CN112525842B - 基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，该装置从前到后依次设置有激光发射器、准直透镜、平顶光束整形器、扩束系统、石英玻璃管、窄带滤光片、成像透镜、CCD相机，还包括与CCD相机相连的计算机。激光器发射特定波长的激光经过准直透镜后射入平顶光束整形器，得到的平顶激光束经扩束系统扩束后横穿整个石英玻璃管，石英玻璃管后端与CCD相机之间设有窄带滤光片与成像透镜，石英玻璃管两端侧面的管壁上分别开设有尾气排入口和尾气排出口。本发明能够对汽车尾气管道横截面上相对氨气浓度分布进行实时检测和单点氨气浓度值，能够工作在多种背景噪声和高温环境中，具有高的信噪比。

Description

基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置
技术领域
本发明涉及一种汽车尾气检测装置，具体是一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，适用于激光技术与汽车工程领域。
背景技术
21世纪以来，发动机排放问题成为了空气质量研究的重点，发动机排放气体中NOX等有害排放物问题比较严重。国内外明确规定了发动机的排放标准，为了降低氮氧化物等排放量，由于净化系统技术限制，国内比较常见的方法是使用SCR系统来降低NOX的排放，选择尿素水溶液作为还原剂，尿素的过量会导致氨气溢出排入大气中。氨气无色刺激性气体，对人体呼吸和组织都有刺激和腐蚀作用，若人体吸入过多，会引发心脏暂停甚至危及生命。
目前对于汽车尾气中氨气浓度的检测多数使用可调谐半导体激光吸收技术（TDLAS）或分析仪技术。使用单点测量的方法，当管道中混合气体流过小孔时，利用光谱仪分析测量目标气体吸收强度等特性，检测出的氨气浓度只是管道中某单点的值，截面上不同区域氨气浓度分布不均，单点检测不能实时地反映整个截面的氨气分布。采用网格式多个单点取样进行拟合实现整个截面氨气分布检测，取样点不同也会使测量数据有偏差，取点操作过程繁琐，需要高精度仪器，且得不到整个截面上实时变化的氨气浓度分布情况。测量整个截面的氨气浓度分布技术较匮乏，在管道尾气排放时，如果不能精准地测量和防控氨气的排放，对空气质量影响和人体健康都存在着巨大的隐患。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明提供一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，能够对汽车尾气管道整个横截面上相对氨气浓度分布进行实时检测和单个点氨气浓度值，精确反映管道整个横截面的氨气分布情况。
为达到以上目的，本发明提供一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，该装置从前到后依次设置有激光发射器、准直透镜、平顶光束整形器、扩束系统、石英玻璃管，窄带滤光片，成像透镜、CCD相机，包括与CCD相机相连的计算机。
其中，对汽车尾气各组分的吸收光谱进行对比分析，激光发射器发射特定的波长激光经过准直透镜后射入平顶光束整形器，浓度均匀分布的平顶激光束经扩束系统扩束后从长焦透镜射出，穿过石英玻璃管前端进入管道内，平顶激光束从石英玻璃管后端射出，石英玻璃管后端与CCD相机之间设有窄带滤光片和成像透镜。石英玻璃管两端侧面的管壁上分别开设有尾气排入口和尾气排出口，激光发射器、准直透镜、平顶光束整形器、扩束系统和石英玻璃管、窄带滤光片、成像透镜以及CCD相机中心同轴设置。
与现有技术相比，本发明能够对汽车尾气管道横截面上相对氨气浓度分布进行实时检测和单个点氨气浓度值，且在多种背景噪声气体和高温下具有更高的信噪比，检测精度高、适用范围广、操作简便、便于集成，能够精准反映整个截面上氨气分布，且在多种背景噪声和高温下，具有高的信噪比，为防控氨气排放和尾气管道设计提供依据。
附图说明
图1为本发明氨气吸收峰选择对比分析图。
图2为本发明氨气浓度分布实时检测装置图。
图3为平顶激光束光强分布说明图。
图中：1、激光发射器；2、平顶光束整形器；3、扩束系统；4、石英玻璃管；5、窄带滤光片；6、CCD相机；7、短焦透镜；8、长焦透镜；9、尾气排入口；10、尾气排出口；11、准直透镜；12、成像透镜；13、计算机；14、横截面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
