CN212748730U - 尾气黑烟测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种尾气黑烟测量系统，包括发射装置、接收装置、处理装置；发射装置包括用于发射预定中心波长激光的激光器、用于将激光器发出的光信号分束成不同强度的第一光源、第二光源发射出的分束器、以及与第一光源电性连接的准直器，第一光源的强度大于第二光源的强度，准直器将第一光源变成平行光发出横向穿过发动机排气管排出的尾气；接收装置包括第一光电探测器、聚光结构、第二光电探测器，准直器射出的平行光反射回时，被聚光结构聚集到第一光电探测器上，第二光源发出到第二光电探测器；第一光电探测器、第二光电探测器分别将探测的光信号传递给处理装置，以对比获得排气管中尾气的烟度，结果更准确、直接，避免外界对结果造成影响。

Description

尾气黑烟测量系统

技术领域

本实用新型涉及尾气监测领域，更具体地说，涉及一种尾气黑烟测量系统。

背景技术

相关技术中的对汽车的尾气测量通常是在尾气排出后进行监测测量，但尾气出了排气管后，会受到外界的因素影响，造成测量结果不准确，影响了数据的真实性，不能反映尾气对环境的真实影响。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种尾气黑烟测量系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种尾气黑烟测量系统，包括发射装置、接收装置、处理装置；

所述发射装置包括用于发射预定中心波长激光的激光器、用于将所述激光器发出的光信号分束成不同强度的第一光源、第二光源发射出的分束器、以及与所述第一光源电性连接的准直器，所述第一光源的强度大于所述第二光源的强度，所述准直器将所述第一光源变成平行光发出横向穿过发动机排气管排出的尾气；

所述接收装置包括第一光电探测器、聚光结构、第二光电探测器，所述准直器射出的平行光反射回时，被所述聚光结构聚集到所述第一光电探测器上，所述第二光源发出到所述第二光电探测器；

所述第一光电探测器、第二光电探测器分别将探测的光信号传递给所述处理装置，以对比获得所述排气管中尾气的烟度。

优选地，所述排气管上设有横向贯穿的气孔，供所述准直器发出的平行光穿过，并反射回来。

优选地，所述发射装置还包括对所述准直器发出的平行光反射以原路返回的反光件。

优选地，所述聚光结构包括中心开孔的平凸聚光透镜，所述准直器与所述平凸聚光透镜同轴设置，所述准直器设置在所述平凸聚光透镜的开孔内。

优选地，所述发射装置还包括在所述平行光通过所述排气管的尾气前的光路中设置的滤光片，所述第二光源发射到所述第二光电探测器的光路上设有标准透光片。

优选地，所述发射装置还包括调制器和激光驱动板，所述调制器、激光驱动板、激光器依次电性连接，所述调制器采用调制频率为1KHz，电平4.4V 的方波信号来调制所述激光器发出的激光；

所述调制器为时基集成电路，与电阻和电容组成无稳态多谐振荡器电路来产生预定频率和波形的脉冲信号，并可通过二进制串行计数器进行分频。

优选地，所述处理装置包括信号处理单元、A/D转换器，所述信号处理单元包括用于将交变电流转化为交变电压的电流电压转换器、用于对所述交变电压进行滤波的带通滤波和用于将交变电压转化为直流电压的积分电路。

优选地，所述发射装置还包括气路结构，所述气路结构包括气泵和两个气室，两个所述气室分别设置在所述排气管的两侧，所述准直器发出的平行光依次穿过一侧的所述气室、排气管、以及另一侧的所述气室后，被反射原路返回，所述气泵向两个所述气室送气，保证两个所述气室形成正压。

优选地，所述气路结构还包括用于对进入所述气室的气体加热的加热装置。

优选地，两所述气室与所述排气管相邻的一侧分别设有百叶片，各所述百叶片向所述排气管内气体流出的方向倾斜。

实施本实用新型的尾气黑烟测量系统，具有以下有益效果：尾气黑烟测量系统采用光学检测的方式，直接对发动机的排气管位置进行尾气测量，测量结果更准确、直接，避免外界的环境因素对检测结果造成影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例中的尾气黑烟测量系统的结构原理示意图；

图2是主控电路与Web服务器、上位PC机的连接原理示意图；

图3是通过预设的8001端口发送更新数据的流程图；

图4是激光通过烟雾时显示的吸光度曲线。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型一个优选实施例中的尾气黑烟测量系统包括发射装置、接收装置、处理装置。

发射装置包括用于发射预定中心波长激光的激光器、用于将所述激光器发出的光信号分束成不同强度的第一光源、第二光源发射出的分束器、以及与所述第一光源电性连接的准直器。

本实施例中，激光器产生的交变光信号经10％：90％的分束器后，所述第一光源的强度大于所述第二光源的强度，所述准直器将所述第一光源变成平行光发出横向穿过发动机排气管7排出的尾气，这一路称为测量光路，用于测量经过发动机排气管7所排放的尾气黑烟的林格曼黑度。

