一種微型紅外汽車尾氣分析儀的制作方法
【專利摘要】一種微型紅外汽車尾氣分析儀，涉及汽車尾氣成分分析裝置。設有樣氣前處理裝置、諧振積分腔、紅外LED光源、第1 PD傳感器、第2 PD傳感器、LED驅動電路和信號處理電路；前處理裝置尾氣出口進入積分腔，紅外LED光源紅外光通過準直鏡形成平行光，再經分光片后一路入射積分腔內，另一路入射到第1 PD傳感器上，產生光生電流并由第1 I-V轉換電路轉換成電壓信號并接轉換開關的第2輸入端，轉換開關輸出端經采集電路接驅動電路輸入端，驅動電路輸出端接光源，諧振積分腔內設有前后平凹反射鏡，離開積分腔并入射到第2 PD傳感器上，產生光生電流并由第2 I-V轉換電路轉換成電壓信號，再接轉換開關的第1輸入端。
【專利說明】一種微型紅外汽車尾氣分析儀

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及汽車尾氣成分分析裝置，尤其是涉及采用諧振積分腔技術的一種 微型紅外汽車尾氣分析儀。

【背景技術】
[0002] 根據國標GBl 82852005《點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法 (雙怠速法及簡易工況法）》，要求在進行汽車尾氣分析測量推薦定容采樣法，進行尾氣取 樣。定容采樣法是美國制定的，并在1972年啟用的標準采樣方法。隨后，日本和歐洲分別 在1973年和20世紀80年代也采用了這種方法?？梢哉f，定容采樣法是一種世界通行的汽 車尾氣樣氣采樣方法。定容采樣法（Constant Volume Sampling)是一種稀釋采樣方法，該 法有控制地用周圍空氣對汽車排氣進行連續(xù)稀釋，因而可以更接近于汽車排氣向大氣中擴 散，對大氣進行污染這一實際過程。
[0003] 該系統(tǒng)要求被測車輛在轉鼓試驗臺上，按規(guī)定的工況法，進行循環(huán)運轉測試，汽車 排氣直接進入稀釋風道中，按規(guī)定的比例與空氣混合，稀釋比依排氣流量不同而變化，一般 比例為（6?20) : 1(王險峰.汽車尾氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].重慶交通大學車 輛工程，2011)。然后用定容泵提出定量的部分稀釋尾氣以待測試，其余的排走。定容采樣 法，對排氣做了稀釋處理，更接近與排放氣對大氣污染的實際情況，且可以減小由于排放中 高沸點物質凝聚、吸附現象的發(fā)生而引起的測量誤差。
[0004] 但是，定容采樣法對汽車排放尾氣進行稀釋，因此待測氣體濃度同比例地降低了， 也就是說，汽車尾氣的測量性能需要比以前至少要提高6?20倍。因此，對汽車尾氣分析 儀器提出了更高的要求，要求有更高的靈敏度和測量精度。
[0005] 由于CO、CH、NOx等氣體，對某種特殊波長的紅外光有較強的吸收作用，而對其他 波長光的吸收作用則較弱（丁萬山，陳小剛，張健，等.基于光譜吸收法的微型車載尾 氣診斷系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009, 28(2) :81-83)。因此一般根據朗伯-比爾定律， f = ^ = ，待測氣體濃度〇與吸收度k(X)、有效光程L、透射比T有關，待測 氣體濃度越高，有效光程L越長，則紅外能量衰減越大（陳志敏.汽車尾氣紅外檢測系統(tǒng) 的新技術研究[D].山東理工大學測試計量技術及儀器，2010)。通常地，在氣室兩側分別 放置紅外探測器和光源，光源從一端入射，其強度為I tl U )，透過待測氣體，另一端的紅外 傳感器接收，接收到的光強度為I ( A )，再結合已知的有效光程L，就可以推算出其他濃度 (羅青青，周正貴，李慶，等.基于RFID技術的汽車尾氣檢測系統(tǒng)電路設計[J].電子世 界，2013(18) :21)。


