CN214953042U - 一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，包括移动定位装置，拉曼信号产生装置和拉曼信号分析装置；其中移动定位装置带动基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备移动到汽车尾气排放管的排气方向，并且使拉曼信号产生装置的焦点位于排气管所排尾气的中心位置；拉曼信号产生装置检测尾气的拉曼信号，并将采集到的拉曼信号输送至拉曼信号分析装置。拉曼信号分析装置基于拉曼信号确定尾气的气体成分和各成分的比例；根据汽车尾气中含有的氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气及未充分燃烧的燃料的挥发物等气体进行快速、无损的定性、定量分析，用以判断发动机的效率、质量、故障、及汽车各种行驶状态下的发动机性能等。

Description

一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备

技术领域

本实用新型涉及汽车发动机尾气的气体成分检测领域，具体为一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备。

背景技术

发动机是汽车的核心部件，其工作原理是化石燃料和空气混合后燃烧，产生一氧化碳，二氧化碳，水，氮氧化物，未参与燃烧的氮气，氧气，化石燃料的挥发物等。所有成分经过汽车尾气排放管以气体的状态排出车外。因此，检测汽车的尾气排放管排出的尾气可以对发动机的状态进行判断。

化石燃料的挥发物是未完全燃烧的燃料，当空气和燃料的比例在14.7附近的时候燃烧比较完全，尾气中的化石燃料的挥发物含量最低。二氧化碳是可燃混合气充分燃烧的产物，其含量的高低直接反映出混合气燃烧的好坏，燃烧的越完全二氧化碳的含量就越高。一氧化碳的产生是在混合气中氧气含量不足的情况不完全燃所形成的产物，空气和燃料比越小，氧气越少时，一氧化碳生成就越多，尾气中一氧化碳的含量就越高。一氧化碳对人体的危害极大，容易造成中毒，导致窒息。氮氧化物是空气中的氮气与氧气在高温富氧的条件下反应产生的一氧化氮、二氧化氮等混合物的总称。混合气越稀，温度越高，氮氧化物的含量就越多。

目前常用的尾气检测仪采用不分光红外法和电化学传感器检测5种气体，包括：一氧化碳，二氧化碳,化石燃料的挥发物，氮氧化物，氧气。

发动机正常工作时尾气中化石燃料的挥发物的含量应该不超过总体积的55×10^-6。如果超过限值，说明燃油没有充分燃烧。气缸压力过低、冷却液温度过低、混合气泄漏到曲轴箱、混合气过浓、点火不正时、火花塞间歇性不跳火或火花弱、水温传感器故障、喷油器漏油、燃油压力调节器损坏、压力过高等因素都将导致化石燃料的挥发物读数过高。

一氧化碳的正常值应不超过总体积的0.5％。读数越接近零，说明混合气燃烧充分。一氧化碳的含量过高，说明混合气过浓，考虑燃料供给系统可能存在故障。可能的原因有喷油嘴漏油、燃油压力过高、空气滤清器不洁净、废气再循环系统泄漏。

二氧化碳的正常数值一般在13.8％～15％之间。该数值的高低可以反映出发动机的燃烧效率。可燃混合气燃烧越完全，二氧化碳的读数就越高。当排气管尾部的二氧化碳低于12％时，需要结合化石燃料的挥发物、一氧化碳等浓度来确定发动机混合气浓度是过浓还是过稀。所有导致混合气过浓或过稀的原因都会造成二氧化碳值的偏低。

