CN111965144A - 一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备 - Google Patents

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周雨莎
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Abstract

本发明公开了一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备，包括以下步骤：S1、由激光二极管发射一束固定波长的激光，激光光束穿过汽车排放的尾气烟团照射到光电二极管上产生相应的电信号；S2、入射光信号为定值，出射光信号随着尾气颗粒物浓度即不透光度增加而减小，光电二极管将产生的电信号送到运算放大器进行放大调理，然后进入单片机AD模块进行模数转换。该车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备，采用I/V转换电路，将光电二极管光电转换产生的电流信号转换为电压信号，通过放大电路对电压进行放大处理，再通过稳压电路，实现缓冲、隔离、阻抗转换以及提高带载能力，从而获得稳定的输出电压，减小了测量误差，提高了测量精度。

Description

一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备
技术领域
本发明涉及机动车尾气检测技术领域，具体为一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备。
背景技术
随着我国机动车保有量的增加，机动车给我们带来经济增长和生活便利的同时，也给我们造成了严重的大气污染问题。对此，国家出台了多项法规政策对大气污染和汽车尾气排放进行防治。面对这种现状，开展机动车尾气颗粒物浓度的检测具有十分重要的意义。目前，测量机动车尾气颗粒物浓度的方法主要有滤纸法、电阻法和不透光度法三种。
1、滤纸法操作过程比较复杂，不能连续测量，不能在非稳态工况下测量，并且滤纸品质、抽气时间、抽气量等都对测量结果有一定影响，且不能检测含水过大的烟气以及蓝烟、白烟和油雾。
2、电阻法在排气流量增多的运转状态下，附着在电极上的颗粒物可能会脱离，因此，测量精度无法保证。
所以，目前机动车尾气颗粒物浓度的检测多采用不透光烟度计，但目前市场上的不透光烟度计存在以下问题：
1、需要停车检测，在车辆排气孔抽取尾气进行测量，使用场合受到限制，检测效率低。
2、由于汽车尾气颗粒物的排放与发动机工况、发动机功率、进气量、排气量、油耗等多种因素有关，而这些因素又在不断的变化，目前市场上的产品不能做到实时检测。
3、测量精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备，以解决上述背景技术中提出滤纸法操作过程比较复杂、电阻法测量精度无法保证、需要停车检测的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法，包括以下步骤：
S1、由激光二极管发射一束固定波长的激光，激光光束穿过汽车排放的尾气烟团照射到光电二极管上产生相应的电信号；
S2、入射光信号为定值，出射光信号随着尾气颗粒物浓度即不透光度增加而减小，光电二极管将产生的电信号送到运算放大器进行放大调理，然后进入单片机AD模块进行模数转换；
S3、经内部程序计算出不透光度和吸光系数，将数据传给上位机显示。
计算方法：不透光度N：
Figure BDA0002569983060000021
式中：
Figure BDA0002569983060000022
--暗通道充满排放烟气时光接收器上接收到的光通量；
Figure BDA0002569983060000023
--暗通道充满干净空气时光接收器上接收到的光通量。
由比尔-朗博定律(Beer-Lambert)可知，吸光系数K(单位为m-1)：
Figure BDA0002569983060000024
式中：L—光通道有效长度；
N—不透光度。
一种车载尾气颗粒物浓度的检测设备，所述检测设备包括测量单元和控制单元，测量单元由光纤和检测通路组成，控制单元由外壳及壳内的电路组成，测量电路由单片机CPU、A/D转换器、信号采集放大电路、光电转换器、激光二极管、光电二极管和电源组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用I/V转换电路，将光电二极管光电转换产生的电流信号转换为电压信号，通过放大电路对电压进行放大处理，再通过稳压电路，实现缓冲、隔离、阻抗转换以及提高带载能力，从而获得稳定的输出电压，减小了测量误差，提高了测量精度。
2、采用差分输出，抗干扰能力强，排除了噪声对信号产生的影响，且能有效的抑制电磁干扰，减小了测量误差，提高了测量精度。
3、使用高亮度、灵敏度高、稳定性好的激光二极管作为发光源，使用灵敏度好的光电二极管作为接收器，使用稳定性好、误差小的的光电信号调理电路作为检测电路，因此可以实现尾气颗粒物浓度的准确检测，也提高了尾气颗粒物浓度的检测精度。
4、检测通道的两侧装有透镜，车载尾气颗粒物浓度传感器的检测原理是透射消光法，使被测烟气在一定强度的平行光照射下，利用烟气中的颗粒物对入射光的吸收散射作用，使得透射光的强度发生衰减，通常假设烟气中的颗粒物的分布是均匀的，则颗粒物对光的吸收遵循比尔-朗博定律(Beer-Lambert)，则可根据光在烟气中的透射程度来确定烟度。第一透镜和第二透镜可以将发射光转换成平行光，穿过被测烟气，由第三凸透镜把光收集起来照射到光电二极管，减少了因光的扩散而造成的光损，因此可以减小误差，使检测结果更加精确。
5、本装置的检测通道安装在排气管上，解决了停车检测，抽取尾气检测，使用场合受限制，检测效率低的问题，实现了对汽车尾气进行实时检测，有效的提高了检测效率，更加简洁方便。
附图说明
图1为本发明检测原理示意图；
图2为本发明检测设备的立体结构示意图；
图3为本发明检测设备的电性连接示意图；
图4为本发明检测设备的俯视示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明作进一步说明。