【發(fā)明內容】

[0006] 本實用新型的目的在于提供可以檢測低濃度汽車尾氣樣品，使光在測量氣室內多 次折返，有效測量光程增加了過百次，可提高測量靈敏度、精確度，可顯著減小儀器體積的 一種微型紅外汽車尾氣分析儀。
[0007] 本實用新型設有樣氣前處理裝置、諧振積分腔、紅外LED光源、第I H)傳感器、第 2 ro傳感器、LED驅動電路和信號處理電路；
[0008] 所述樣氣前處理裝置的樣氣輸入口外接汽車尾氣樣品出口，所述諧振積分腔設有 進氣口和出氣口，樣氣前處理裝置的尾氣出口經進氣口進入諧振積分腔，所述諧振積分腔 設有紅外光入射孔和紅外光出射孔，紅外LED光源發(fā)出的紅外光通過準直鏡形成平行光， 平行光再經分光片后一路由紅外光入射孔入射諧振積分腔內，另一路入射到第I ro傳感器 的光敏面上，第I ro傳感器接收到入射光后，產生對應的光生電流，并由第I I-V轉換電路 將光生電流轉換成電壓信號，第I I-V轉換電路的電壓信號輸出端接轉換開關的第2輸入 端；轉換開關的輸出端接信號采集電路的輸入端，信號采集電路的輸出端接LED驅動電路 的輸入端，LED驅動電路的輸出端接紅外LED光源，所述LED驅動電路用于控制紅外LED光 源，LED驅動電路與分光片和第I ro傳感器組成恒功率控制環(huán)路，按設定功率輸出恒定的 功率；諧振積分腔內設有前平凹反射鏡和后平凹反射鏡，前平凹反射鏡和后平凹反射鏡均 鍍全反膜；紅外光進入諧振積分腔后，進行諧振震蕩，途經的氣體分子對紅外光進行吸收， 從而對入射的紅外光進行衰減，最后紅外光通過紅外光出射孔，離開諧振積分腔并入射到 第2 ro傳感器的光敏面上，第2 ro傳感器接受到入射光后，產生與光強對應的光生電流， 并由第2 I-V轉換電路將光生電流轉換成電壓信號，第2 I-V轉換電路的電壓信號輸出端 接轉換開關的第1輸入端。
[0009] 信號處理電路的輸出信號，再數字化，與LED出射光功率比較后，可以計算出光的 總衰減量，總的有效光程可以通過設計仿真直接得出，最后計算出對應氣體的濃度。
[0010] 所述前平凹反射鏡和后平凹反射鏡均鍍全反膜，可以對紅外光進行全反射，反射 率 >99%。
[0011] 所述進氣口上可設有進氣閥，所述出氣口上可設有出氣閥。
[0012] 本實用新型采用的諧振積分腔由兩面平凹反射鏡組成，兩面平凹反射鏡，均鍍紅 外全反射膜，對紅外光的反射率大于99 %。兩面平凹反射鏡上有小孔，其中一側為測量光源 的紅外光入射孔，另一面為測量光源的紅外光出射孔。這樣，測量光源從紅外光入射孔進入 諧振積分腔后，在腔內往返震蕩逾百次后，最后從紅外光出射孔離開諧振積分腔。ro傳感器 放置在紅外光出射孔處，測量被尾氣吸收后剩余的光強。信號處理電路將ro傳感器的輸出 電流信號進行i-v轉換、模數轉換后，得到出射光強的數字量。通過對入射光強和出射光強 的對比，就可以計算出尾氣中相應氣體的含量。
[0013]本實用新型采用諧振積分腔技術，可以使入射光在待測氣室反射數百次，增加有 效測量光程數百倍，從而可以在小體積的情況下，更加精確地計算汽車尾氣中CO、CH、NOx 等氣體成分的含量。本實用新型采用諧振積分腔技術，將測量光源準直后，入射待測氣室， 入射光在腔內諧振，數百次透過待測氣體后，到達接收傳感器，然后對傳感器接收到的光， 進行能量分析，計算出待測氣體對每種波長光的吸收度，從而可以更加精確地推算出待測 汽車尾氣中的各種氣體組分的含量。
[0014]本實用新型的有益效果為：
[0015]本實用新型通過采用諧振積分腔技術，測量光在積分腔內進行多次往返震蕩，從 而使有效測量光程延長數百倍，從而提高尾氣成分的測量精度和靈敏度，也可以大大降低 尾氣分析儀的體積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本實用新型實施例的結構組成框圖；
[0017] 圖2為本實用新型中入射光在平凹反射鏡的光斑示意圖。

