机动车尾气多组分实时光学遥测的装置的制作方法

本实用新型属于机动车污染排放领域，具体涉及一种机动车尾气多组分实时光学遥测的装置。

背景技术：

随着我国机动车排放标准逐步升级，在道路上行驶的各种车辆尾气排放水平将会有很大差距。有效降低机动车尾气排放对环境空气质量的污染，发现并治理高排放的车辆，对于改善城市空气质量状况是非常必要的。

目前控制机动车污染的主要举措是机动车尾气年检和日常的路检和巡检，但实际检测过程中仍然存在很多问题：传统的检测方法为接触式检测，对机动车排气管采样，然后用常规仪器进行分析，费时费力、成本高、操作难度大，远远达不到筛选高污染车的目的。

对于机动车尾气中需要检测的co和co2，主要可以使用的方案包括ndir技术和tdlas技术，其中ndir技术响应时间长、遥测距离短，不适用于机动车尾气的远距离遥测。no和hc，主要可以使用的方案包括tdlas技术和doas技术，其中tdlas技术所需的中红外量子级联激光器成本非常高，不利于产品的大范围销售推广。

现有技术中部分采用了红外调谐二极管激光光谱和紫外差分吸收光谱的联合使用，可以实时检测co、co2、no、hc和烟尘。但是使用紫外光测量烟尘，不符合国标(注：《jt/t506-2004不透光烟度计》对光源的技术要求为“色温范围为2800k～3250k的白炽灯或光谱峰值波长为550nm～570nm的绿色发光二极管”)，紫外光和红外光使用镜片进行合束和分束，现有技术在紫外波段尤其是波长小于250nm时的反射效果很差，不利于紫外差分吸收法的使用。或者使用的是互相平行的光束，无法实现同一位置的烟团参数的测量，实时性不好。有的使用的是设有通孔的离轴抛物面镜，激光和紫外光同光轴往返，由于机动车尾气排放高度不一，会无法测量部分机动车尾气的数据。有的使用的激光模块，在需要测量的hc(3370nm)和no(5363nm)需要使用中红外量子级联激光器，成本高。有的使用的转动的六面体反射镜为运动装置，在实际的使用环境中会由于环境的变化产生不稳定性，对测量数据有影响。有的采用了五块非球面准直透镜，将五束激光合束，并最终通过离轴抛物面准直镜实现光路准直，使用的激光模块和非球面透镜成本高。部分使用的振镜为运动装置，在实际的使用环境中会由于环境的变化产生不稳定性，对测量数据有影响。综上，现有技术中没有实现现场快速调光的功能。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的主要目的之一在于提出一种机动车尾气多组分实时光学遥测的装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种机动车尾气多组分实时光学遥测的装置，包括出射端、反射端和接收端，其中，

所述出射端包括红外激光器、绿光激光器、合束镜、第一中空离轴抛物镜和紫外光源，其中，紫外光源发出的紫外光通过第一中空离轴抛物镜的反射面出射的紫外光、红外激光器发出的红外光、绿光激光器发出的绿光通过合束镜合成合束光，合束光通过第一中空离轴抛物镜的中心孔射出进入反射端；

所述反射端包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜之间夹角为90度；进入反射端的合束光经过第一反射镜和第二反射镜后平行返回到接收端；