所述接收装置包括第一光电探测器、聚光结构10、第二光电探测器，所述准直器射出的平行光反射回时，被所述聚光结构10聚集到所述第一光电探测器上，所述第二光源发出到所述第二光电探测器。

所述第一光电探测器、第二光电探测器分别将探测的光信号传递给所述处理装置，以对比获得所述排气管7中尾气的烟度。

尾气黑烟测量系统采用光学检测的方式，直接对发动机的排气管7位置进行尾气测量，测量结果更准确、直接，避免外界的环境因素对检测结果造成影响。

排气管7上设有横向贯穿的气孔，供所述准直器发出的平行光穿过，并反射回来。发射装置还包括对所述准直器发出的平行光反射以原路返回的反光件，在其他实施例中，也可依靠车身上的结构将光反射返回。

发射装置还包括气路结构，所述气路结构包括气泵3和两个气室8，两个所述气室8分别设置在所述排气管7的两侧，所述准直器发出的平行光依次穿过一侧的所述气室8、排气管7、以及另一侧的所述气室8后，被反射原路返回，所述气泵3向两个所述气室8送气，保证两个所述气室8形成正压，以阻止尾气中的微粒进入气室8和接触准直器和反光件。

气路结构还包括用于对进入所述气室8的气体加热的加热装置6，以阻止尾气中的微粒进入气室8后在准直器和反光件上凝结。

两所述气室8与所述排气管7相邻的一侧分别设有百叶片9，各所述百叶片9向所述排气管7内气体流出的方向倾斜。气室8形成正压情况下，气室8 中的气体可以分别从两侧的百叶片9的间隙中排入排气管7，并沿排气管7排出，不影响尾气。

气路结构还包括空气滤清器1、单向阀2、电磁阀4、分流器5，空气滤清器1、单向阀2、气泵3、电磁阀4、分流器5依次连接，加热装置6包括分别连接在分流器5和两个气室8之间的电加热器，其作用是对进入气室8气流进行加热。电加热器和气室8之间均设有单向阀2。

电磁阀4平时处于关闭状态，测量时，电磁阀4打开，气泵3工作，空气经过空气滤清器1、单向阀2进入气路，并经分流器5分别进入两个气室8。

光电探测器是一种在光的照射下产生电动势半导体元件，其种类有很多，常用的有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。本系统优选使用硅光电池，其具有高效率，宽光谱响应、高稳定性等一系列优点。

聚光结构10包括中心开孔的平凸聚光透镜，所述准直器与所述平凸聚光透镜同轴设置，所述准直器设置在所述平凸聚光透镜的开孔内。

当采用光电池用作光探测器时，要求输出特性具有线性关系，因此，在本系统中，要考虑到激光通过烟雾之后的光强的强弱，如果太强则为了保证光强和光电流的线性关系，可在激光通过烟雾之前的光路中加入适当的滤光片。优选地，发射装置还包括在所述平行光通过所述排气管7的尾气前的光路中设置的滤光片，所述第二光源发射到所述第二光电探测器的光路上设有标准透光片。

发射装置还包括调制器和激光驱动板，所述调制器、激光驱动板、激光器依次电性连接，所述调制器采用调制频率为1KHz，电平4.4V的方波信号来调制所述激光器发出的激光，控制激光器波长以一定宽度扫描；

调制器为时基集成电路，与电阻和电容组成无稳态多谐振荡器电路来产生各种预定频率和波形的脉冲信号，并可通过二进制串行计数器进行分频。

处理装置包括信号处理单元、A/D转换器，所述信号处理单元包括用于将交变电流转化为交变电压的电流电压转换器、用于对所述交变电压进行滤波的带通滤波和用于将交变电压转化为直流电压的积分电路。

光能经光电池转化后变成交变电流，在本系统中，首先采用电流－电压转换器将交变电流转化为交变电压，然后用带通滤波器滤波，之后用积分器将交变电压转化为直流电压。

激光通过烟雾前后的吸收率测量，依据“朗伯－比尔”定律，主要是测量激光透过烟雾后的光强与透过前的光强比值。

本系统的实施例中，选用光电池作为光探测器，将光能转化为交变电流，通过电流－电压转换电路、带通滤波电路和积分电路之后转换为直流电压。因此，并不需要计算激光通过烟雾前后的光强，只要对激光通过烟雾前后对应的输出电压作计算分析即可得到激光的光强比值。

