非分光红外车辆尾气传感器系统设计

张　坤， 陈　锋

(中国科学技术大学 自动化系,安徽 合肥 230026)



非分光红外车辆尾气传感器系统设计

张坤， 陈锋

(中国科学技术大学 自动化系,安徽 合肥 230026)

摘要:非分光红外(NDIR)是一种利用气体对红外光的选择性吸收原理进行气体浓度检测的方法。利用NDIR分析方法，设计一种车辆尾气检测传感器系统，实现对大气中存在的汽车尾气进行检测与分析。该系统使用多窗口红外传感器组合，采用v支持向量回归进行传感器建模。实验结果证明：该检测系统具有测量精度高、稳定性好和便于携带的特点，能够满足车辆尾气测量分析的需求。

关键词：车辆尾气； 非分光红外； 支持向量回归； 红外传感器

0引言

机动车尾气的检测方法很多，常见的有电化学法、催化燃烧法[1]和光学检测法等。电化学方法是利用尾气与传感器内的化学物质反应产生微电流，通过测量电流值来推算气体浓度，但高浓度尾气可能会使传感器中毒[2]，抑制传感器活性。催化燃烧法是利用金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度，但是对非可燃气体没有反应，只能测量可燃气体的浓度。光学方法有可调谐二极管激光吸收光谱[3](tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)法和非分光红外(non-dispersed infrared，NDIR)检测法。可调谐激光器调制光谱技术是用单一窄带的激光扫描气体分子的特征吸收线获得被测气体的吸收光谱，从而实现对目标气体进行定性或者定量分析。中国科学院安徽光学精密机械研究所采用波长调制技术和激光分束技术[4]，实现了对空气中多种气体浓度的检测。这种方法测量精度很高，但由于设备贵重且对电源、安装、工作环境等要求很高，因此,不适合作为无人值守的在线检测传感器。

由于上述传感器存在的局限性，需要一种可以在恶劣环境下工作，寿命长，精度高的气体传感器。基于NDIR检测法的传感器具有寿命长，受工作环境的影响小，能够达到较高的检测精度[5]。通过选择不同中心波长的滤光片，可以测量多种气体的浓度。

本文深入研究了NDIR检测原理，设计整套系统并进行实验，利用v支持向量回归(v-support vector regression，v-SVR)构建传感器模型，将测量结果与理论推导相比较，并对结果进行分析。

1相关原理概述

图1　红外吸收示意图Fig 1　Schematic diagram of infrared absorption

从公式可以看出，浓度与输入输出光强比值的对数呈正比，给定输入光强并对输出进行分析，可以得到气体的浓度。不同的气体对不同波长的红外光的吸收能力也不同。各种气体都会对某种特定波长的红外光敏感，在特定波长的红外光的照射下，其ε较大，吸收光的能力也较强，对其他波长的光吸收能力则很弱。这种特性称为气体对红外光的选择性吸收特性，该波长称为气体的吸收峰[7]。

2基于NDIR的尾气检测传感器设计

NDIR尾气检测系统是光电一体化的仪器，主要部件包括电源、光源发生装置、气室、光强信号提取的调理电路以及数据处理的核心板。系统总体构成如图2所示。

图2　系统结构框图Fig 2　Block diagram of system structure

2.1光源

红外光源常用的有激光红外光源和热辐射红外光源，激光光源利用受激发射原理产生红外光，具有辐射强度高，方向性强等优点。但是需要专门的电源与控温措施，功耗大。因此，当对辐射光强要求不高时，可选用热辐射红外光源。本文采用EMIRS200中红外光源，是一种黑体辐射源。相比白炽灯，在同一温度下，辐射功率密度更大。其发光波长段可达0～20 μm，覆盖了待测尾气的敏感波长，符合使用需求。为了抑制来自环境光的干扰，对光源进行低频方波调制，从而使后续探测器检测时，可以交替得到“光源加背景光”的信号和“背景光”的信号。其信号差为光源产生的信号。

2.2气室

由朗伯—比尔定理，理论上光程长度b越大测量分辨率越高。实际测量时，由于粉尘干扰、空气流动、水汽吸收等影响，红外光从光源发出后，红外光的光强衰减速度比理论值要快得多。如果光程长度太短，则系统的灵敏度和分辨率太低；如果光程长度太长，光源发出的红外光会在气室中大量衰减，导致接收端测得的光强太弱，降低系统的准确性。因此，在权衡折中后混合尾气分析时使用光程长度为10.0～20.0 cm的大容量气室。气室由腔体、进气口、出气口和窗口组成。

