基于虚拟仪器的汽车尾气检测系统设计

基于虚拟仪器的汽车尾气检测系统设计内容摘要：

12 图 22 ASM测试流程图 Figure 22 ASM test flow chart 2． 3． 4 瞬态排放检测 在大、中型城市，导致城区大气低层的污染以机动车为首要污染源，机动车行驶也以非稳态工况为主。 目前国内外均未指定瞬态排放测试法规，而是在汽油机稳态运转时通过测量排放数据对其排放状况进行评判。 在国家自然科学基金项目“基于符号时间序列方法的汽油机瞬态排放特征分析”中，提出一种瞬态工况下汽车尾气排放检测的方法。 汽油机瞬态排放检测技术可以分为间接测量和直接测量两种：间接测量是基于稳态势所用的排放取样技术和常规分析仪器测量瞬态排放数据。 有一定的时间滞后和幅值畸变。 适用于对瞬态过程的排放变化规律精度要 求不太高的场合，同时又有可能提供一种较为工程化的瞬态排放间接测量手段。 直接测量是基于快速排放取样技术和高采样频率的分析仪器。 按照排放取样部位的不同有缸内测量和排气管测量两类。 稳态工况时由于受管道流动阻力和分析仪器机理的限制，所测信号与排放参数的实际变化规律有一定的时间滞后和幅值畸变。 采用计算机仿真的方法分析五组分排放分析仪的频率响应 (时延 )特性，结果如图 23 所示： 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 13 图 23气体组分排放分析仪频率响应（时延）特性的计算仿真图 Figure 23 emission of gas ponent analyzer frequency response (delay) and calculation of its simulation diagram 解决响应时间滞后问题的思路是先使用传统分析仪器测量瞬态过程的排放数据，然后采用数学方法对所测得的数据进行处理，从而获得与实际信号相近的结果。 2． 4 本章小结 本章主要介绍了尾气生成机理、气体分析仪表和尾气检测原理和方法的相关理论知识。 第 1 节简述了尾气中 CO、 HC、 CO2 和 NOx 的生成机理。 为尾气分析中对空燃比九和发动机燃烧情况的研究提供理论依据。 第 2 节 介绍了本课题所使用的尾气检测原理。 重点阐述了不分光红外吸收法和电化学方法，同时介绍了国内外其它的研究方法。 第 3 节介绍了国家法规标准下的排放检测方法，包括怠速法、双怠速法和简易工况法的测试要求和流程。 最后介绍了国内研究中的瞬态排放检测方法。 基于虚拟仪器的 汽车尾气检测系统 143 尾气检测系统硬件的设计 3． 1 基于虚拟仪器汽车尾气检测系统的硬件结构设计方案 图 31 汽车尾气检测硬件系统结构图 Figure 31 Detection of vehicle exhaust system structure of hardware 汽车尾气检测系统由上位机（ PC 机）和数据采集部分（包括非分光红外传感器、信号调理电路、数据采集卡）组成。 由于采用了虚拟仪器技术，充分的利用上位机的硬件资源，以前需要用单片机、 PLC 等硬件技术实现的功能改为在上位机（ PC 机）上实现，可见，虚拟仪器技术的采用大大简化了硬件系统的设计。 通过 LabVIEW 图形化的编程语言编写软件实现相应硬件的功能，不仅使整个系统的设计周期缩短而且降低了系统的开发成本。 3． 2 数据采集部分的设计 数据采集部分的结构如下图 32 图 32 数据采集部 分的设计 Figure 32 Design of the data collection 如图 32 所示数据采集部分主要具体有红外传感器、四个信号放大电路、青岛科技大学本科毕业设计（论文） 15 四个滤波电路以及数据采集卡等部分构成。 3． 3 红外气体传感器 传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。 它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能仪器中占据了极其重要的地位。 传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其它能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。 这主要是电信号较容易地放大、反馈、滤波、积分、 微分、存储及远距离传送等操作。 传感器精度的高低影响测控系统精度、可靠性和成本的重要因素之一。 在精度、可靠性满足系统要求的情况下，选择价格适宜的传感器。 本系统使用的是美国 PerkinElmer 公司的 TPS4339 型号红外气体传感器。 该传感器可同时检测 CO、 CO2和 HC 含量，使用寿命长，还提供一个基准信号 Reference[【 13】。 TPS4339 红外探测器如下图 33 图 33 TPS4339红外探测器 Figure 33 TPS4339 detector 如图 33 所示， PeskinElmer 的 TPS4339 红外传感器是一个 4 通道的探测器。 它是在一个 TO5 封装的探测室内使用了 4 个热电堆， 4 个热电堆探测器规则的排列在 TPS4339 圆形外壳中心点周围， 4 个热电堆探测器分别拥有独立的红外窗口。 每个热电堆芯片都有 的感应区来接收红外辐射。 传感器是完全封闭的， TO5 封装的金属外罩里面充满了干燥的氦气，金属外罩有四个透射窗和 6 个金属引脚，其驱动电源由数据采集卡 +5V 电源提供。 TPS4339 容器里面的热敏电阻能用作温度传感器和环境参考量，热敏电 阻可以测量环境的温度来进行后期的处理。 在每个热电堆探测器前面的入射窗口处可以安装不同的红外窄带滤 光片，作为 CO、 CO2.