂O)，二氧化碳(CO₂)，一氧化碳(CO)，未燃烧的燃料(CH)，氮氧化合物(NO和NO₂)，二氧化硫(SO₂)，以及碳颗粒。其中CO₂是重要的温室气体，CO，CH，NO，NO₂，SO₂和碳颗粒有毒或影响环境，需要进行特别的检测。表一列出了各种气体的特征吸收波长(N₂对主要区间都是透明的，故未列出)，要注意到在不同的波长气体吸收的程度会有不同。由于不同气体间的特征峰有所重叠，或有的波长吸收较弱，表一还推荐了适合用作测量的波长位置作为参考，本行业普通技术人员也可以根据具体需要，选择其它合适的波长位置。

表一尾气中主要气体的特征吸收波长

有的尾气成分，比如CO₂，因为浓度很高，在最强的吸收波长(4.67微米)会造成很强烈的吸收，这时也可以稍微偏离一点最强波长(比如选用4.57微米)，或采用吸收较弱的波长(比如选用2.7微米)来进行测量。

尾气温度的测定，可以选用两个没有任何吸收或吸收非常弱的波长(称其为参考波长，例如3.9微米和5.0微米)。根据公式一，因在不同的温度这两个波长的相对强度是不一样的，比较两个波长的相对强度，就可以确定温度。

当温度确定后，通过公式一，可以得到不同波长和参考波长的强度比。如果特征波长被尾气吸收，和参考波长的强度相比较，其相对值显著低于计算值，则可认为该气体存在。更精确的测定可以通过同一气体的多条特征波长的吸收来判断。

而尾气的浓度计算可以通过比尔-郎伯定律(Beer-Lambert Law)来测定，其基本原理是当红外光通过一均匀非散射的物质时，其吸收率和与介质的浓度及厚度成正比。根据这个原理，由于尾气的各成分有相同的厚度，可以测量出二氧化碳浓度(％CO₂)和其它尾气成分的比值：QCO＝％CO/％CO₂，QNO＝％NO/％CO₂，QHC＝％HC/％CO₂，QH₂O＝％H₂O/％CO₂，QNH₃＝％NH₃/％CO₂，和QSO₂＝％SO₂/％CO₂。然后根据燃烧公式(公式二)可以得到％CO₂，从而计算出尾气中其它成分的浓度。关于燃烧公式更详细的解释可以参考文献“Measuringthe Emissions of Passing Cars”(Bishop，B.A.，Stedman，D.H.，Accounts of ChemicalResearch，Volume 29，Number 10，Pages 489-495，March 6，1996)。

CO₂％＝100/(6.64+4.76*QCO+2*QHC+2.38*QNO) (公式二)

图2给出了本红外检测系统的结构示意图。被动红外检测系统1包含了一个红外信号接收器2；红外接收器2可以接收一组红外光谱带信号；该组红外光谱带信号至少包括一个能被尾气吸收的波长，以及至少一个不被尾气吸收或基本不吸收的波长。被动红外检测系统1还包括一个数据处理器4可以对接收器的数据进行存储和处理。接收器2接收尾管6排出的尾气5所发出的红外信号并传送到数据处理器4。数据处理器4根据接收器2中的不被尾气吸收或基本不吸收的波长信号可以计算出尾气的温度；根据接收器2的能被尾气吸收的波长信号可以判定尾气中是否含有特定的成分。如果接收器2能够接收CO₂，CO，NO和CH的特征波长的信号，根据尾气温度和吸收的多少，可以计算出它们的相对浓度，再根据燃烧公式，就可以计算出每种成分的具体浓度。

接收器2可以采用碲镉汞制冷或非制冷的红外接收器，该红外接收器灵敏度高，工作波长从2微米到11微米，覆盖了尾气中主要成分的特征波长范围。接收器2也可采用其它满足灵敏度，尺寸以及工作波长的接收器。