氧气的含量可以作为空燃比最直接的反馈指标。尾气中氧气的含量应为1％～2％。氧气的读数小于1％，说明混合气过浓；氧气的读数大于2％，表示混合气太稀。如果测得一氧化碳、化石燃料的挥发物浓度高，二氧化碳、氧气浓度低，则表明发动机混合气过浓。化石燃料的挥发物和氧气的读数高，则表明点火系统工作不良、混合气过稀，而引起失火。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，以解决上述背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，检测设备包括移动定位装置，拉曼信号产生装置和拉曼信号分析装置以及拉曼信号产生光具组；所述移动定位装置用于带动检测设备移动到汽车尾气排放管的排气方向，并且使拉曼信号产生装置的焦点位于排气管所排尾气的中心位置；所述拉曼信号产生装置检测尾气的拉曼信号，并将采集到的拉曼信号输送至拉曼信号分析装置；拉曼信号分析装置基于拉曼信号确定尾气的气体成分和各成分的比例；所述拉曼信号产生装置包括激光器以及拉曼信号收集单元，所述激光器用于对向待检测汽车尾气排放管口发射激光，激发其中的待检测气体的拉曼信号；所述拉曼信号收集单元对待检测汽车尾气排放管口收集拉曼信号。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述拉曼信号产生光具组将激光汇聚到待检测汽车尾气排放管口排放的尾气中心位置，并且收集拉曼信号。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述拉曼信号分析装置包括分光单元和光电转换单元；

其中，所述分光单元用于将输入的不同波长的拉曼信号分别照射在所述光电转换单元的不同位置；

所述光电转换单元用于将拉曼信号由光信号装换成电信号。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述检测设备还包括密封外壳，所述拉曼信号产生装置和拉曼信号分析装置设置于所述密封外壳内，密封装置留有窗口，可以使激光经过窗口射出检测设备，激发出的拉曼信号进入检测设备。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述激光器的输出波长为785nm、1064nm、532nm、632.8nm、514.5nm、488nm、473nm、457nm、355nm、325nm、266nm和/或244nm的激光。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述分光单元还包括透射光栅分光系统，反射光栅分光系统、迈克尔逊干涉仪分光系统和空间外差分光系统；所述拉曼信号产生光具组包括透明样品光散射信号收集装置、四直角反射镜增光程系统或光散射共焦激发收集系统。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述拉曼信号产生装置还包括相对放置的第一中空屋脊棱镜反射镜和第二中空屋脊棱镜反射镜，两个中空屋脊棱镜反射镜的屋脊线互相平行，瑞利线滤光片，第一汇聚镜和第二汇聚镜；第一中空屋脊棱镜反射镜上的两片反射镜之间设置通光孔，第一中空屋脊棱镜反射镜与第二中空屋脊棱镜反射镜彼此在光路上相对，并且具有相对侧向偏移，第一汇聚镜、第二汇聚镜设置于两个反射镜之间，关于拉曼信号检测点对称，并且二者焦点均位于拉曼信号检测点上。

本实用新型的有益效果是：该汽车尾气检测设备可以原位、无损、无接触的定性、定量分析汽车尾气中含有的一氧化碳，二氧化碳，水，氮氧化物，未参与燃烧的氮气，氧气，化石燃料的挥发物等气体分子,为对发动机的状态进行判断提供数据支撑。

附图说明

图1是本实用新型实例中基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备的结构示意图；

图2是200-拉曼信号产生装置的结构示意图。

其中:100-移动定位装置，200-拉曼信号产生装置，201-激光器，202-第一中空屋脊棱镜反射镜，203-第二中空屋脊棱镜反射镜，204-瑞利线滤光片，205-第一汇聚镜，206-第二汇聚镜，300-分光单元，400-光电转换单元，500-信号处理单元，600-数据库单元，700-汽车尾气排放管，800-密封外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1：请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，检测设备包括移动定位装置100，拉曼信号产生装置200和拉曼信号分析装置以及拉曼信号产生光具组；移动定位装置100用于带动检测设备移动到汽车尾气排放管700的排气方向，并且使拉曼信号产生装置200的焦点位于排气管所排尾气的中心位置；拉曼信号产生装置200检测尾气的拉曼信号，并将采集到的拉曼信号输送至拉曼信号分析装置；拉曼信号分析装置基于拉曼信号确定尾气的气体成分和各成分的比例；拉曼信号产生装置200包括激光器201以及拉曼信号收集单元，激光器201用于对向待检测汽车尾气排放管口发射激光，激发其中的待检测气体的拉曼信号；拉曼信号收集单元对待检测汽车尾气排放管口收集拉曼信号。