电流－电压转换器采取T型网络提高运算放大器的灵敏度，并采用低偏置电流放大器来消除运算放大器的偏置电流。

滤波电路由RC元件与运算放大器组成RC有源滤波器，这类滤波器仅适用于低频范围。根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器，本实施例中选择带通滤波电路，其中心频率为1KHz，增益为2。其作用是让中心频率一定波动范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此范围以外的信号。

积分电路采用真有效值－直流变换集成块与电容组成，其作用是将交变信号转换为直流信号，从而可以测量不同情况下系统输入电压的比值。

进一步地，第一光电探测器、第二光电探测器将光信号转化为电信号输出，经信号处理电路进行放大、滤波、积分处理，再由A/D转换器转换成数字信号，输出到主控电路，最后通过嵌入式WEB服务器将数据发送到上位PC机端作进一步处理，并可通过浏览器显示和查询。

主控电路的作用是将积分电路输出的模拟直流电压信号，通过A/D转换器转换为数字信号，并通过Web服务器传送给上位PC机。其功能包括A/D转换、控制和网络传输，其硬件连接及数据走向如图2所示。

尾气黑烟测量系统通过第一光源、第二光源分别经过的光电探测器，分别得出两路光源的电信号，并由此可以对比获得排气管7内尾气的烟度，方式简单便捷，准确度高。

如图2所示，在一些实施例中，系统主控电路的微控制单元MCU选用嵌入式ARM内核的单片机，其内部集成A/D转换器，外接Web服务器的嵌入式网卡芯片，并提供一系列完整的系统外围设备和接口。

主控电路的系统软件选择Linux作为嵌入式操作系统，其软件模块包括：硬件设备驱动程序和嵌入式Web服务器；在程序设计时，通过交叉编译环境，在PC机上完成硬件驱动和Web服务器源代码的交叉编译。

从Linux嵌入式系统中所有的硬件设备都被当作文件处理，驱动程序提供了安全打开和关闭设备文件的机制，在软件中访问需操控的硬件时，必须先调用该硬件设备的驱动程序。

主控电路的系统软件可通过驱动程序，以及气泵3驱动电路和阀门控制电路对气路结构进行各种操作。

在嵌入式Web服务器集成了现场测控设备的信息采集和信息发布功能，其基于TCP/IP底层通讯协议，可以向任何合法接入它所在网络的Web浏览器用户提供设备的前端操作和控制界面，Web服务器和Web浏览器通过HTTP协议来进行通信。

本实施例中，将A/D转换器与调制模块上的同步触发信号端口相连，可设置A/D转换器的数字信号通道为触发通道，并规定触发信号形式；

主控电路的系统软件实时采集测量光路和参考光路中，激光穿透标的物前后的电压数据，然后不断由预设端口向客户端发送更新后的数据。其通过预设的8001端口发送更新数据的流程图如图3所示。

上位PC机软件实现数据传输与保存、光谱数据的处理、尾气林格曼黑度反演；主要分为数据通讯、光谱数据处理、数据库等模块，其中：

1数据通讯模块：利用TCP/IP技术，轮询监听遥测系统嵌入式Web服务器socket端口传输的数据，实现对嵌入式Web服务器上传的有效数据的接收，根据约定好的通信协议进行解析，并能上传后台监控中心以及云数据库，用于后期进行数据分析或为对超标黑烟的判罚提供依据。

2光谱数据处理模块：该模块对采集到的吸收光谱数据进行降噪滤波、吸光度曲线重构、吸光度计算等过程，并通过定标时获得的吸光度－－林格曼黑度曲线关系最终反演尾气黑烟浓度。

3数据库模块：该模块实现了对遥测系统和测量对象的编号信息、尾气黑烟浓度信息、是否超标、吸收光谱原始信号、完成检测的时间、地点等有效数据的数据库保存。基于Internet浏览器的合法用户，包括移动端均可对基于嵌入式Web服务器的吸光度遥测系统进行远程配置和访问，并可利用Web内容来查询采样数据、工作状态，实现对遥测系统的远程监控。

如图4所示，吸光度曲线可以实时显示激光通过烟雾前后的光强变化，当机动车尾气中排放的黑烟进入光路中时，通过反射端反射回来的光强急剧下降，然后保持一段稳定，最后逐步消散，使得光强上扬回复。

遥测系统得到的光谱信号易受硬件噪声、激光光强波动、以及大气湍流、自然光干涉等环境干扰，尤其当回波是经由背景漫反射或反射带后向散射得到时，其信号较弱，噪声影响更加明显，需开展降噪算法处理。

