一种微型红外汽车尾气分析仪的制作方法
【专利摘要】一种微型红外汽车尾气分析仪，涉及汽车尾气成分分析装置。设有样气前处理装置、谐振积分腔、红外LED光源、第1 PD传感器、第2 PD传感器、LED驱动电路和信号处理电路；前处理装置尾气出口进入积分腔，红外LED光源红外光通过准直镜形成平行光，再经分光片后一路入射积分腔内，另一路入射到第1 PD传感器上，产生光生电流并由第1 I-V转换电路转换成电压信号并接转换开关的第2输入端，转换开关输出端经采集电路接驱动电路输入端，驱动电路输出端接光源，谐振积分腔内设有前后平凹反射镜，离开积分腔并入射到第2 PD传感器上，产生光生电流并由第2 I-V转换电路转换成电压信号，再接转换开关的第1输入端。
【专利说明】一种微型红外汽车尾气分析仪
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及汽车尾气成分分析装置，尤其是涉及采用谐振积分腔技术的一种 微型红外汽车尾气分析仪。
【背景技术】
[0002] 根据国标GBl 82852005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法 (双怠速法及简易工况法）》，要求在进行汽车尾气分析测量推荐定容采样法，进行尾气取 样。定容采样法是美国制定的，并在1972年启用的标准采样方法。随后，日本和欧洲分别 在1973年和20世纪80年代也采用了这种方法。可以说，定容采样法是一种世界通行的汽 车尾气样气采样方法。定容采样法（Constant Volume Sampling)是一种稀释采样方法，该 法有控制地用周围空气对汽车排气进行连续稀释，因而可以更接近于汽车排气向大气中扩 散，对大气进行污染这一实际过程。
[0003] 该系统要求被测车辆在转鼓试验台上，按规定的工况法，进行循环运转测试，汽车 排气直接进入稀释风道中，按规定的比例与空气混合，稀释比依排气流量不同而变化，一般 比例为（6?20) : 1(王险峰.汽车尾气远程监测系统研究与开发[D].重庆交通大学车 辆工程，2011)。然后用定容泵提出定量的部分稀释尾气以待测试，其余的排走。定容采样 法，对排气做了稀释处理，更接近与排放气对大气污染的实际情况，且可以减小由于排放中 高沸点物质凝聚、吸附现象的发生而引起的测量误差。
[0004] 但是，定容采样法对汽车排放尾气进行稀释，因此待测气体浓度同比例地降低了， 也就是说，汽车尾气的测量性能需要比以前至少要提高6?20倍。因此，对汽车尾气分析 仪器提出了更高的要求，要求有更高的灵敏度和测量精度。
[0005] 由于CO、CH、NOx等气体，对某种特殊波长的红外光有较强的吸收作用，而对其他 波长光的吸收作用则较弱（丁万山，陈小刚，张健，等.基于光谱吸收法的微型车载尾 气诊断系统[J].传感器与微系统，2009, 28(2) :81-83)。因此一般根据朗伯-比尔定律， f = ^ = ，待测气体浓度〇与吸收度k(X)、有效光程L、透射比T有关，待测 气体浓度越高，有效光程L越长，则红外能量衰减越大（陈志敏.汽车尾气红外检测系统 的新技术研究[D].山东理工大学测试计量技术及仪器，2010)。通常地，在气室两侧分别 放置红外探测器和光源，光源从一端入射，其强度为I tl U )，透过待测气体，另一端的红外 传感器接收，接收到的光强度为I ( A )，再结合已知的有效光程L，就可以推算出其他浓度 (罗青青，周正贵，李庆，等.基于RFID技术的汽车尾气检测系统电路设计[J].电子世 界，2013(18) :21)。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的在于提供可以检测低浓度汽车尾气样品，使光在测量气室内多 次折返，有效测量光程增加了过百次，可提高测量灵敏度、精确度，可显著减小仪器体积的 一种微型红外汽车尾气分析仪。
[0007] 本实用新型设有样气前处理装置、谐振积分腔、红外LED光源、第I H)传感器、第 2 ro传感器、LED驱动电路和信号处理电路；