气室主要起避光作用和减少自然光对热释电探测器的影响。外界空气通过进气阀门进入，通过出气口排出，以减小空气流动和粉尘对测量结果的影响。

2.3噪声抑制方法

热释电探测器主要负责对红外光的接收，并将接收到的红外光强度信号转变为电压信号。测量过程中，由于电源和光路的不稳定、运算放大器的噪声、以及环境的变化都会产生噪声，本文采用差分检测技术降低噪声干扰。其基本思想为光源发出红外光后分成两路，其中一路为与待测尾气吸收峰波长相同的红外光，在通过气室后会被尾气吸收从而产生光强衰减，作为测量信号；另一路为远离待测气体吸收峰波长的红外光，经过气室后光强衰减很小，作为参比信号。由于两路通道处在几乎相同的条件下，各种噪声对测量信号和参比信号上产生的影响几乎是相同的，对比测量信号与参比信号，可对测量结果进行校正。

本文选择双波长单光路法实现气体浓度的差分吸收检测。热释电探测器的窗口上为波长不同的窄带滤光片，一种为参比波长，其他为待测尾气敏感波长，窄带滤光片的作用为仅允许特定波长的红外光透过，这样热释电探测器的每个通道就只测量单一波长的光强，实现单光路多波长的效果。其结构框图如图3所示。

图3　机械结构示意图Fig 3　Mechanical structure diagram

3实验与结果

3.1基于v-SVR的传感器建模

本文采用v-SVR算法进行红外气体传感器建模，模型如图4所示，输入因子包括测量通道电压值、参比通道电压值、测量通道电压值和参比通道电压值对数的比值；输出因子为尾气浓度值。本文首先通过实验标定得到训练数据，然后将训练数据输入模型中，选择合适的核函数以及参数，得到拟合误差较好的v-SVR模型。最后利用所得模型，求出尾气浓度值。

图4　基于v-SVR的红外气体传感器模型Fig 4　Infrared gas sensor model based on v-SVR

3.2实验数据收集

本文测试不同浓度的尾气，测量红外传感器的输出电压，测量结果如表1。

表1　测量结果

3.3实验数据处理

图5　v-SVR拟合曲线Fig 5　v-SVR fitting curve

图6　v-SVR拟合误差Fig6　v-SVR fitting error

相关系数r2=

对比线性拟合结果如表2。

表2　拟合误差比较

实验结果显示：采用v-SVR对传感器进行建模可以提高其测量精度。

4结束语

为了实现车辆尾气的现场监测，本文研发了一种NDIR车辆尾气检测传感器系统，该传感器系统可以检测CO，CO2，HC的浓度，具有实时检测和体积小等特点。利用v-SVR进行传感器的建模。实验结果表明:本文研发的传感器具有较高的检测精度和稳定性。

参考文献:

[1]Hernández-Giménez A M,Lozano-Castelló D,Bueno-López A.Effect of CO2,H2O and SO2in the ceria-catalyzed combustion of soot under simulated diesel exhaust conditions[J].Applied Catalysis B:Environmental,2014,148:406-414.

[2]张志刚,郑益慧,张志丰,等.抗中毒载体催化传感器的研究[J].上海交通大学学报,2003,37(9):1484-1487.

[3]Werle P,Mücke R,Slemr F.The limits of signal averaging in atmospheric trace-gas monitoring by tunable diode-laser absorption spectroscopy(TDLAS)[J].Applied Physics B,1993,57(2):131-139.

[4]宋雪梅,刘建国,张玉钧,等.可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量[J].光谱学与光谱分析,2011,31(1):184-187.

[5]Frodl R,Tille T.A high-precision NDIR gas sensor for automotive applications[J].Sensors Journal,IEEE,2006,6(6):1697-1705.

[6]石晓光,宦克为,高兰兰.红外物理[M].杭州:浙江大学出版社,2012:31-34.

[7]Chen C,Wang B,Li J.A trace gas sensor using mid-infrared quantum cascaded laser at 4.8 μm to detect carbon mono-xide[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34(3):838-842.

Design of non-dispersive infrared sensor system for detection of vehicle exhaust

ZHANG Kun, CHEN Feng

(Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Abstract:Non-dispersive infrared(NDIR)is a kind of detection methods for gas concentration based on the principle that gas selectively absorbs infrared light.NDIR method is used to develop a sensor system for detection of vehicle exhaust under air environment.In this sensor system, multi-window infrared sensors are integrated,and v-support vector regression(v-SVR)is introduced for sensor modeling.The experimental results show that this sensor system has the characteristics including high measurement precision, high stability,and portable,which can meet the demands of measurement and analysis of vehicle exhaust.

Key words:vehicle exhaust; non-dispersive infrared(NDIR); support vector regression(SVR); infrared sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0130—03

收稿日期：2015—05—19

中图分类号：TP 212.6

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0130—03

作者简介:

张坤(1990-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向为新型传感器、模式识别技术等。