如图1-4所示，本发明提供了一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法及设备，车载尾气颗粒物传感器的检测原理是透射消光法，使被测烟气在一定强度的平行光照射下，利用烟气中的颗粒物对入射光的吸收散射作用，使得透射光的强度发生衰减，通常假设烟气中的颗粒物的分布是均匀的，则颗粒物对光的吸收遵循比尔-朗博定律(Beer-Lambert)，则可根据光在烟气中的透射程度来确定烟度。通常用吸光系数(K)或不透光度(N)表示排气烟度。
由激光二极管发射一束固定波长的激光，激光光束穿过汽车排放的尾气烟团照射到光电二极管上产生相应的电信号，入射光信号为定值，出射光信号随着尾气颗粒物浓度即不透光度增加而减小，光电二极管将产生的电信号送到运算放大器进行放大调理，然后进入单片机AD模块进行模数转换，经内部程序计算出不透光度和吸光系数，将数据传给上位机显示。
计算方法：不透光度N：
Figure BDA0002569983060000041
式中：
Figure BDA0002569983060000042
--暗通道充满排放烟气时光接收器上接收到的光通量；
Figure BDA0002569983060000043
--暗通道充满干净空气时光接收器上接收到的光通量。
由比尔-朗博定律(Beer-Lambert)可知，吸光系数K(单位为m-1)
Figure BDA0002569983060000044
式中：L—光通道有效长度；
N—不透光度；
如图3和图4所示，将颗粒物浓度传感器的测量杆以贯穿的方式安装于尾气排气管，保证镂空部分与汽车尾气的气流方向一致；控制单元安装于远离排气管的位置，具有光电转换模块以及CAN通信电路，负责发射、接收光信号，同时进行数据分析处理。
汽车在行驶的过程中，汽车尾气通过测量通路，控制单元中的激光二极管发出波长650nm，功率5mW的红色激光，经过光纤、第一透镜和第二透镜转换成平行光，穿过被测烟气，由第三凸透镜把光收集起来再经过光纤照射到Si光电二极管光产生相应的电流信号。
产生的电流信号经过控制单元中的I/V转换电路转换为电压信号，通过放大电路对电压进行放大处理，再通过稳压电路，实现缓冲、隔离、阻抗转换以及提高带载能力，获得稳定的输出电压，再经过内部设置好的计算程序对电压进行数据处理，最后输出光吸收系数和不透光度。
输出的光吸收系数和不透光度经过CAN通信电路传到上位机及OBD远程监控平台，实现实时监控；电路采用差分传输，抗干扰能力强，排除了噪声对信号产生的影响，且能有效的抑制电磁干扰，减小了测量误差，提高了测量精度。
1、本装置采用I/V转换电路，将光电二极管光电转换产生的电流信号转换为电压信号，通过放大电路对电压进行放大处理，再通过稳压电路，实现缓冲、隔离、阻抗转换以及提高带载能力，从而获得稳定的输出电压。所以在实际计算过程中，用电压来反映光通量，实际计算
Figure BDA0002569983060000051
式中：V--暗通道充满排放烟气时测得的电压值；
V0--暗通道充满干净空气时测得的电压值。
2、本装置中，光电二极管光电转换产生的电流信号转换为电压信号后，采用差分传输，抗干扰能力强，排除了噪声对信号产生的影响，且能有效的抑制电磁干扰，减小了测量误差，提高了测量精度。
3、如图1所示，该车载尾气颗粒物浓度传感器包括激光二极管、光电二极管和光电信号调理电路，激光二极管采用波长650nm，功率5mW的激光二极管，其亮度高、稳定性好。光电二极管采用LSSPD-1.2-3P-2JKFC的Si光电二极管，其结电容小、灵敏度高、响应快，能快速反应颗粒物浓度的变化，在650nm波长上有较高的响应度，减少了噪声干扰和电路的不稳定性。
4、本装置的检测原理是透射消光法，而透射消光法需要用一定强度的平行光照射被测烟气，根据光在烟气中的透射程度来确定烟度。如图1所示，本装置中的第一透镜将激光二极管发出的光汇聚到第二透镜的焦点上，第二透镜将光束转变为平行光，平行光穿过汽车尾气，由第三透镜汇聚在其焦点，光电二级管安装在该焦点上，这样可以使光线最大限度的收集并照射在光电二极管上，从而减少因光的扩散而造成的误差。
5、为了实现实时检测，本装置将检测通道安装在排气管上，如图2所示，在排气管上打两个直径和检测杆直径大小相同的孔，将检测杆安装在排气管上，在排气管内的检测杆部分镂空，保证尾气能穿过检测杆被检测，汽车在行驶的过程中，产生的尾气在排气管中不断的经过检测通路被检测，检测到的数据上传至OBD远程监控平台，从而实现了实时监控。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种车载尾气颗粒物浓度的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、由激光二极管发射一束固定波长的激光，激光光束穿过汽车排放的尾气烟团照射到光电二极管上产生相应的电信号；
S2、入射光信号为定值，出射光信号随着尾气颗粒物浓度即不透光度增加而减小，光电二极管将产生的电信号送到运算放大器进行放大调理，然后进入单片机AD模块进行模数转换；
S3、经内部程序计算出不透光度和吸光系数，将数据传给上位机显示。
计算方法：不透光度N：
Figure FDA0002569983050000011
式中：
Figure FDA0002569983050000012
-暗通道充满排放烟气时光接收器上接收到的光通量；
Figure FDA0002569983050000013
--暗通道充满干净空气时光接收器上接收到的光通量。
由比尔-朗博定律(Beer-Lambert)可知，吸光系数K(单位为m-1)：
Figure FDA0002569983050000014
式中：L—光通道有效长度；
N—不透光度。
2.根据权利要求1所述的一种车载尾气颗粒物浓度的检测设备，其特征在于：所述检测设备包括测量单元和控制单元，测量单元由光纤和检测通路组成，控制单元由外壳及壳内的电路组成，测量电路由单片机CPU、A/D转换器、信号采集放大电路、光电转换器、激光二极管、光电二极管和电源组成。
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