基于紫外差分算法的機動車尾氣檢測方法研究*

韓芳芳，張曉玲，孫永躍，張寶峰

(天津理工大學，天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384)

汽車的問世與發展推動了人類社會文明的進步，給人們的工作、學習、生活帶來了巨大利益，但汽車尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2給人類賴以生存的環境和健康帶來了嚴重的危害［1－2］。

目前，尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2檢測有很多種方法，主要有化學發光方法［3］，電化學方法［4］，紫外熒光技術［5］，差分吸收光譜技術［6］等。而紫外差分吸收光譜方法［7－9］由于可以實現多組分測量，精度高，抗干擾性好等優點，在機動車尾氣檢測中應用比較廣泛。

本文采用紫外差分吸收光譜技術對機動車尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2進行檢測，并采用多元線性回歸模型和最小二乘法擬合的方法來實現DOAS技術數據處理，應用LabVIEW8.2圖形化開發環境設計了機動車尾氣紫外檢測系統軟件，實現了光譜數據的采集、處理、顯示、保存等功能。理論分析及實驗結果展示了DOAS具有廣泛的應用前景，本文的研究結果為該方法用于機動車尾氣檢測提供了理論和實驗基礎，為改變或部分改變目前機動車尾氣檢測的落后現狀提供了技術支持。

1 差分光路設計

1.1 紫外差分光譜測量原理

紫外差分吸收光譜法檢測氣體是基于Lambert-Beer定律的［8－10］。光源發出強度為I0的光，經過一段距離的傳輸之后，由于某些大氣氣體(對于紫外差分，即為適當的紫外波段氣體)的分子對其吸收，在接收端測量得到的強度為I，I0和I之間的關系由Lambert-Beer定律得出:

式中λ為波長，σi(λ)為所測第i種氣體分子的吸收截面，ci為第i種氣體的濃度，L為光程長度。

用探測器來探測光強的大小變化，是一種最簡單的光譜吸收檢測方法。光源發出的光經過氣室后，被光探測器接收并轉變為電信號，該信號被放大器放大后由微處理器處理。當氣室中無待測氣體時，通過氣室的光經探測器測得其光強為I0，當待測氣體充入氣室并達到一定濃度c后，此氣體對光源發出的光有較強的吸收，這時通過氣室的光測得其光強為I，于是I和I0的差值，便可以檢測氣體及濃度。這種方法簡單、易做。但是系統光路中，光源的不穩定，環境(振動和溫度)的影響，電路中元器件的漂移都會不同程度的降低系統的檢測靈敏度與精度。

1.2 差分光路設計

差分吸收檢測光路可以有效消除由光源、光纖的不穩定和變化所引起的檢測誤差，提高檢測的靈敏度。光源發出的光束被分成兩路信息，一路是帶有被測氣體吸收后的信息，稱信號信息;另一路是帶有未經被測氣體吸收的信息，稱參考信息。光源的不穩定以及光電器件的零漂、溫漂對兩路信息的影響相同，故信號信息與參考信息的商將只是氣體濃度的函數，從而消除了光源的不穩定以及光電器件零漂的影響。

圖1是差分光路設計的光路圖。

圖1 差分光路圖

圖1相比直接檢測光路最大的不同點是添加了參比光線，光纖傳輸的不僅僅是檢測光線。光路被平分為兩部分，上半部分的平行光沒有經過待測氣體的吸收經過石英玻璃的反射直接進入光纖，下半部分是經過待測氣體的吸收經過凸透鏡的會聚作用進入光纖。

圖1中平面鏡和半透鏡與水平線的夾角為45°。平面鏡的主要作用只是將參比光線反射回去，夾角選擇45°可以使紫外光發生全反射而減少了因發生折射光強的損失。在設計過程中要保證參比光線和檢測光線的光程一致，因此安裝了半透鏡。半透鏡是一種特殊的鏡子，一半可以透過光，而另一半反射光。一般是鍍了分光膜，允許有的波長的光透過，有的波長的光反射，選擇了一種可以讓紫外光透過的半透鏡。在圖1中，檢測光線經過待測氣體的吸收后經凸透鏡的匯聚作用進入探頭傳輸，從而為檢測帶來現實依據。

2 數據分析

對式(1)取對數，可得差分光學厚度D'(λ)為:

式(2)中，σ'i(λ)為所測第i種氣體分子的差分吸收截面;I'0(λ)為不包含差分吸收時的光強。差分吸收截面σ'i(λ)可由吸收截面計算得到，L已知，式(2)求解吸收氣體濃度ci關鍵在于獲得差分光學厚度D'，即得到I'0(λ)和I(λ)。利用差分吸收光譜法計算氣體濃度時，由于系統噪聲影響，僅取一個波長時，計算結果波動比較大。因此，實際應用中，我們使用一定波長范圍內的一組數據進行計算。

