汽车尾气监测系统的设计

汽车尾气监测系统的设计

0汽车尾气体积分数的测量随着新标准的颁布，对汽车尾气排放污染物的限制将更加严格。以热电堆传感器为核心的非分光(NDIR)红外气体分析仪,作为一种快速、准确的气体分析仪器,应用日渐增加。尤其是汽车尾气的测量,可实现同时测量汽车尾气中3种主要的组分CO2、CO、HC的体积分数。它即克服了薄膜电容微音器作为传感器对振动的过于敏感,又克服了电化学传感器的反应耗尽。结合红外光源及先进的电子技术,仪器电路采用低功耗嵌入式系统,使仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。所设计的红外尾气气体浓度传感器系统用来测量尾气中污染气体的体积分数,从而为汽车尾气的排放污染物控制提供了有力的保障,以达到减少环境污染和保护生态环境的目的。1系统原理1.1堆传感器的原理热电堆传感器采用先进的硅基显微机械加工技术,将上百个热电偶连接在一起,能够感应红外辐射,热电堆传感器是一种自生的红外传感器,传感器前面装有红外带通滤波器,可使传感器只对特定的气体吸收频带起作用,传感器有敏感的红外吸收窗,吸收窗面积越大光功率越高,当红外光照射到吸收窗时,即在输出引脚上产生与入射光功率成正比的输出信号电压,信号频率很低,-3dB衰减频率大约为10Hz.1.2气体体积分数c红外光束在穿越气体之后,强度会减弱,光强的损失是单位体积内的活性气体分子数量的函数,即气体体积分数的函数。气体分子对红外光的吸收作用只发生在红外光的某个波长点为中心的小区间内,并且不同气体的吸收峰在不同的波长点上,如CO2在4.26μm,CO在4.64μm,HC在3.4μm,所以可同时检测有红外吸收作用的多种气体的体积分数,例如:可同时测量和监测大气中的重要气体CO2、CO、NOx的体积分数。已知强度的红外光束在特定波长区间上的光强损失可用于直接检测对应气体的体积分数。实际检测系统前端由红外光源、气室和热电堆传感器组成,如图1所示。热电堆传感器的红外接收窗前面覆盖着窄带滤光片,可拾取对应某种气体的红外吸收光波,从而实现光强与电压的转换。为保证精确检测,必须保证光源、气室、传感器在同一光轴中心上。设入射光是平行光,强度为I0,出射光的强度为I,气室长度为L,当气室中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯-比尔吸收定律:dI/I=-KdN式中K为比例常数。经积分得lnT=-KN+a(1)式中:N为吸收气体介质的分子总数;a为积分常数,显然有N∝cL.则式(1)可写成:I=exp(a)exp(-KN)=exp(a)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)(2)式中c为气体体积分数。式(2)表明光强在气室中随体积分数c及长度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性,各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体,μ随入射波长而变。若当气室中含有i种吸收气体时,则式(2)应改为I=I0exp(-L∑μici)(3)因此对于多种混合气体,为了分析特定组分,应该在对应检测气体的传感器前安装相应吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。2系统的基本框图从传感器输出的信号十分微弱,极易受外界的干扰,因此稳定可靠的前置放大电路是关键。系统采用高精密、低漂移的模拟放大电路OP07,原理图如图2所示。为了抑制外界的电磁干扰,必须采用电磁屏蔽措施,并将传感器与前级放大电路单独放在同一块电路板上,并且后续处理要采用窄带滤波电路。此部分框图如图3所示。前置放大输出的信号通过两级放大电路,可加入电位器放大倍数调整电路,以便于调试,为了得到稳定的直流输出信号,在此之后还要有绝对值检波电路和两级二阶有源滤波器。此时得到的信号已经可以直接进入A/D,传输到MCU信号处理部分。值得关注的是传感器的输出信号大小是与汽车尾气的体积分数成反比的,当吸进的是空气时,信号的A/D值接近最大值。图4为单片机控制部分的基本框图。单片机选用P89C668,P89C668内带64KBFlashEPROM、8KBRAM,既可以并行编程,也可以ISP和IAP编程,串行在系统编程可以在实际的成型产品中通过ISP端口编程下载升级程序。该器件在6个时钟周期内执行1条指令,是传统的8051的2倍,片内有PWM控制单元、可编程计数器阵列PCA、I2C串行接口等系统需要的扩展资源。以P89C668为控制核心,以热电堆传感器为气体敏感元件,构成了多输入/输出的尾气检测控制系统。3系统主程序设计系统的软件部分由主程序和多个子程序模块组成。主程序主要由所有显示菜单和系统主循环组成,对应每次按键判断发生事件。通过不断查询,完成系统的每个功能,主程序流程图如图5所示。软件由KEILC编程实现,便于模块化编写、修改和维护升级。系统的检测子模块是系统的核心,其中检测数据用的是插值算法,流程图如图6所示。由于传感器输出的信号是按指数变化的,并非线性,因此程序应使用查表法,先用标准测试气体进行实验测量,得到多组数据,然后用插值法对得到的数据进行处理,最后送显示单元。4复配滤光片的体积分数图7为实际测量的2组数据的折线图,实验中,先搭建由红外灯、气室、传感器组件构成的测量通道,注意三者成一条光路直线,倾斜角小于3°。然后通过程序控制采集数据。从图7的折线可见:对应第1组CO2的体积分数超过6%以后,斜率明显变小,反映在结果上,即测量已没有实际意义,无法得到正确的结果。由国外的资料数据显示当采用4.26μm(吸收最强区域)的滤光片时,必须满足CO2体积分数与气室长度的乘积不超过10000ppm·m(1ppm=10-6)。典型的气室长度为20cm,它的准确测量上限为5%,与第1组的实验结果相符合,符合汽车尾气中CO2体积分数较高的事实。这时解决方案为选用其他较弱的吸收峰,例如4.43μm波长处。当滤光片改为4.43μm波长时,得到第2组数据,绘成第2组折线,可见线性度明显提高。5长期使用效果该传感器系统满足了汽车尾气检测的实际要求,测量精度达到国家标准要求(CO:±5%,CO2:±5%,HC:±5%