通常情况下汽车尾气温度大约为600K（约327℃）以此为例进行详细说明。首先明确汽车尾气中各成分气体的吸收谱线及其具体吸收参数，如吸收谱线位置、不同温度下吸收谱线的线强、分子加宽系数以及不同分子的低态跃迁能等参数。为得到在背景噪声气体下氨气特定吸收峰波长，通过初步分析比对首先可以将吸收光谱范围锁定到1.4μm-1.6μm，然后在该波段内对氨气以及汽车尾气中其他气体成分的吸收谱线峰值和强度精细对比分析。
图1为氨气（NH3）及其他主要背景噪声气体（N2O、CO、CO2、H2O、N2、NO、NO2化合物气体颗粒）在1.4μm-1.6μm波段对应吸收谱线信息，从图1中可以看出，氨气吸收谱线在1.4μm -1.6μm波段内均有吸收且吸收浓度较强（图中最底部为氨气吸收谱线强度），其中在1.512μm附近氨气吸收浓度有10-21数量级，而其他气体均无明显吸收。
NO2气体吸收浓度数值较小，吸收浓度仅有10-25数量级，其它六种其它吸收浓度相对比较微弱甚至没有吸收信号，在波长为1.512μm时，对NH3和NO2的光谱吸收浓度进行放大观察，NO2气体吸收强度值与NH3气体吸收强度相比极小。
因此，汽车尾气中主要气体成分在温度600K（约327℃）时，在特定波长为1.512μm处，通过对各种气体吸收谱线分析，得到氨气在特定波长为1.512μm时，氨气吸收浓度相对比较强，而其他背景噪声气体的吸收浓度较弱或没有，本实施例基于对气体组分吸收谱线对比分析，选择特定波长为1.512μm作为激光源，且激光发射器波长的半峰宽（FWHM,半高全宽）优选为≤0.5nm。
如图2所示，本发明一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，该装置从前到后（以图2左侧为“前”）依次设置有激光发射器1、准直透镜11、平顶光束整形器2、扩束系统3、石英玻璃管4、窄带滤光片5、成像透镜12、CCD相机6，包括与CCD相机6相连的计算机13。
其中，激光发射器1发射特定波长激光经过准直透镜11后得到准直平行的激光束，射入平顶光束整形器2得到光强强度均匀分布的平顶激光束，经扩束系统3扩束后从长焦透镜8射出，平顶激光束能够穿过石英玻璃管4前端进入管道内，且平顶激光束光斑完全照射石英玻璃管4管道内整个截面，平顶激光束从石英玻璃管4后端射出，CCD相机6依次通过成像透镜12和窄带滤光片5截取石英玻璃管4管道内的横截面14，通过选择成像透镜12焦距大小，石英玻璃管4中的横截面14经成像透镜12可在CCD相机6上得到清晰图像，CCD相机6将得到的图像传送至计算机13，可在计算机13上观察得到实时动态显示的相对氨气浓度分布图像。
本实施例，在确定石英玻璃管4中横截面14和CCD相机6位置后，选择焦距为100mm和口径大于100mm的成像透镜12，在CCD相机6中得到清晰的氨气浓度分布图像，从而准确检测石英玻璃管中的横截面14处相对氨气分布情况。
如图2所示，为了使平顶激光束能够完全照射石英玻璃管4整个截面，需满足平顶激光束光斑大于或等于石英玻璃管4内直径，并根据扩束系统3扩束倍数大小选择合适的长焦透镜8与短焦透镜7。本实施例石英玻璃管4内直径为100mm，设置扩束系统3扩束倍数为20倍，选择焦距大于或等于500mm的长焦透镜8，选择焦距大于或等于25mm的短焦透镜7，同时可知扩束系统3的长度为525mm。
为了保证石英玻璃管4能够承受实际汽车排放尾气温度和管道容量，石英玻璃管4为圆柱形耐高温玻璃管，两端侧面为圆形石英玻璃，石英玻璃管4内汽车尾气排放时温度大约在470K-700K（约200℃-400℃），气体流通量在200-1000kg/h。为保证使得汽车尾气流动更加顺畅，石英玻璃管4的尾气排入口9位于石英玻璃管4上侧壁，尾气排出口10位于石英玻璃管4下侧壁。
为了滤掉在高温下的气体热辐射以及降低其他气体的影响，提高检测装置的信噪比，窄带滤光片5的直径需大于或等于石英玻璃管4内直径100mm。窄带滤光片5的中心波长为1.512μm,且半高宽≤1nm。
为了能够精准检测在高温下汽车尾气流过时的氨气实时分布，CCD相机（6）波段范围与激光发射器1发射波长相匹配，优选CCD相机6波段范围在0.9μm -1.7μm，分辨率高于640×512像素,帧速设为50Hz。
