CN110044843A - 基于近红外可调谐二极管激光光谱技术的尾气遥测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于近红外可调谐二极管激光光谱技术的尾气遥测装置。本发明包括位于道路同一侧的发射和接收端、道路另一侧的反射端，发射端主要包括：近红外激光器，准直镜，接收端主要包括：光电探测器DP，数据采集卡，用于产生调制信号和进行高速数据采样，其中的调制信号由低频三角波信号与高频正弦波信号叠加而成，该调制信号输入到近红外的电流驱动中；计算机，用于分析接收到的光信息；由数字锁相放大器程序运算得到二次谐波信号，通过该信号的幅值与事先标定获得的参数进行计算，获得实时的气体浓度。本发明一次扫描就可以测量两种气体的浓度，大大降低了系统的复杂性，并且由于光路相同，所获得的两种气体的浓度比值也将更加精准。
Description
技术领域
本装置涉及一种过往车辆尾气污染物中一氧化碳与二氧化碳的检测技术，具体涉及一种基于近红外可调谐二极管激光光谱技术的尾气污染物遥测装置。
背景技术
目前，越来越多的城市出现大气污染问题。作为大气污染的主要成因之一，我国机动车尾气污染防治面临着十分严峻的形势。主要包括两方面原因：一是全国机动车保有量持续增长导致尾气排放总量居高不下；二是机动车排放尾气造成的污染危害特别明显。因此，加强机动车排气污染物的治理，尤其是加强对机动车排放尾气的监管，对于改善城市中空气质量有着重要作用。
除了执行国家现有的一些环保政策和法规外，还应该从其他一些方面去减少机动车排气污染物对大气环境的污染，比如提高新车的尾气排放标准、对燃油品质质量的改善、对黄标车辆加快淘汰进程、实行车辆尾气超标排放的在线监测与快速识别等，实现控制机动车排气污染从“末端治理”到“源头控制”的改变，真正从“谁污染，谁治理”的原则，去落实国家节能减排的政策，从而促进经济与和谐社会的建设。由于移动污染源流动性强，法规工况测试结果与道路实际排放差异大，因此，研发可监测实际工况的小型移动污染源排放快速在线监测终端具有重要意义。
专利号为CN201810225733.3的发明专利，公开了一种机动车尾气遥测系统。该装置主要包括激光发射模块和紫外发射模块，同时使用了分光片调整光路，利用两面90夹角的反射镜反射入射光，使用离轴抛物面接收反射光，能够同时检测CH,NO,CO和CO2的数据。但该系统使用的离轴中空抛物面加工困难，价格较高，并且由于使用光纤接收紫外光，紫外光的出射功率较低，不能达到很好的信噪比。
专利号为CN201820372366.5的实用新型公开了一种一体化的遥测主机，其存在的问题有：当准直紫外光与红外激光平行时，红外激光返回后被光纤收集，此信号在光纤中传播存在多个模式，相互之间会形成串扰，最终导致探测到的信号被干涉等现象影响；当准直紫外光与红外激光不平行时，随吸收池长度的不同红外激光被离轴抛物面汇聚的位置会产生偏移，每次搭设都需要微调。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于近红外可调谐二极管激光光谱技术的尾气遥测装置。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括位于道路同一侧的发射和接收端、道路另一侧的反射端两大部分。
发射端主要包括：
近红外激光器，用于近红外光。
准直镜，用于将近红外激光器发射出的光进行准直。
接收端主要包括：
光电探测器DP，接收来自反射端的光信号。
数据采集卡，用于产生调制信号和进行高速数据采样，其中的调制信号由低频三角波信号与高频正弦波信号叠加而成，该调制信号输入到近红外的电流驱动中。
计算机，用于分析接收到的光信息；由数字锁相放大器程序运算得到二次谐波信号，通过该信号的幅值与事先标定获得的参数进行计算，获得实时的气体浓度。
反射端主要包括：
平面反射镜，用于将发射端发出的光反射到接收端。
进一步说，所述的近红外激光器为1580纳米的激光器，通过温度与电流控制其波长可以依次经过1579.574纳米的CO2吸收峰和1579.737纳米的CO吸收峰。
进一步说，所述的低频三角波信号频率为1～100Hz，高频正弦波信号频率为1kHz～100KHz。
本发明的有益效果：
（1）实现了CO、CO2的同时测量，一次扫描就可以测量两种气体的浓度，大大降低了系统的复杂性。并且由于光路相同，所获得的两种气体的浓度比值也将更加精准。
