基于NDIR傳感器的機動車尾氣檢測中加權定標方法探索

康志強 張金娥（山東省環境保護信息中心山東濟南500山東省環境保護科學研究設計院環境檢測中心山東濟南500）

基于NDIR傳感器的機動車尾氣檢測中加權定標方法探索

康志強1張金娥2
（1山東省環境保護信息中心山東濟南2501012山東省環境保護科學研究設計院環境檢測中心山東濟南250101）

對機動車尾氣有害氣體的排放的檢測，在嚴格把關控制的同時，能夠利用有效防控措施，減少機動車因大量排放有害尾氣，是保障我國環境減少被機動車尾氣污染的前提。由于機動車車型的不同，其尾氣排放中所包含的污染組成復雜，性質各異的特點，故此所包含的有害污染物都有其特定的檢測和校驗方法。而我國目前主要檢測尾氣污染物的檢測儀器，是利用非分散紅外氣體傳感器，用于檢測尾氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度。而使用NDIR傳感器，對機動車尾氣進行檢測的研究工作，一直是機動車尾氣檢測中的一項新型開發研究熱點。

關鎮詞:NDIR傳感器；定標方法；最小二乘加權擬合

1 NDIR氣體傳感器應用領域

NDIR氣體傳感器在目前研究的領域，主要運用在新型硬件的研發上，而將其作為氣體濃度計算方案的相關研究較少。實際上，選擇合適的氣體，利用NDIR氣體傳感器，可以顯著提高其測量精度。而機動車尾氣檢測CO和CO2濃度，所運用的NDIR氣體傳感器法，通常采用定標的方法。即利用有限定標的數據為參照，你和一條四次多項式的定標曲線，來作為待測氣體濃度，與NDIR氣體傳感器之間形成與之對應的關系。有文獻指出，利用傳統的生成四次多項式定標曲線的計算方法，只是適用于待測氣體濃度大于滿量程的百分10%，才能精算足夠精確，而機動車大部分尾氣中CO和CO2濃度都低于10%，故此，為提高定標曲線檢測精度，采用NDIR氣體傳感器的甲醛定標方式，來提高定標曲線測量CO與CO2濃度時的擬合優度。

2 加權定標方法

2.1 傳統定標方法的不足之處

通過測量CO濃度，利用除零點外選擇10個等距點作為測量的定標點，將濃度的最大值定標為10%，且最小值為1%的濃度作為定標參照。通過自動配氣系統，將相應濃度的氣體通入到傳感器中發生相應，并記錄數值。所得的結果結合最小二乘法，用于擬合四次多項式的方法，定標數據曲線。為了能夠增加對于小于1%的氣體濃度范圍擬合曲線，更精確和優度，減少誤差，可以額外在1%內，均等增加0.1%-0.9%的標準氣體濃度，作為減少計算定標誤差的結果。如圖1所示。

圖1

2.2 基于最小二乘加權擬合原理

最小二乘加權擬合原理的應用，是最為常用的計算方法，基于將已知的數據點與預測對象，相互間的影響程度，都視作為相同結果，而不區分數據點的重要性。而實際上，與待測對象的距離越近的數據點，影響程度則越大。相比于給定的待預測對象，數據點的重要性則與它的距離成反比關系。故此，為了改善定標曲線適應于低濃度測量范圍的擬合優度，則采用的數據點，應利用殘差平方和在最小條件下，求得較為準確的擬合參數。

通過極值計算原理，要使殘差平方和E值獲得最小值，其對該方程的一階偏導為0，即公式：

2.3 加權定標結果分析

結合最小二乘加權法，對定標的數值，列舉四次多項式曲線擬合精度時，對于所擬合的權函數參數的具體數值時，應該與氣體濃度的定標值成反比關系，故此其零點的權值，因是其滿量程的1000倍關系。如圖2所示。

圖2

故此相比于傳統的定標方法來獲取所需數據時，應該先使用最小二乘加權法，對曲線擬合加強曲線和濃度計算精度。由圖可知，利用最小二乘加權法計算機動車尾氣濃度，可以明顯的改善傳統定標因濃度低于1%，無法獲取精確優度擬合圖像的難題。但另一方面卻導致待測氣體濃度處于高濃度部分，曲線擬合出現輕微的退化現象。故此對曲線擬合優度的改善適用于在低濃度。而氣體在高濃度曲線擬合時，因權值指數的不斷增加受到一定影響，故此不適宜采用高于三次方的權函數計算并擬合曲線。

總而言之，利用傳統加權定標擬合曲線的方式，獲取定標數據NDIR氣體傳感器獲取尾氣濃度的加權擬合方式中，改善定標誤差方式不滿足誤差程度在2%的范圍內。故此利用NDIR氣體傳感器加權定標的方式，對傳統定標的進一步優化效果，從測量上可以利用有限的數據點，讓NDIR氣體傳感器與實際的曲線，相互相應近乎一致。在曲線擬合優化上，可以通過增加更多的定標數目，來獲得更高的精確度。雖然會使得配置難度和消耗計算量的增加，但可以使得整個量程的誤差，得以保證在2%以內，獲得的定標曲線可以精確的反映出，NDIR氣體傳感器在量程內的動態特性效果。

結語

對機動車尾氣產生的CO和CO2濃度的檢測，采用NDIR氣體傳感器加權定標，適用于在滿量程的百分10%以內使用。擬合優度的不理想可通過最小二成加權擬合的方法，利用四次多項式對低濃度的氣體檢測，提供更大的計算權重，作為擬合優度的改善作用。可以通過增添定標點的方式，在尾氣濃度為10%內，獲得更精確的擬合結果，讓加權定標的誤差值控制在2%以內。當前國內隨著購車量的增多，故此在尾氣檢測的標準上也逐漸發生變化，本文所述的加權定標方式具有一定的效用。

[1]陳燕濤.車輛道路排放測試技術的研究國[D].武漢理工大學,2006.

[2]譚秋林,楊明亮,熊繼軍等.紅外光學氣體檢測中的參數修正函數濃度計算與補償方法[J].紅夕陶激光工程, 2014,43(5):1396-1400.

[3]許建昌.車輛道路實際排放特征研究及應用側[D].武漢理工大學,2006.

[4]程永生,湯兵勇.基于數據點重要性差異的最小二乘加權法[J].東華大學學報:自然科學版，2006,32(6):51-55.