所述接收端包括第二中空离轴抛物镜、光纤、光谱仪、第一分束镜、第二分束镜、红外接收器、绿光接收器、信号采集及处理模块和红光激光器；

从反射端反射回来的合束光中的紫外光通过第二中空离轴抛物镜的反射面反射聚焦到第二中空离轴抛物镜的焦点位置，然后通过光纤导入光谱仪；

合束光中的红外光通过第二中空离轴抛物镜的中心孔后经过第一分束镜和第二分束镜进入红外接收器转换成电信号，之后进入信号采集及处理模块；

合束光中的绿光通过第二中空离轴抛物镜的中心孔后经过第一分束镜和第二分束镜进入绿光接收器转换成电信号，之后进入信号采集及处理模块；

所述红光激光器发出的红光通过第一分束镜反射后经过第二中空离轴抛物镜的中心孔出射，沿合束光的光路出射到反射端，并偏离一定距离后沿合束光的光路平行返回到出射端。

基于上述技术方案可知，本实用新型的机动车尾气多组分实时光学遥测的装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、对于需要检测的co、co2、no、hc和不透光度，采用了基于tdlas技术和doas技术的光学遥测装置，具有设备体积小，灵敏度高，响应时间短，遥测距离远，成本低的优点；

2、采用红外光、紫外光、绿光和红光共轴传输的方案，可以实现同一时间、同一位置的机动车尾气的浓度测量，保证了五种检测参数的实时性，为使用燃烧方程进行浓度计算提供了准确的数据；

3、加入红光激光器用于光路的快速调节，使现场安装简便易行；

4、出射端和接收端不同轴，可以兼容不同排放高度的机动车尾气的监测。

附图说明

图1是本实用新型实施例中机动车尾气多组分实时光学遥测的装置结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

《jb/t11996-2014机动车尾气遥测设备通用技术要求》规定的检测种类：co、co2、no、hc和不透光度。采用基于tdlas技术的红外激光器，用于测量co和co2；基于doas技术的紫外光源，用于测量no和hc；绿光用于测量不透光度；红光用于光路调节；红外光、紫外光、绿光和红光共轴传输。

本实用新型公开了一种机动车尾气多组分实时光学遥测的装置，包括出射端、反射端和接收端，其中，

所述出射端包括红外激光器、绿光激光器、合束镜、第一中空离轴抛物镜和紫外光源，其中，紫外光源发出的紫外光通过第一中空离轴抛物镜的反射面出射的紫外光、红外激光器发出的红外光、绿光激光器发出的绿光通过合束镜合成合束光，合束光通过第一中空离轴抛物镜的中心孔射出进入反射端；

所述反射端包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜之间夹角为90度；进入反射端的合束光经过第一反射镜和第二反射镜后平行返回到接收端；

所述接收端包括第二中空离轴抛物镜、光纤、光谱仪、第一分束镜、第二分束镜、红外接收器、绿光接收器、信号采集及处理模块和红光激光器；

从反射端反射回来的合束光中的紫外光通过第二中空离轴抛物镜的反射面反射聚焦到第二中空离轴抛物镜的焦点位置，然后通过光纤导入光谱仪；

合束光中的红外光通过第二中空离轴抛物镜的中心孔后经过第一分束镜和第二分束镜进入红外接收器转换成电信号，之后进入信号采集及处理模块；

合束光中的绿光通过第二中空离轴抛物镜的中心孔后经过第一分束镜和第二分束镜进入绿光接收器转换成电信号，之后进入信号采集及处理模块；

所述红光激光器发出的红光通过第一分束镜反射后经过第二中空离轴抛物镜的中心孔出射，沿合束光的光路出射到反射端，并偏离一定距离后沿合束光的光路平行返回到出射端。

在本实用新型的一些实施例中，所述出射端和接收端不同轴。

在本实用新型的一些实施例中，所述紫外光源位于第一中空离轴抛物镜的焦点位置。

在本实用新型的一些实施例中，所述红外激光器和绿光激光器由第一激光器电源模块驱动。

在本实用新型的一些实施例中，所述紫外光源由紫外光源电源模块驱动。

在本实用新型的一些实施例中，所述红光激光器由第二激光器电源模块6驱动。

在本实用新型的一些实施例中，所述红外激光器发出的激光波长为1578nm、2004nm、2327nm中的任一种或多种。

在本实用新型的一些实施例中，所述紫外光源包括氘灯、氙灯中的任一种。

在本实用新型的一些实施例中，所述绿光激光器发出的激光波长为550nm～570nm。

在本实用新型的一些实施例中，所述红光激光器发出的激光波长为620nm～760nm。

以下通过具体实施例结合附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本实用新型的保护范围并不限于此。