为了检测得到清晰的氨气浓度分布图像，CCD相机6选择石英玻璃管4道中氨气浓度分布横截面14时，所要截取的横截面14的位置在石英玻璃管4前半部分，且位于石英玻璃管4尾气排入口9后方2-4cm的位置。
如图3所示，为了准确检测得到汽车尾气中实时相对氨气浓度分布，激光发射器1发射的激光为近似高斯浓度分布的光束，激光束中心波长为1.512μm，准直透镜11焦距设置为25mm，经准直后光束直径约为5mm。接下来使用平顶光束整形器2将准直近似高斯光束转为平顶激光束，实现在横截面14上能使光强均匀分布照射。
工作时：首先缓慢调节成像透镜12的位置，CCD相机6帧速设定为50Hz, 使得石英玻璃管4中横截面14在CCD相机6中成像得到清晰的氨气浓度分布图像。
激光发射器1发射中心波长为1.512μm的激光束经过准直透镜11进入平顶光束整形器2，得到浓度均匀分布的平顶激光束，为使光斑能够完全照射石英玻璃管4内整个截面，对平顶激光束通过扩束系统3进行扩束，从石英玻璃管4前端进入后端输出，平顶激光束横穿整个石英玻璃管4，最后进入窄带滤光片5，可滤掉气体热辐射以及降低其他背景噪声气体的影响，提高信噪比，整个过程激光光束中心在同一水平轴线上，保持平行，如图2虚线所示。
在石英玻璃管4道内排空时，通过缓慢调节成像透镜12位置在CCD相机6中获得清晰图像，与CCD相机6相连接的计算机13上，可得到检测装置本身的背景图像。
在石英玻璃管4内尾气正常流动时（汽车尾气从尾气排入口9进入石英玻璃管4内，平行于石英玻璃管4流动，并从尾气排出口10排出），同样通过成像透镜12将石英玻璃管4道中横截面14上的氨气浓度分布成像到CCD相机中，在计算机13上即可得到汽车尾气中实时动态检测的相对氨气浓度分布图。若需要知道截面上具体某个点的变化情况，使用辅助点探测设置，可得到在这个对应点上的氨气相对浓度变化。

Claims (6)

1.一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，其特征在于，该装置从前到后依次设置有激光发射器（1）、准直透镜（11）、平顶光束整形器（2）、扩束系统（3）、石英玻璃管（4）、窄带滤光片（5）、成像透镜（12）、CCD相机（6），包括与CCD相机（6）相连的计算机（13），所述激光发射器（1）的中心波长为1.512μm；
其中，石英玻璃管（4）前后两端侧面的管壁上分别开设有尾气排入口（9）和尾气排出口（10），激光发射器（1）、准直透镜（11）、平顶光束整形器（2）、扩束系统（3）和石英玻璃管（4）、窄带滤光片（5）、成像透镜（12）以及CCD相机（6）中心同轴设置；
扩束系统由短焦透镜（7）和长焦透镜（8）组成，平顶光束整形器输出光斑小于或等于短焦透镜（7）口径，长焦透镜（8）输出的平顶激光束光斑大于或等于石英玻璃管（4）内直径；
尾气排入口（9）位于石英玻璃管（4）上侧壁，尾气排出口（10）位于石英玻璃管（4）下侧壁，两端侧面为圆形石英玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，其特征在于，激光发射器（1）发射的激光经过准直透镜（11）后得到准直平行的激光束可进入平顶光束整形器（2）。
3.根据权利要求1所述的一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，其特征在于，石英玻璃管（4）为圆柱形耐高温玻璃管。
4.根据权利要求2所述的一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，其特征在于，窄带滤光片（5）直径大于或等于石英玻璃管（4）内直径，窄带滤光片的中心波长与激光发射器(1)发射激光的中心波长相同，且半高宽≤1nm。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，其特征在于，CCD相机（6）波段范围与激光发射器（1）发射波长相匹配，且帧速大于30Hz，分辨率高于640×512像素。
6.根据权利要求1所述的一种基于平顶激光束的汽车尾气中氨气浓度分布实时检测装置，其特征在于，CCD相机（6）所要截取的横截面（14）的位置在石英玻璃管（4）前半部分，且位于石英玻璃管（4）尾气排入口（9）后方2-4cm的位置。
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