一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，包括移动定位装置100，拉曼信号产生装置200，拉曼信号分析装置，密封外壳800；密封外壳800确保汽车尾气不会进入基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，对检测结果造成干扰，对装置内部的光学元件等造成污染。密封装置留有窗口，可以使激光经过窗口射出检测设备，激发出的拉曼信号进入检测设备。移动定位装置100用于带动基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备移动到汽车尾气排放管700的排气方向，并且三维移动调节使拉曼信号产生装置的焦点位于排气管所排尾气的中心位置；

拉曼信号产生装置200设置在汽车尾气排放管700的排气方向，用于采集待检测汽车尾气的拉曼信号，包括激光器201，拉曼信号收集单元和拉曼信号产生光具组，拉曼信号收集单元与拉曼信号分析装置数据连接。激光器201能够发射激光，发出的激光经过拉曼信号产生光具组传输并且汇聚到焦点上，激发位于焦点处的挥发物气体的拉曼信号；拉曼信号收集单元收集位于焦点处所述激光激发的待检测汽车尾气的拉曼信号并传输至拉曼信号分析装置。拉曼信号产生光具组还包括如申请号201810100498.7中的、四直角反射镜增光程系统或申请号CN201711287351.5中的光散射共焦激发收集系统等，将由激光器201发出的激光进行反射并汇聚到焦点，激发位于焦点处的挥发物气体的拉曼信号；同时，拉曼信号收集单元对挥发物气体的拉曼信号进行采集，并将数据输送至拉曼信号分析装置。在本实施例中，激光器201能够输出包括785nm、1064nm、532nm、632.8nm、514.5nm、488nm、473nm、457nm、355nm、325nm、266nm、244nm等波长的激光。

拉曼信号分析装置与拉曼信号产生装置200数据连接，用于处理拉曼信号产生装置200收集到的汽车尾气的拉曼信号，确定拉曼信号所对应的汽车尾气的成分，其包括分光单元300，光电转换单元400，信号处理单元500和数据库单元600，分光单元300将输入的不同波长的拉曼信号分别照射在光电转换单元的不同位置实现按波长进行顺序排列；光电转换单元400将不同波长的拉曼信号由光信号装换成电信号；信号处理单元500对光电转换单元400转换的拉曼光谱进行保存并且与数据库单元600中的标准谱图进行分析比对，确定挥发物的成分，并根据不同气体成分的拉曼光谱强度比值确定不同成分的比例。在本实施例中，分光单元可以采用透射光栅分光系统，反射光栅分光系统，迈克尔逊干涉仪分光系统、空间外差分光系统等；光电转换装置可以采用光电耦合器件，光电倍增管等。

实施例2：

如附图2所示，本实施例中的检测设备与实施例1基本相同，不同的是，本实施例中拉曼信号产生装置200还包括第一中空屋脊棱镜反射镜202和第二中空屋脊棱镜反射镜203，两个中空屋脊棱镜反射镜的屋脊线互相平行，瑞利线滤光片204，第一汇聚镜205和第二汇聚镜206。第一中空屋脊棱镜反射镜上202的两片反射镜之间设置通光孔，第一中空屋脊棱镜反射镜202与第二中空屋脊棱镜反射镜203彼此在光路上相对，并且具有相对侧向偏移，第一汇聚镜205、第二汇聚镜206设置于两个反射镜之间，关于拉曼信号检测点对称，并且二者焦点均位于拉曼信号检测点上，瑞利线滤光片204能够反射激发光，透射激发光波长之外的散射光。所述中空屋脊棱镜反射镜可以为一个中空屋脊棱镜反射镜，也可以为多个反射镜组成的光具组，实现入射光空间偏移后的逆向反射。瑞利线滤光片204可以包括长通滤光片、带通滤光片、陷波滤光片等。激光器201发出的激光，在第一中空屋脊棱镜反射镜202和第二中空屋脊棱镜反射镜203之间来回震荡，形成互相平行的激光光路，经过第一汇聚镜205和第二汇聚镜206汇聚到液体容器(虚线圆圈)的上方。被激发的液体挥发物的拉曼信号散射向四周立体空间，其中传输向第一中空屋脊棱镜反射镜202和第二中空屋脊棱镜反射镜203的拉曼散射信号均会透过瑞利线滤光片204传输至拉曼信号分析装置，拉曼信号分析装置设置于瑞利线滤光片204后方。