如图1所示，为本实施例的机动车尾气多组分实时光学遥测的装置结构示意图，该装置包括出射端20、反射端21和接收端22。

出射端20由第一激光器电源模块18、红外激光器19、绿光激光器17、合束镜16、第一中空离轴抛物镜15、紫外光源电源模块13和紫外光源14组成。第一激光器电源模块18用于驱动红外激光器19和绿光激光器17，红外激光器19发出的红外光和绿光激光器17发出的绿光，通过合束镜16合成一束光，通过第一中空离轴抛物镜15的中心孔出射。紫外光源电源模块13用于驱动紫外光源14，紫外光源14发出的紫外光通过第一中空离轴抛物镜15的反射面出射，紫外光源14位于第一中空离轴抛物镜15的焦点位置，出射光为平行光。由此，红外光、紫外光和绿光完成合束并由出射端20出射。

反射端21由第一反射镜12和第二反射镜11组成。第一反射镜12和第二反射镜11之间为90°角，组成直角反射镜，其作用是使由出射端20出射的合束光偏离一定距离后平行返回到接收端22，同时使由接收端22出射的红光偏离一定距离后平行返回到出射端20。

接收端22由第二中空离轴抛物镜10、光纤8、光谱仪9、第一分束镜5、第二分束镜2、红外接收器1、绿光接收器4、信号采集及处理模块3、第二激光器电源模块6和红光激光器7组成。由反射端21反射回的红外光、紫外光和绿光的合束光，其中紫外光通过第二中空离轴抛物镜10的反射面反射，聚焦到第二中空离轴抛物镜10的焦点位置，通过光纤8导入光谱仪9，计算no和hc。红外光通过第二中空离轴抛物镜10的中心孔，通过第一分束镜5和第二分束镜2后，进入红外接收器1转换成电信号，之后通过信号采集及处理模块3，计算co和co2。绿光通过第二中空离轴抛物镜10的中心孔，通过第一分束镜5和第二分束镜2后，进入绿光接收器4转换成电信号，之后通过信号采集及处理模块3，计算不透光度。第二激光器电源模块6用于驱动红光激光器7，红光激光器7发出的红光通过第一分束镜5反射后，通过第二中空离轴抛物镜10的中心孔出射，沿合束光的光路出射到反射端21，并偏离一定距离后沿合束光的光路平行返回到出射端20，在第一中空离轴抛物镜15前方位置放置一白纸，红光与绿光重合，即完成光路对准，实现快速光路调节的功能，在完成光路对准工作后红光激光器7会关闭，以免影响车辆运行。

出射端20和接收端22不同轴，有一定距离，用于实现兼容不同排放高度的机动车尾气的监测。

红外激光器19选择1578nm的激光器，可以同时测量co、co2，具有设备体积小，成本低的优点。紫外光源14选择氘灯，在200-250nm的波段no和hc同时有吸收，具有紫外波段能量强、光谱平滑等优点。根据《jt/t506-2004不透光烟度计》对光源的技术要求为“色温范围为2800k～3250k的白炽灯或光谱峰值波长为550nm～570nm的绿色发光二极管”，绿光激光器17选择555nm的激光器。可见光红光波段为620nm～760nm。红光激光器7选择650nm的激光器。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)红外激光器19，选择2004nm红外激光器用于测量co2，选择2327nm红外激光器用于量测co。以及其他具有明显吸收峰的波长的激光器。

(2)紫外光源14，选择闪烁氙灯。

(3)绿光激光器17，选择550nm～570nm波长范围内的任一波长的激光器。

(4)红光激光器7，选择可见光红光波段620nm～760nm波长范围内的任一波长的激光器。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。