[0008] 所述样气前处理装置的样气输入口外接汽车尾气样品出口，所述谐振积分腔设有 进气口和出气口，样气前处理装置的尾气出口经进气口进入谐振积分腔，所述谐振积分腔 设有红外光入射孔和红外光出射孔，红外LED光源发出的红外光通过准直镜形成平行光， 平行光再经分光片后一路由红外光入射孔入射谐振积分腔内，另一路入射到第I ro传感器 的光敏面上，第I ro传感器接收到入射光后，产生对应的光生电流，并由第I I-V转换电路 将光生电流转换成电压信号，第I I-V转换电路的电压信号输出端接转换开关的第2输入 端；转换开关的输出端接信号采集电路的输入端，信号采集电路的输出端接LED驱动电路 的输入端，LED驱动电路的输出端接红外LED光源，所述LED驱动电路用于控制红外LED光 源，LED驱动电路与分光片和第I ro传感器组成恒功率控制环路，按设定功率输出恒定的 功率；谐振积分腔内设有前平凹反射镜和后平凹反射镜，前平凹反射镜和后平凹反射镜均 镀全反膜；红外光进入谐振积分腔后，进行谐振震荡，途经的气体分子对红外光进行吸收， 从而对入射的红外光进行衰减，最后红外光通过红外光出射孔，离开谐振积分腔并入射到 第2 ro传感器的光敏面上，第2 ro传感器接受到入射光后，产生与光强对应的光生电流， 并由第2 I-V转换电路将光生电流转换成电压信号，第2 I-V转换电路的电压信号输出端 接转换开关的第1输入端。
[0009] 信号处理电路的输出信号，再数字化，与LED出射光功率比较后，可以计算出光的 总衰减量，总的有效光程可以通过设计仿真直接得出，最后计算出对应气体的浓度。
[0010] 所述前平凹反射镜和后平凹反射镜均镀全反膜，可以对红外光进行全反射，反射 率 >99%。
[0011] 所述进气口上可设有进气阀，所述出气口上可设有出气阀。
[0012] 本实用新型采用的谐振积分腔由两面平凹反射镜组成，两面平凹反射镜，均镀红 外全反射膜，对红外光的反射率大于99 %。两面平凹反射镜上有小孔，其中一侧为测量光源 的红外光入射孔，另一面为测量光源的红外光出射孔。这样，测量光源从红外光入射孔进入 谐振积分腔后，在腔内往返震荡逾百次后，最后从红外光出射孔离开谐振积分腔。ro传感器 放置在红外光出射孔处，测量被尾气吸收后剩余的光强。信号处理电路将ro传感器的输出 电流信号进行i-v转换、模数转换后，得到出射光强的数字量。通过对入射光强和出射光强 的对比，就可以计算出尾气中相应气体的含量。
[0013]本实用新型采用谐振积分腔技术，可以使入射光在待测气室反射数百次，增加有 效测量光程数百倍，从而可以在小体积的情况下，更加精确地计算汽车尾气中CO、CH、NOx 等气体成分的含量。本实用新型采用谐振积分腔技术，将测量光源准直后，入射待测气室， 入射光在腔内谐振，数百次透过待测气体后，到达接收传感器，然后对传感器接收到的光， 进行能量分析，计算出待测气体对每种波长光的吸收度，从而可以更加精确地推算出待测 汽车尾气中的各种气体组分的含量。
[0014]本实用新型的有益效果为：
[0015]本实用新型通过采用谐振积分腔技术，测量光在积分腔内进行多次往返震荡，从 而使有效测量光程延长数百倍，从而提高尾气成分的测量精度和灵敏度，也可以大大降低 尾气分析仪的体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型实施例的结构组成框图；
[0017] 图2为本实用新型中入射光在平凹反射镜的光斑示意图。
【具体实施方式】
[0018] 以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0019] 参见图1，本实用新型实施例设有样气前处理装置1、谐振积分腔3、红外LED光源 5、第I ro传感器8、第2 ro传感器11、LED驱动电路9和信号处理电路10。
[0020] 所述样气前处理装置1的样气输入口外接汽车尾气样品出口 M，所述谐振积分腔 3设有进气口 2和出气口 4,样气前处理装置1的尾气出口经进气口 2进入谐振积分腔3， 所述谐振积分腔3设有红外光入射孔33和红外光出射孔34,红外LED光源5发出的红外 光通过准直镜6形成平行光，平行光再经分光片7后一路由红外光入射孔33入射谐振积分 腔3内，另一路入射到第I 传感器8的光敏面上，第I ro传感器8接收到入射光后，产 生对应的光生电流，并由第I I-V转换电路14将光生电流转换成电压信号，第I I-V转换 电路14的电压信号输出端接转换开关13的第2输入端；转换开关13的输出端接信号采集 电路10的输入端，信号采集电路10的输出端接LED驱动电路9的输入端，LED驱动电路9 的输出端接红外LED光源5,所述LED驱动电路9用于控制红外LED光源5, LED驱动电路 9与分光片7和第I ro传感器8组成恒功率控制环路，按设定功率输出恒定的功率；谐振 积分腔3内设有前平凹反射镜31和后平凹反射镜32,前平凹反射镜31和后平凹反射镜32 均镀全反膜；红外光进入谐振积分腔3后，进行谐振震荡，途经的气体分子对红外光进行吸 收，从而对入射的红外光进行衰减，最后红外光通过红外光出射孔34,离开谐振积分腔3并 入射到第2 传感器11的光敏面上，第2 传感器11接受到入射光后，产生与光强对应 的光生电流，并由第2 I-V转换电路12将光生电流转换成电压信号，第2 I-V转换电路12 的电压信号输出端接转换开关13的第1输入端。
