基于非分光紅外法的汽車尾氣檢測裝置的設(shè)計

李 輝， 張 鑫， 簡家文

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，寧波315211)

汽車尾氣中含有數(shù)百種化合物，多數(shù)對人體有害.其中，對人危害最大、含量最多的有CO2、CO、HC化合物、NOx及固體懸浮顆粒物[1].因此，設(shè)計汽車尾氣傳感器、檢測汽車尾氣濃度以及減少有害物質(zhì)的排放成為了環(huán)境保護(hù)中的重要環(huán)節(jié).目前，常用的氣體濃度檢測方法主要有電化學(xué)檢測法、催化燃燒法和紅外檢測法.紅外檢測法基于紅外吸收定律，根據(jù)物理特性的不同，可以分為分光型和非分光型.早在2005年，國家出臺《點燃式發(fā)動機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》，其中，明確規(guī)定對一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏葰怏w濃度的測量采用非分光紅外法[2].

隨著電調(diào)制紅外光源的研制和紅外探測器的發(fā)展，非分光紅外法因具備快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點在氣體分析方面得到普遍應(yīng)用.王學(xué)水等[3]介紹了一種非分光紅外CO2濃度測量儀，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計和核心硬件的實現(xiàn)過程，并且根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)改進(jìn)了濃度計算方法；陳紅巖等[4]根據(jù)非分光紅外法的檢測原理，實現(xiàn)了汽車尾氣中CO、CO2、HC化合物濃度的同時測量，傳感器的相對誤差在±3%以內(nèi)；劉文貞等[5]提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對傳感器陣列信號進(jìn)行回歸分析，模型的仿真絕對誤差在5 %以內(nèi).

針對國內(nèi)汽車尾氣檢測裝置分析組分單一、檢測精度不高、測量模型復(fù)雜等缺陷[6]，文中基于非分光紅外法基本原理，提出了一種新型汽車尾氣檢測裝置的設(shè)計方案，主要出發(fā)點為：①構(gòu)建傳感器測量模型，實現(xiàn)汽車尾氣中3種主要污染氣體CO2、CO和HC化合物濃度信息的同時檢測；②簡化光源驅(qū)動、信號處理等模塊的硬件設(shè)計，提高檢測裝置的測量精度；③通過引入自適應(yīng)支持向量機(jī)優(yōu)化算法，來提高系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性.

1 非分光紅外法檢測原理及測量模型

1.1 紅外檢測原理

光源發(fā)出連續(xù)波長的紅外光，經(jīng)光學(xué)氣室透過待測氣體時，氣體會吸收對應(yīng)波段的紅外光，從而造成入射光強(qiáng)的能量衰減.出射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之間的相互關(guān)系服從Lambert-Beer定律[7]：

I(λ)=I0(λ)e-kcL.

(1)

式中:I是出射光強(qiáng);I0是入射光強(qiáng);k是待測氣體的吸收系數(shù);c是待測氣體濃度;L是氣體吸收的光程.通過檢測入射光強(qiáng)I0(λ)和出射光強(qiáng)I(λ)就可以得到待測氣體的濃度c.

由于受到外部環(huán)境光的干擾，實際測量探測器接收的光強(qiáng)難度較大，選擇的探測器TPS4339有4個光路通道，檢測通道濾光片G1.2、G2.2、G5.1的中心波長分別為4.66 μm(CO氣體吸收峰值為4.65 μm)、4.43 μm(CO2氣體吸收峰值為4.25 μm)、3.46 μm(HC氣體吸收峰值為3.39 μm)，參考通道濾光片G20.3的中心波長為3.93 μm，如圖1所示.

圖1 紅外探測器TPS4339濾光片組的中心波長分布

根據(jù)探測器的輸出電壓和紅外光強(qiáng)成正比，可以得到：

(2)

式中:U0為參考通道的輸出電壓;U為檢測通道的輸出電壓.

結(jié)合式(1)，可得

(3)

通過變換可以求得待測氣體濃度為

(4)

1.2 傳感器測量模型

基于非分光紅外法尾氣檢測裝置主要由光源、氣室、紅外測探器等光路部分和相應(yīng)的電路部分構(gòu)成[8]，傳感器測量模型示意圖如圖2所示.當(dāng)系統(tǒng)工作時，STM32單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的方波驅(qū)動信號控制紅外光源IRL715.紅外光源發(fā)出連續(xù)光譜的紅外光通過氣室，經(jīng)汽車尾氣氣體吸收和濾光片過濾后，照射至熱電堆探測器TPS4339上.根據(jù)照射的紅外光的能量大小，探測器輸出相應(yīng)的熱電勢信號.

圖2 傳感器測量模型示意圖

紅外光源的選擇，原則上要滿足其輻射的光譜范圍覆蓋CO2、CO、HC三種氣體的吸收峰值和參考光路的測量波長.設(shè)計采用德國Perkin Elmer公司的熱輻射型紅外光源IRL715[9].當(dāng)光源的驅(qū)動電流為115 mA時,測量其在不同波長處的透射率，如圖3所示.圖中垂直線表示所選氣體吸收峰值的位置，G編號是PerkinElmer紅外濾光片相應(yīng)的標(biāo)識符.由圖可見，其截止波長大概在5 μm，覆蓋了選用濾光片的中心波長，滿足系統(tǒng)的使用需求.由于紅外探測器對光強(qiáng)變化的敏感特性，所以需對光源IRL715進(jìn)行電調(diào)制.實驗表明，當(dāng)光源供電電壓為5V時，工作在高電平占空比為4∶6的調(diào)制模式下，系統(tǒng)選擇紅外光源的調(diào)制頻率為1/6 Hz，可以最大程度地減少低頻漂移和閃爍噪聲引起的誤差.