该汽车尾气检测设备可以原位、无损、无接触的定性、定量分析汽车尾气中含有的一氧化碳，二氧化碳，水，氮氧化物，未参与燃烧的氮气，氧气，化石燃料的挥发物等气体分子,为对发动机的状态进行判断提供数据支撑。

上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于，检测设备包括移动定位装置(100)，拉曼信号产生装置(200)和拉曼信号分析装置以及拉曼信号产生光具组；所述移动定位装置(100)用于带动检测设备移动到汽车尾气排放管(700)的排气方向，并且使拉曼信号产生装置(200)的焦点位于排气管所排尾气的中心位置；所述拉曼信号产生装置(200)检测尾气的拉曼信号，并将采集到的拉曼信号输送至拉曼信号分析装置；拉曼信号分析装置基于拉曼信号确定尾气的气体成分和各成分的比例；所述拉曼信号产生装置(200)包括激光器(201)以及拉曼信号收集单元，所述激光器(201)用于对向待检测汽车尾气排放管口发射激光，激发其中的待检测气体的拉曼信号；所述拉曼信号收集单元对待检测汽车尾气排放管口收集拉曼信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于：所述拉曼信号产生光具组将激光汇聚到待检测汽车尾气排放管口排放的尾气中心位置，并且收集拉曼信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于：所述拉曼信号分析装置包括分光单元(300)和光电转换单元(400)；

其中，所述分光单元(300)用于将输入的不同波长的拉曼信号分别照射在所述光电转换单元的不同位置；

所述光电转换单元(400)用于将拉曼信号由光信号装换成电信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于：所述检测设备还包括密封外壳(800)，所述拉曼信号产生装置(200)和拉曼信号分析装置设置于所述密封外壳(800)内，密封装置留有窗口，可以使激光经过窗口射出检测设备，激发出的拉曼信号进入检测设备。

5.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于：所述激光器(201)的输出波长为785nm、1064nm、532nm、632.8nm、514.5nm、488nm、473nm、457nm、355nm、325nm、266nm和/或244nm的激光。

6.根据权利要求3所述的一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于：所述分光单元(300)还包括透射光栅分光系统，反射光栅分光系统、迈克尔逊干涉仪分光系统和空间外差分光系统；所述拉曼信号产生光具组包括透明样品光散射信号收集装置、四直角反射镜增光程系统或光散射共焦激发收集系统。

7.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的汽车尾气检测设备，其特征在于：所述拉曼信号产生装置还包括相对放置的第一中空屋脊棱镜反射镜(202)和第二中空屋脊棱镜反射镜(203)，两个中空屋脊棱镜反射镜的屋脊线互相平行，瑞利线滤光片(204)，第一汇聚镜(205)和第二汇聚镜(206)；第一中空屋脊棱镜反射镜(202)上的两片反射镜之间设置通光孔，第一中空屋脊棱镜反射镜(202)与第二中空屋脊棱镜反射镜(203)彼此在光路上相对，并且具有相对侧向偏移，第一汇聚镜(205)、第二汇聚镜(206)设置于两个反射镜之间，关于拉曼信号检测点对称，并且二者焦点均位于拉曼信号检测点上。

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