（2）测试效率高、测试过程人工干预少、测试成本低、不会影响道路交通状况，在车辆正常的行驶过程中就可以完成尾气检测。
（3）可实时监测道路中行驶的车辆，能够更好地测量汽车在道路上尾气排放的真实工况。
（4）该设备结构稳定，安装方便，且尺寸较小，可以大大减小使用者的负担。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为CO2和CO的浓度测量流程图；
图3为CO2和CO不同浓度下2f信号强度图。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
如图1所示，本发明包括温度控制器1、电流控制器2、近红外激光器DFBL 3、准直镜4、反射镜5、光电探测器DP 6、数据采集卡以及计算机7。连接计算机的数据采集卡兼具了信号发生器、AD高速采样两大功能。测量CO、CO2浓度的工作流程是数据采集卡产生的低频三角波信号与高频正弦波信号叠加的调制信号，输入到激光器的电流驱动中。激光器输出激光，经过准直器准直，被发射到路面上方，穿过马路，并经安放在马路对面的反射镜组返回，最终被探测器接收。光电探测器输出信号经过高速数据采集卡的AD采样并传送到计算机程序中，由数字锁相放大器程序运算得到二次谐波信号。通过该信号的幅值与事先标定获得的参数进行计算，获得实时的气体浓度。
本装置使用的近红外激光器为1580纳米的激光器。通过温度与电流控制其波长可以依次经过1579.574纳米的CO2吸收峰和1579.737纳米的CO吸收峰。
在激光器的一个低频调制周期内，CO2和CO的浓度被依次测量，其测量流程如图2所示。检测装置首先扫描经过CO2的吸收峰，然后扫描经过CO的吸收峰，并到达三角波信号的顶点。接着，根据对称性，检测装置继续扫描经过CO的吸收峰，然后扫描经过CO2的吸收峰，完成一个低频周期的检测。低频三角波频率在1～100Hz。高频正弦波的频率为1kHz～100KHz。
经过调制系数选择与相位匹配后，得到了最优的2f信号。从图3可以看出，无论是CO还是CO2，其2f信号幅值与气体浓度之间都存在非常好的线性关系，CO2的R2达到0.999，CO的R2达到0.998。通过该线性关系即可由2f信号反推气体浓度信息。
实施例
一套基于近红外可调谐二极管激光光谱技术的尾气污染物遥测装置能够摆放在道路上对汽车排放的尾气中的CO与CO2进行实时监测，方便了实地测试，提高数据准确性。其测试效率高、测试过程人工干预少、测试成本低、不会影响道路交通状况，在车辆正常的行驶过程中就可以完成尾气检测，该装置包括数据采集卡、准直器、激光器、反射镜、探测器。主要工作流程为：数据采集卡产生5Hz的三角波信号与9015Hz的高频正弦波信号叠加的调制信号，输入到激光器的电流驱动中。激光器输出激光，经过准直器准直，被发射到路面上方，穿过马路，并经安放在马路对面的反射镜组返回，最终被探测器接收。探测器输出信号经过高速数据采集卡的AD采样并传送到计算机程序中，通过计算机程序处理获得浓度值。
Claims (3)
1.基于近红外可调谐二极管激光光谱技术的尾气遥测装置，包括位于道路同一侧的发射和接收端、道路另一侧的反射端两大部分，其特征在于：
发射端主要包括：
近红外激光器，用于近红外光；
准直镜，用于将近红外激光器发射出的光进行准直；
接收端主要包括：
光电探测器DP，接收来自反射端的光信号；
数据采集卡，用于产生调制信号和进行高速数据采样，其中的调制信号由低频三角波信号与高频正弦波信号叠加而成，该调制信号输入到近红外的电流驱动中；
计算机，用于分析接收到的光信息；由数字锁相放大器程序运算得到二次谐波信号，通过该信号的幅值与事先标定获得的参数进行计算，获得实时的气体浓度；
反射端主要包括：
平面反射镜，用于将发射端发出的光反射到接收端。
2.根据权利要求1所述的尾气遥测装置，其特征在于：所述的近红外激光器为1580纳米的激光器，通过温度与电流控制其波长可以依次经过1579.574纳米的CO2吸收峰和1579.737纳米的CO吸收峰。
3.根据权利要求1所述的尾气遥测装置，其特征在于：所述的低频三角波信号频率为1～100Hz，高频正弦波信号频率为1kHz～100KHz。
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