[0021] 信号处理电路10的输出信号，再数字化，与LED出射光功率比较后，可以计算出光 的总衰减量，总的有效光程可以通过设计仿真直接得出，最后计算出对应气体的浓度。
[0022] 所述前平凹反射镜31和后平凹反射镜32均镀全反膜，可以对红外光进行全反射， 反射率>99%。所述进气口 2上设有进气阀21，所述出气口 4上设有出气阀41。
[0023] 本实用新型通过采用谐振积分腔技术，使光线在谐振腔中往返数百次，从而大大 增加了有效光程，从而可以提高测量分辨率、精确度。同时，可以缩小汽车尾气分析仪的体 积。
[0024] 图2是本实用新型中入射红外光每次照射在平凹反射镜的光斑位置。在光调时， 调整光的入射角，使之穿过两个平凹反射镜Q的中心，然后再略微调偏一点角度，光线就可 以在谐振积分腔中，进行多次反射，光斑G在平凹反射镜Q的位置均稍偏一点，最后到达出 射孔时，离开谐振腔，结束谐振状态。整个谐振过程，红外光在平凹反射镜上的光斑位置，如 图2所示。
[0025] 本实施例是对本实用新型所用的入射光功率测量的说明：LED光源为高效红外或 其他颜色的光源，产生测量光；LED直接产生的光，有一定的发散角，准直镜将LED光整形成 平行光；分光片的作用是将LED产生的光分成2部分，其中大部分透过分光片，继续向前进 入谐振积分腔（气室），小部分在分光片上反射进入ro传感器，用于监测入射光光功率，一 般地，透射率为95%?99%，监测用反射光为1 %?5%。传感器接收到光信号后，产生 光生电流，光生电流经过I-V转换后，变成电压信号，再经过数模转换器后，变成对应的数 字信号。处理器用于读取数模转换器的信号，计算光功率结果并发出指令，调解LED的输出 光功率。从而形成闭环控制链路，输出稳定的入射光功率。
【权利要求】
1. 一种微型红外汽车尾气分析仪，其特征在于设有样气前处理装置、谐振积分腔、红外 LED光源、第1 ro传感器、第2 ro传感器、LED驱动电路和信号处理电路； 所述样气前处理装置的样气输入口外接汽车尾气样品出口，所述谐振积分腔设有进气 口和出气口，样气前处理装置的尾气出口经进气口进入谐振积分腔，所述谐振积分腔设有 红外光入射孔和红外光出射孔，红外LED光源发出的红外光通过准直镜形成平行光，平行 光再经分光片后一路由红外光入射孔入射谐振积分腔内，另一路入射到第1 ro传感器的光 敏面上，第1 ro传感器接收到入射光后，产生对应的光生电流，并由第1 ι-v转换电路将光 生电流转换成电压信号，第1 Ι-ν转换电路的电压信号输出端接转换开关的第2输入端；转 换开关的输出端接信号采集电路的输入端，信号采集电路的输出端接LED驱动电路的输入 端，LED驱动电路的输出端接红外LED光源，所述LED驱动电路用于控制红外LED光源，LED 驱动电路与分光片和第1 ro传感器组成恒功率控制环路，按设定功率输出恒定的功率；谐 振积分腔内设有前平凹反射镜和后平凹反射镜，前平凹反射镜和后平凹反射镜均镀全反 膜；红外光进入谐振积分腔后，进行谐振震荡，途经的气体分子对红外光进行吸收，从而对 入射的红外光进行衰减，最后红外光通过红外光出射孔，离开谐振积分腔并入射到第2 PD 传感器的光敏面上，第2 ro传感器接受到入射光后，产生与光强对应的光生电流，并由第2 Ι-V转换电路将光生电流转换成电压信号，第2 Ι-V转换电路的电压信号输出端接转换开 关的第1输入端。
2. 如权利要求1所述一种微型红外汽车尾气分析仪，其特征在于所述前平凹反射镜和 后平凹反射镜均镀全反膜。
3. 如权利要求1所述一种微型红外汽车尾气分析仪，其特征在于所述进气口上设有进 气阀，所述出气口上设有出气阀。
【文档编号】G01N21/17GK204044057SQ201420471113
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】刘鸿飞 申请人:刘鸿飞