为了从整个红外光谱中将所需要测定的波长信号分离出来，在接收器2前面还需要设置一组红外带通滤光片3，红外带通滤光片将大部分红外信号过滤掉，只让特定的波长通过。对于尾气中主要气体的特征波长，可以采用以蓝宝石为基底材料的滤光片，透光率应该大于80％，而为了保证足够的信号，同时保证足够的精确性，红外带通滤光片的半带宽(透过率为峰值透过率一半的两个波长之间的差值)应在0.1微米左右，也可以根据具体的需要采用其它滤光片。

需要指出的是，本系统可以独立安装，用来检测尾气中的成分，也可以和其它的系统一起，例如紫外分析系统，激光分析系统，车速测定系统，以及车牌拍摄系统，组成一个整体，来检测尾气中的成分。

[附图说明]

为了更清楚地解释本发明，我们采用附图的形式对本发明的原理和实施例进行介绍。

图1为不同开氏温度黑体所对应的辐射曲线(横坐标为波长，纵坐标为辐射亮度)。

图2为本发明公开的被动红外机动车尾气遥控检测系统的结构示意图。

图3为本发明实施例一公开的手持式被动红外机动车尾气检测系统的结构示意图。

图4为本发明实施例一公开的手持式被动红外机动车尾气检测系统的空间示意图。

图5为本发明实施例二公开的固定式被动红外机动车尾气检测系统的结构示意图。

图6为图5中实施例二公开的固定式被动红外机动车尾气检测系统的空间示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图，对本发明的实施例进行详细完整的介绍。显然，在这里要介绍的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的原理和实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下，所获得的其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种被动红外机动车尾气检测系统，可以对机动车尾气进行遥感检测。

实施例一

如图3所示，本发明公开的被动红外机动车尾气检测系统可以独立使用，集成为手持式，检测得到的数据经过处理后，可以和后台的处理系统直接交流。

本发明公开的被动红外机动车尾气检测系统独立使用时，可以集成为手持式，如图4所示。检测系统1为手持式，可以直接对机动车尾气5进行测量。测量得到的数据经过处理后可以通过无线联系的方式和后台处理系统进行交流。

实施例二

如图5所示，实施例二是一个固定安装的系统，除了红外系统以外，还包含了一个紫外系统，可以利用紫外光谱，对红外系统不能测定的成分进行检测；一个激光系统，可以发射激光来测定尾气的不透明烟度；一个牌照拍摄系统，可以根据需要对机动车牌照进行拍摄，并分析识别。这些系统都受控制系统的控制。控制系统还负责和后台处理系统进行数据交换，获得机动车辆更多的信息。

实施例二的空间示意图如图6所示，整个系统可以安装在机动车行驶的道路上。在道路旁边可以安装红外系统1，紫外系统7和激光系统8；在道路上方可安装牌照拍摄系统9。牌照拍摄系统包括了测速系统91和拍摄系统92。

当机动车驶近时，测速系统91开始对车辆测速；当车辆驶过测速系统91，测速系统91通过控制系统10启动红外系统1，紫外系统7和激光系统8，对机动车辆进行测试。这些数据传输到控制系统10，如果数据超标则启动拍摄系统92，并和后台处理系统11进行数据交换。

Claims

1.一种机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，系统采用被动红外原理，即自身不带红外光源，而利用机动车尾气对背景辐射的吸收来进行检测。

2.根据权利要求1所述的机动车辆尾气检测系统，用来检测水蒸气(H₂O)，二氧化碳(CO₂)，一氧化碳(CO)，未燃烧的燃料(CH)，氮氧化合物(NO和NO₂)和二氧化硫(SO₂)，或其中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的机动车辆尾气遥感检测系统，其特征在于，固定安装。

4.根据权利要求1所述的机动车辆尾气遥感检测系统，其特征在于，安装在可移动的车辆上。

5.根据权利要求1所述的机动车辆尾气遥感检测系统，其特征在于，可以手持进行测量。

6.根据权利要求1所述的机动车辆尾气遥感检测系统，其特征在于，用电池作为电源。

7.根据权利要求1所述的机动车辆尾气遥感检测系统，单独安装使用。

8.根据权利要求1所述的机动车辆尾气遥感检测系统，和其它检测系统，如紫外检测系统，激光检测系统，共同安装使用。