自适应层进式S-G(Savitzky－Golay)平滑滤波算法可在保留信号波形的前提下有效的滤除噪声。

S-G算法基本原理可以表示为：设定一个大小为L＝2m+1的滑窗，选择滑窗中心左右共计2m+1个点，对所有数据点做n阶多项式拟合，并替换滑窗中第m+1的点的值。

S-G算法的一大优势在于只有两个参数需要设定，即窗口大小和多项式拟合阶数。对于给定的信号，但这两个参数的选择的正确与否会直接导致滤波效果的不同，低拟合阶数大窗口会造成信号失真，并且削弱峰值；使用高拟合阶数小滑窗尺寸可以保留有用信号，但难以有效的滤除噪声。故如何设置参数在去噪不足和过度滤波之间找到平衡，是S－G算法在实际应用的关键。

由于无法从测量光路信号中自适应的分辨噪声和有效信号，现选取参考光路光谱无吸收段作为参考段，并设置每层S－G滤波阶数不超过5阶，单侧数据点数不超过参考段横坐标最小值，遍历阶数和窗宽对测量光路信号进行滤波；如果当前层参考段相似度大于上一层，则保留当前层相似度最高时S－G 算法滤波结果。

在实际应用中，为考虑时间成本，可适当设置参考段相似度增幅阈值S，即如果当前层参考段相似度增幅没有超过S，则停止进入下一层滤波并输出当前层滤波结果。

黑烟尾气的光强比值与标准林格曼黑度的对应关系获取包括以下步骤：

选取若干个林格曼黑度不同的标准滤光片，例如：13％，21％，34％，55％， 89％；

分别检测每个标准林格曼黑度的滤光片插入激光发射装置和激光接收装置之间时，测量光路及参考光路输出的电压(光强)比值；

通过对该初始标定值进行曲线拟合，获得光强比值与标准林格曼黑度的数学插值关系，即可以通过计算获取尾气黑烟的林格曼黑度值。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种尾气黑烟测量系统，其特征在于，包括发射装置、接收装置、处理装置；

所述发射装置包括用于发射预定中心波长激光的激光器、用于将所述激光器发出的光信号分束成不同强度的第一光源、第二光源发射出的分束器、以及与所述第一光源电性连接的准直器，所述第一光源的强度大于所述第二光源的强度，所述准直器将所述第一光源变成平行光发出横向穿过发动机排气管(7)排出的尾气；

所述接收装置包括第一光电探测器、聚光结构(10)、第二光电探测器，所述准直器射出的平行光反射回时，被所述聚光结构(10)聚集到所述第一光电探测器上，所述第二光源发出到所述第二光电探测器；

所述第一光电探测器、第二光电探测器分别将探测的光信号传递给所述处理装置，以对比获得所述排气管(7)中尾气的烟度。

2.根据权利要求1所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述排气管(7)上设有横向贯穿的气孔，供所述准直器发出的平行光穿过，并反射回来。

3.根据权利要求1所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述发射装置还包括对所述准直器发出的平行光反射以原路返回的反光件。

4.根据权利要求1所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述聚光结构(10)包括中心开孔的平凸聚光透镜，所述准直器与所述平凸聚光透镜同轴设置，所述准直器设置在所述平凸聚光透镜的开孔内。

5.根据权利要求1所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述发射装置还包括在所述平行光通过所述排气管(7)的尾气前的光路中设置的滤光片，所述第二光源发射到所述第二光电探测器的光路上设有标准透光片。

6.根据权利要求1所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述发射装置还包括调制器和激光驱动板，所述调制器、激光驱动板、激光器依次电性连接，所述调制器采用调制频率为1KHz，电平4.4V的方波信号来调制所述激光器发出的激光；

所述调制器为时基集成电路，与电阻和电容组成无稳态多谐振荡器电路来产生预定频率和波形的脉冲信号，并可通过二进制串行计数器进行分频。

7.根据权利要求1所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述处理装置包括信号处理单元、A/D转换器，所述信号处理单元包括用于将交变电流转化为交变电压的电流电压转换器、用于对所述交变电压进行滤波的带通滤波和用于将交变电压转化为直流电压的积分电路。

8.根据权利要求1至7任一项所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述发射装置还包括气路结构，所述气路结构包括气泵(3)和两个气室(8)，两个所述气室(8)分别设置在所述排气管(7)的两侧，所述准直器发出的平行光依次穿过一侧的所述气室(8)、排气管(7)、以及另一侧的所述气室(8)后，被反射原路返回，所述气泵(3)向两个所述气室(8)送气，保证两个所述气室(8)形成正压。

9.根据权利要求8所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，所述气路结构还包括用于对进入所述气室(8)的气体加热的加热装置(6)。

10.根据权利要求8所述的尾气黑烟测量系统，其特征在于，两所述气室(8)与所述排气管(7)相邻的一侧分别设有百叶片(9)，各所述百叶片(9)向所述排气管(7)内气体流出的方向倾斜。

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