【具體實施方式】
[0018] 以下實施例將結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0019] 參見圖1，本實用新型實施例設有樣氣前處理裝置1、諧振積分腔3、紅外LED光源 5、第I ro傳感器8、第2 ro傳感器11、LED驅動電路9和信號處理電路10。
[0020] 所述樣氣前處理裝置1的樣氣輸入口外接汽車尾氣樣品出口 M，所述諧振積分腔 3設有進氣口 2和出氣口 4,樣氣前處理裝置1的尾氣出口經進氣口 2進入諧振積分腔3， 所述諧振積分腔3設有紅外光入射孔33和紅外光出射孔34,紅外LED光源5發(fā)出的紅外 光通過準直鏡6形成平行光，平行光再經分光片7后一路由紅外光入射孔33入射諧振積分 腔3內，另一路入射到第I 傳感器8的光敏面上，第I ro傳感器8接收到入射光后，產 生對應的光生電流，并由第I I-V轉換電路14將光生電流轉換成電壓信號，第I I-V轉換 電路14的電壓信號輸出端接轉換開關13的第2輸入端；轉換開關13的輸出端接信號采集 電路10的輸入端，信號采集電路10的輸出端接LED驅動電路9的輸入端，LED驅動電路9 的輸出端接紅外LED光源5,所述LED驅動電路9用于控制紅外LED光源5, LED驅動電路 9與分光片7和第I ro傳感器8組成恒功率控制環(huán)路，按設定功率輸出恒定的功率；諧振 積分腔3內設有前平凹反射鏡31和后平凹反射鏡32,前平凹反射鏡31和后平凹反射鏡32 均鍍全反膜；紅外光進入諧振積分腔3后，進行諧振震蕩，途經的氣體分子對紅外光進行吸 收，從而對入射的紅外光進行衰減，最后紅外光通過紅外光出射孔34,離開諧振積分腔3并 入射到第2 傳感器11的光敏面上，第2 傳感器11接受到入射光后，產生與光強對應 的光生電流，并由第2 I-V轉換電路12將光生電流轉換成電壓信號，第2 I-V轉換電路12 的電壓信號輸出端接轉換開關13的第1輸入端。
[0021] 信號處理電路10的輸出信號，再數字化，與LED出射光功率比較后，可以計算出光 的總衰減量，總的有效光程可以通過設計仿真直接得出，最后計算出對應氣體的濃度。
[0022] 所述前平凹反射鏡31和后平凹反射鏡32均鍍全反膜，可以對紅外光進行全反射， 反射率>99%。所述進氣口 2上設有進氣閥21，所述出氣口 4上設有出氣閥41。
[0023] 本實用新型通過采用諧振積分腔技術，使光線在諧振腔中往返數百次，從而大大 增加了有效光程，從而可以提高測量分辨率、精確度。同時，可以縮小汽車尾氣分析儀的體 積。
[0024] 圖2是本實用新型中入射紅外光每次照射在平凹反射鏡的光斑位置。在光調時， 調整光的入射角，使之穿過兩個平凹反射鏡Q的中心，然后再略微調偏一點角度，光線就可 以在諧振積分腔中，進行多次反射，光斑G在平凹反射鏡Q的位置均稍偏一點，最后到達出 射孔時，離開諧振腔，結束諧振狀態(tài)。整個諧振過程，紅外光在平凹反射鏡上的光斑位置，如 圖2所示。
[0025] 本實施例是對本實用新型所用的入射光功率測量的說明：LED光源為高效紅外或 其他顏色的光源，產生測量光；LED直接產生的光，有一定的發(fā)散角，準直鏡將LED光整形成 平行光；分光片的作用是將LED產生的光分成2部分，其中大部分透過分光片，繼續(xù)向前進 入諧振積分腔（氣室），小部分在分光片上反射進入ro傳感器，用于監(jiān)測入射光光功率，一 般地，透射率為95%?99%，監(jiān)測用反射光為1 %?5%。傳感器接收到光信號后，產生 光生電流，光生電流經過I-V轉換后，變成電壓信號，再經過數模轉換器后，變成對應的數 字信號。處理器用于讀取數模轉換器的信號，計算光功率結果并發(fā)出指令，調解LED的輸出 光功率。從而形成閉環(huán)控制鏈路，輸出穩(wěn)定的入射光功率。
【權利要求】
1. 一種微型紅外汽車尾氣分析儀，其特征在于設有樣氣前處理裝置、諧振積分腔、紅外 LED光源、第1 ro傳感器、第2 ro傳感器、LED驅動電路和信號處理電路； 所述樣氣前處理裝置的樣氣輸入口外接汽車尾氣樣品出口，所述諧振積分腔設有進氣 口和出氣口，樣氣前處理裝置的尾氣出口經進氣口進入諧振積分腔，所述諧振積分腔設有 紅外光入射孔和紅外光出射孔，紅外LED光源發(fā)出的紅外光通過準直鏡形成平行光，平行 光再經分光片后一路由紅外光入射孔入射諧振積分腔內，另一路入射到第1 ro傳感器的光 敏面上，第1 ro傳感器接收到入射光后，產生對應的光生電流，并由第1 ι-v轉換電路將光 生電流轉換成電壓信號，第1 Ι-ν轉換電路的電壓信號輸出端接轉換開關的第2輸入端；轉 換開關的輸出端接信號采集電路的輸入端，信號采集電路的輸出端接LED驅動電路的輸入 端，LED驅動電路的輸出端接紅外LED光源，所述LED驅動電路用于控制紅外LED光源，LED 驅動電路與分光片和第1 ro傳感器組成恒功率控制環(huán)路，按設定功率輸出恒定的功率；諧 振積分腔內設有前平凹反射鏡和后平凹反射鏡，前平凹反射鏡和后平凹反射鏡均鍍全反 膜；紅外光進入諧振積分腔后，進行諧振震蕩，途經的氣體分子對紅外光進行吸收，從而對 入射的紅外光進行衰減，最后紅外光通過紅外光出射孔，離開諧振積分腔并入射到第2 PD 傳感器的光敏面上，第2 ro傳感器接受到入射光后，產生與光強對應的光生電流，并由第2 Ι-V轉換電路將光生電流轉換成電壓信號，第2 Ι-V轉換電路的電壓信號輸出端接轉換開 關的第1輸入端。
2. 如權利要求1所述一種微型紅外汽車尾氣分析儀，其特征在于所述前平凹反射鏡和 后平凹反射鏡均鍍全反膜。
3. 如權利要求1所述一種微型紅外汽車尾氣分析儀，其特征在于所述進氣口上設有進 氣閥，所述出氣口上設有出氣閥。
【文檔編號】G01N21/17GK204044057SQ201420471113
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權日:2014年8月20日
【發(fā)明者】劉鴻飛 申請人:劉鴻飛