、 HC 和参考光路的分光。 由于热电堆探测器对温度的变化量敏基于虚拟仪器的 汽车尾气检测系统 16感，因此通过对红外光源的调制来得到热电堆信号的交流变化，适合探测器的测量。 窄带滤光片参数如表 31 表 31 红外窄带滤光片参数 Table 31 IR narrowband filter parameters 成分 CO CO2 HC 参考光路 型号 中心波长 m m m m 信号调理电路 信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。 信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应 A／ D 转换等环节的工作。 信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。 放大部分的放大器包括通用集成运算放大器、仪用放大器、程控增益放大器、隔离放大器。 通用集成运算放大器是一种开环增益非常大的集成芯片，组成闭 环后，其输出特性和闭环增益由外接的元器件和结构确定；仪用放大器具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数、放大倍数精确稳定、低输出阻抗等优点，因而在智能仪器的小信号放大中得到广泛应用；采用程控增益放大器，通过程序控制选择不同的增益，能使 A／ D 转换器信号满量程达到均一化，并提高多路数据采集的精度；隔离放大器起到输入、输出和电源之间的隔离，它主要有光电隔离和变压器隔离两种措施。 滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止或衰减其它频率信号的电路。 滤波器可由 LC 或 RC 无源元件组成，称之为无源滤波器；也可以由有源器件和 LC 或 RC 网络构成，称之为有源滤波器。 按频率特性可将有源滤波器分为低通 (LPF)、高通 (HPF)、带通 (BPF)和带阻 (BEF)等四种。 滤波器的理想特性不可能在物理上实现，然而可以用传递函数对理想特性曲线加以逼近，其逼近的程度取决于阶数 n。 标志滤波器性能的滤波参数有：通带增益、中心频率 (或截青岛科技大学本科毕业设计（论文） 17 止频率 )、阻尼系数 (或品质因数 )和通带增益纹波 【 14】。 本系统采用的红外传感器 产生 CO、 CO2和 HC(特别是 C2H C3H8)信号．还提供一个基准信号。 这四路信号的调理电路相似，不同之处在与放大系数稍有不同，本系 统仅以 CO 信号的调理电路为例进行分析。 图 34 正相放大器 Figure 34 Inverting amplifier CO 信号先经过正相放大 3334 倍 (因为 33 3430010111 60  RRA fuf )，使用示波器可以测得其输出波形。 如图 35 所示。 图 35 CO信号放大 3334倍后的输出波形 Figure 35 CO signal amplification 3334 times the output waveform 用示波器观察输出波形， 我们可以得出该波形的频率约为 2Hz，电位差约为 500mV，由于波形中有较多的毛刺，需要经过具有放大功能的二阶高通 有源滤波电 路 ，对信号作进一步处理。 由二阶高通有源滤波电路 (见图 36)， 基于虚拟仪器的 汽车尾气检测系统 18 图 36 二阶有源高通滤波器 Figure 36 secondorder active highpass filter 可以得到传递函数为 20202)()()( jQjjAUUjA ufiO 其中 0 1 2 1 21R R C C  ω 0称为通带截止频率 1 2 1 21 1 2 1 2 2 (1 )fR R C CQ C R C R R C A    Q 称为品质因数 1 ff aRA R  Auf称为放大倍数 为保证电路稳定，应满足 0)1(221211  fACRRCRC  即： 2211211 CR CRRRAuf  因为原波形的频率约为 2Hz，所以高通滤波器的截止频率为 1Hz，于是 HzRCf 12 12 00   取 C1=C2= F，则 R1=， R2= 选择不同的 Q 值，可以使滤波器在 ω 0附件的特性逼近要求的形状，本 系青岛科技大学本科毕业设计（论文） 19 统取 Q=1， 则 Auf=2， R1=10kΩ， 则 Rf=10KΩ。 二阶高通 滤波放大后的输出波形如图 37 所示。 图 37二阶高通滤波放大后的输出波形 Figure 37 secondorder highpass filtering the amplified output waveform 信号经过高通滤波后仍不理想，存在很多毛刺，需要作低通滤波处理。 低通滤波电路如图 38 所示。 图 38二阶有源低通滤波器 Figure 38 secondorder active lowpass filter 从图 38，可以看出，电路上仅当把电阻和电容交换位置，即用 电阻取代高通滤波电路中的电容，用电容取代高通滤波中电阻，高通滤波电路就转换成了低通滤波电路。 所以低通滤波电路与高通滤波电路具有对偶关系。 其对偶关系主要表现在频率特性上和电路结构上。 其传递函数为 基于虚拟仪器的 汽车尾气检测系统 2011)()()( )()(02020  jQjjAjU jUjA ufi 其中 0 1 2 1 21R R C C  ω 0称为通带截止频率 1 ff aRA R  Auf称为放大倍数 1 2 1 22 1 2 1 1( ) (1 )fR R C CQ C R R R C A    Q 其中称为品质因数 为保证电路稳定，应满足 0)1()( 11。