對于多組分混合氣體(假設有n種氣體)，在某一波長處有:

式(3)中D'λi為混合氣體在波長 λi處的光吸收度，σ'ici為第i種氣體的差分吸收截面和濃度。

選取不同波長λi，可以得到不同的方程，如果選取的波長個數m≥n時，則需求解聯立方程組:

對于上面的整個過程可以數學描述為:已知因變量(差分吸收強度)依賴n個自變量(n種氣體的差分吸收截面)，現在已知大樣本總數為m個(m個通道或采樣點)，求各個自變量的影響系數ci(氣體濃度)。顯然這是多元線性回歸模型，ci即為要計算的回歸系數。

可以利用最小二乘法進行回歸擬合［11－12］。

用殘差平方和來刻畫所有觀察值與回歸直線的偏離程度:

式(6)中，(yi，x1i，x2i，…，xni)為m個樣本中的每一個樣本點值。若求最佳擬合直線，則需使殘差平方和最小，即式(6)最小。根據微積分中求極值的方法，式(6)最小與下式等價:

求解方程組(7)即可以得到回歸系數。

最小二乘方法在反演待測氣體的濃度可以在最大限度上利用測量得到的數據，而且利用多項式擬合可以方便的消除光譜的慢變化以及瑞利散射和米散射。此外，該方法的最大優勢是可以同時反演出多種待測氣體的濃度，提高了系統的效率。

3 紫外差分檢測系統的軟件設計

采用LabVIEW8.2圖形化開發環境來實現紫外差分檢測系統的軟件部分［13－15］。圖2是系統軟件構成圖。

圖2 系統軟件構成圖

如圖2所示，紫外差分檢測系統的軟件部分主要功能包括:人機界面的設計，數據的采集、處理、顯示和保存，數據庫管理功能。其主要目的是完成對硬件系統的數據采集、顯示、數據管理、濃度算法的處理等功能。軟件系統與硬件結合緊密，軟件系統的設計直接關系到整個檢測系統最終的工作狀況。光譜數據通過光譜儀調用DLL讀取，光譜儀配置參數從系統驅動文件中讀取;數據處理部分主要為根據原始光譜對痕量氣體進行濃度反演的過程;數據管理模塊則包含了數據查詢、用戶信息管理等功能。這三個模塊中，數據管理模塊為獨立的模塊，數據采集和數據處理模塊通過公共的光譜數據讀取發生聯系，完成整個數據處理流程。這種功能模塊的劃分，系統層次請楚，分工明確。

3.1 光譜采集與處理

數據采集和儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術之一。本文主要的采集光譜數據，以文本文件或是二進制文件保存到文件中和程序初始化時讀取和寫入光譜儀配置文件。圖3是將光譜數據保存在主程序文件夾中Data文件夾的程序圖，保存格式為txt文件，文件的名稱是當前系統的日期和時間，例如:2010－4－22 72444.txt。

3.2 數據庫管理程序設計

在LabVIEW數據庫訪問方式中，選用了免費LabSQL工具包，以Access為數據庫工具設計數據庫程序。系統運行時如果在該天第一次保存數據會新建一個當前系統年月日為名稱的表，如果不是第一次保存則按順序寫入數據庫表中。

圖3 表的創建和數據保存的程序圖

4 實驗與分析

采用已知濃度的SO2和NO具有已知明確的光譜特征的標準氣體來進行各項指標的測試。將樣品池采用串聯方式充入SO2和NO的混合標準氣，充入標準氣體濃度為1934×10－6，光程有效長度為60 cm，采用差分吸收光譜數據處理的方法，對不同樣品池的組合進行測量。實際測量結果和測量誤差見表1。SO2不同濃度的測量結果幾乎在一條直線上，曲線K=0.9994，比例接近 1，R2=0.9994，說明儀器具有良好的線性。當充入NO標準氣體濃度為462×10－6時，NO測量結果與測量誤差見表2。

表1 SO2氣體濃度測量結果及其測量誤差

表2 NO氣體濃度測量結果及其測量誤差

5 總結

本文采用紫外差分吸收光譜技術對機動車尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2進行檢測，并應用Lab-VIEW8.2圖形化開發環境設計了機動車尾氣紫外檢測系統軟件，實現了光譜數據的采集、處理、顯示、保存等功能。本文的研究結果為該方法用于機動車尾氣檢測提供了理論和實驗基礎，為改變或部分改變目前機動車尾氣檢測的落后現狀提供了技術支持。

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