非分光紅外車輛尾氣傳感器系統(tǒng)設計

張　坤， 陳　鋒

(中國科學技術大學 自動化系,安徽 合肥 230026)

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非分光紅外車輛尾氣傳感器系統(tǒng)設計

張坤， 陳鋒

(中國科學技術大學 自動化系,安徽 合肥 230026)

摘要:非分光紅外(NDIR)是一種利用氣體對紅外光的選擇性吸收原理進行氣體濃度檢測的方法。利用NDIR分析方法，設計一種車輛尾氣檢測傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)對大氣中存在的汽車尾氣進行檢測與分析。該系統(tǒng)使用多窗口紅外傳感器組合，采用v支持向量回歸進行傳感器建模。實驗結果證明：該檢測系統(tǒng)具有測量精度高、穩(wěn)定性好和便于攜帶的特點，能夠滿足車輛尾氣測量分析的需求。

關鍵詞：車輛尾氣； 非分光紅外； 支持向量回歸； 紅外傳感器

0引言

機動車尾氣的檢測方法很多，常見的有電化學法、催化燃燒法[1]和光學檢測法等。電化學方法是利用尾氣與傳感器內(nèi)的化學物質(zhì)反應產(chǎn)生微電流，通過測量電流值來推算氣體濃度，但高濃度尾氣可能會使傳感器中毒[2]，抑制傳感器活性。催化燃燒法是利用金屬鉑絲加熱后的電阻變化來測定可燃氣體濃度，但是對非可燃氣體沒有反應，只能測量可燃氣體的濃度。光學方法有可調(diào)諧二極管激光吸收光譜[3](tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)法和非分光紅外(non-dispersed infrared，NDIR)檢測法。可調(diào)諧激光器調(diào)制光譜技術是用單一窄帶的激光掃描氣體分子的特征吸收線獲得被測氣體的吸收光譜，從而實現(xiàn)對目標氣體進行定性或者定量分析。中國科學院安徽光學精密機械研究所采用波長調(diào)制技術和激光分束技術[4]，實現(xiàn)了對空氣中多種氣體濃度的檢測。這種方法測量精度很高，但由于設備貴重且對電源、安裝、工作環(huán)境等要求很高，因此,不適合作為無人值守的在線檢測傳感器。

由于上述傳感器存在的局限性，需要一種可以在惡劣環(huán)境下工作，壽命長，精度高的氣體傳感器。基于NDIR檢測法的傳感器具有壽命長，受工作環(huán)境的影響小，能夠達到較高的檢測精度[5]。通過選擇不同中心波長的濾光片，可以測量多種氣體的濃度。

本文深入研究了NDIR檢測原理，設計整套系統(tǒng)并進行實驗，利用v支持向量回歸(v-support vector regression，v-SVR)構建傳感器模型，將測量結果與理論推導相比較，并對結果進行分析。

1相關原理概述

圖1　紅外吸收示意圖Fig 1　Schematic diagram of infrared absorption

從公式可以看出，濃度與輸入輸出光強比值的對數(shù)呈正比，給定輸入光強并對輸出進行分析，可以得到氣體的濃度。不同的氣體對不同波長的紅外光的吸收能力也不同。各種氣體都會對某種特定波長的紅外光敏感，在特定波長的紅外光的照射下，其ε較大，吸收光的能力也較強，對其他波長的光吸收能力則很弱。這種特性稱為氣體對紅外光的選擇性吸收特性，該波長稱為氣體的吸收峰[7]。

2基于NDIR的尾氣檢測傳感器設計

NDIR尾氣檢測系統(tǒng)是光電一體化的儀器，主要部件包括電源、光源發(fā)生裝置、氣室、光強信號提取的調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)處理的核心板。系統(tǒng)總體構成如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結構框圖Fig 2　Block diagram of system structure

2.1光源

紅外光源常用的有激光紅外光源和熱輻射紅外光源，激光光源利用受激發(fā)射原理產(chǎn)生紅外光，具有輻射強度高，方向性強等優(yōu)點。但是需要專門的電源與控溫措施，功耗大。因此，當對輻射光強要求不高時，可選用熱輻射紅外光源。本文采用EMIRS200中紅外光源，是一種黑體輻射源。相比白熾燈，在同一溫度下，輻射功率密度更大。其發(fā)光波長段可達0～20 μm，覆蓋了待測尾氣的敏感波長，符合使用需求。為了抑制來自環(huán)境光的干擾，對光源進行低頻方波調(diào)制，從而使后續(xù)探測器檢測時，可以交替得到“光源加背景光”的信號和“背景光”的信號。其信號差為光源產(chǎn)生的信號。

2.2氣室

由朗伯—比爾定理，理論上光程長度b越大測量分辨率越高。實際測量時，由于粉塵干擾、空氣流動、水汽吸收等影響，紅外光從光源發(fā)出后，紅外光的光強衰減速度比理論值要快得多。如果光程長度太短，則系統(tǒng)的靈敏度和分辨率太低；如果光程長度太長，光源發(fā)出的紅外光會在氣室中大量衰減，導致接收端測得的光強太弱，降低系統(tǒng)的準確性。因此，在權衡折中后混合尾氣分析時使用光程長度為10.0～20.0 cm的大容量氣室。氣室由腔體、進氣口、出氣口和窗口組成。

氣室主要起避光作用和減少自然光對熱釋電探測器的影響。外界空氣通過進氣閥門進入，通過出氣口排出，以減小空氣流動和粉塵對測量結果的影響。

2.3噪聲抑制方法

熱釋電探測器主要負責對紅外光的接收，并將接收到的紅外光強度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴y量過程中，由于電源和光路的不穩(wěn)定、運算放大器的噪聲、以及環(huán)境的變化都會產(chǎn)生噪聲，本文采用差分檢測技術降低噪聲干擾。其基本思想為光源發(fā)出紅外光后分成兩路，其中一路為與待測尾氣吸收峰波長相同的紅外光，在通過氣室后會被尾氣吸收從而產(chǎn)生光強衰減，作為測量信號；另一路為遠離待測氣體吸收峰波長的紅外光，經(jīng)過氣室后光強衰減很小，作為參比信號。由于兩路通道處在幾乎相同的條件下，各種噪聲對測量信號和參比信號上產(chǎn)生的影響幾乎是相同的，對比測量信號與參比信號，可對測量結果進行校正。

本文選擇雙波長單光路法實現(xiàn)氣體濃度的差分吸收檢測。熱釋電探測器的窗口上為波長不同的窄帶濾光片，一種為參比波長，其他為待測尾氣敏感波長，窄帶濾光片的作用為僅允許特定波長的紅外光透過，這樣熱釋電探測器的每個通道就只測量單一波長的光強，實現(xiàn)單光路多波長的效果。其結構框圖如圖3所示。

圖3　機械結構示意圖Fig 3　Mechanical structure diagram

3實驗與結果

3.1基于v-SVR的傳感器建模

本文采用v-SVR算法進行紅外氣體傳感器建模，模型如圖4所示，輸入因子包括測量通道電壓值、參比通道電壓值、測量通道電壓值和參比通道電壓值對數(shù)的比值；輸出因子為尾氣濃度值。本文首先通過實驗標定得到訓練數(shù)據(jù)，然后將訓練數(shù)據(jù)輸入模型中，選擇合適的核函數(shù)以及參數(shù)，得到擬合誤差較好的v-SVR模型。最后利用所得模型，求出尾氣濃度值。

圖4　基于v-SVR的紅外氣體傳感器模型Fig 4　Infrared gas sensor model based on v-SVR

3.2實驗數(shù)據(jù)收集

本文測試不同濃度的尾氣，測量紅外傳感器的輸出電壓，測量結果如表1。

表1　測量結果

3.3實驗數(shù)據(jù)處理

圖5　v-SVR擬合曲線Fig 5　v-SVR fitting curve

圖6　v-SVR擬合誤差Fig6　v-SVR fitting error

相關系數(shù)r2=

對比線性擬合結果如表2。

表2　擬合誤差比較

實驗結果顯示：采用v-SVR對傳感器進行建模可以提高其測量精度。

4結束語

為了實現(xiàn)車輛尾氣的現(xiàn)場監(jiān)測，本文研發(fā)了一種NDIR車輛尾氣檢測傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)可以檢測CO，CO2，HC的濃度，具有實時檢測和體積小等特點。利用v-SVR進行傳感器的建模。實驗結果表明:本文研發(fā)的傳感器具有較高的檢測精度和穩(wěn)定性。

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Design of non-dispersive infrared sensor system for detection of vehicle exhaust

ZHANG Kun, CHEN Feng

(Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Abstract:Non-dispersive infrared(NDIR)is a kind of detection methods for gas concentration based on the principle that gas selectively absorbs infrared light.NDIR method is used to develop a sensor system for detection of vehicle exhaust under air environment.In this sensor system, multi-window infrared sensors are integrated,and v-support vector regression(v-SVR)is introduced for sensor modeling.The experimental results show that this sensor system has the characteristics including high measurement precision, high stability,and portable,which can meet the demands of measurement and analysis of vehicle exhaust.

Key words:vehicle exhaust; non-dispersive infrared(NDIR); support vector regression(SVR); infrared sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0130—03

收稿日期：2015—05—19

中圖分類號：TP 212.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0130—03

作者簡介:

張坤(1990-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究方向為新型傳感器、模式識別技術等。