圖3 IRL715透射率曲線

為了減少紅外光的損失，光學(xué)氣室材料選用玻璃鍍金，增加氣室的反射性能.同時，結(jié)構(gòu)采用密封的圓筒形設(shè)計，只保留待測氣體進(jìn)出的氣口.在保證紅外光源和探測器安裝的前提下，一般氣室內(nèi)徑取10～30 mm[10].考慮到熱電堆探測器的外徑最大處為10.3 mm以及進(jìn)出氣口大小為6 mm，設(shè)計氣室內(nèi)徑取20 mm、外徑取24 mm.氣室長度選擇的原則是根據(jù)檢測儀器測量濃度范圍，在線性刻度范圍內(nèi)盡量選擇最長的氣室長度.根據(jù)檢測的氣體種類不同，市面上常見的氣室長度大多在7-15 cm之間，設(shè)計選取的氣室長度為12 cm.

紅外探測器采用Perkin Elmer公司生產(chǎn)的TPS4339熱電堆探測器[11]，它是一種低功耗、4通道的紅外傳感器.探測室內(nèi)有4個相互獨立的熱電堆，以2×2的矩陣形式排列在探測器圓心的四周，這4個獨立的熱電堆分別擁有獨立的紅外濾光片，濾光片的中心波長分別為4.66 μm、4.43 μm、3.46 μm、3.93 μm，對應(yīng)CO、CO2、HC氣體吸收峰值和參考濾光片的中心波長[12].圖4是探測器TPS4339的頻率響應(yīng)曲線，由圖可知，當(dāng)接收到的信號頻率小于1 Hz時，探測器的相對信號輸出強(qiáng)度能達(dá)到100%.

圖4 TPS4339頻率響應(yīng)

2 硬件電路設(shè)計

2.1 光源驅(qū)動電路

考慮到光源IRL715的工作電流為115 mA，遠(yuǎn)大于STM32單片機(jī)能提供的電流值，所以，需要外加驅(qū)動電路.文中設(shè)計了MOSFET開關(guān)電路，如圖5所示，通過STM32單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波調(diào)制信號來控制MOS管的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)光源的交替性亮滅.

圖5 光源驅(qū)動電路

為了保證探測器的正常工作，驅(qū)動電路的設(shè)計還應(yīng)滿足光源驅(qū)動電路和探測器信號的隔離.紅外光源的調(diào)制信號為5 V的方波，頻率為1/6 Hz，占空比為66.7%.實驗表明，因為調(diào)制信號需要為光源提供涌流，所以，驅(qū)動信號的最小值為920 mV，并不為零.

2.2 信號處理電路

由于探測器輸出的電勢信號很微弱，只有幾十毫伏，所以，需要對探測器接收到的熱電勢信號進(jìn)行放大、濾波處理以放大有效信號并抑制噪聲干擾.文中采用具有零漂移、低噪聲和高共模抑制比特性的雙路高精密度放大器AD8552作為前置放大器組成前置放大電路.由于探測器輸出四路信號大小比較接近，設(shè)計的信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)相同.圖6為CO通道的信號放大電路的電路圖.

圖6 信號處理電路

經(jīng)過放大和濾波后，使得電壓信號的輸出范圍穩(wěn)定在0-5 V之間，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)將發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)分析數(shù)據(jù)并結(jié)合溫度進(jìn)行自動補(bǔ)償，由此便可得到尾氣的濃度信息.單片機(jī)再將此信息通過串口發(fā)送至PC機(jī)，再由PC機(jī)對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和進(jìn)一步的處理，從而完成尾氣濃度的檢測.

3 軟件及算法設(shè)計

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)程序控制著整個系統(tǒng)的工作流程，主要實現(xiàn)的工作包括系統(tǒng)初始化、信號采集和串口通信.單片機(jī)軟件流程圖如圖7所示，當(dāng)程序開始執(zhí)行時，首先初始化系統(tǒng)的硬件配置以及相應(yīng)的外圍設(shè)備，接下來系統(tǒng)會經(jīng)過5分鐘的預(yù)熱，主要使紅外光源的能量輸出以及探測器輸出信號達(dá)到穩(wěn)定.預(yù)熱結(jié)束后，單片機(jī)接收并讀取相應(yīng)的指令，生成對應(yīng)頻率的紅外光源驅(qū)動信號，控制A/D芯片完成信號的采集，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，完成對氣體濃度的測量.

圖7 單片機(jī)軟件流程圖

3.2 PSO-SVM算法設(shè)計

試驗以設(shè)計的汽車尾氣檢測裝置對含CO2、CO和C3H8三種組分的混合氣體進(jìn)行定量分析.在支持向量機(jī)算法(Support Vector Machines, SVM)的基礎(chǔ)上引入粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行建模修正，模型的輸入因子包括測量電壓、參考電壓以及兩者的對數(shù)比值，輸出因子為汽車尾氣的濃度值，建立的模型如圖8所示.

圖8 基于PSO-SVM的傳感器建模

通過試驗標(biāo)定選擇18組樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，建立SVM模型并將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入到模型中，對模型中的核函數(shù)以及參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化選擇，利用傳感器模型求得對應(yīng)的尾氣濃度值.

4 試驗與結(jié)果

4.1 試驗裝置

試驗裝置的實物圖如圖9所示，主要包括紅外光源IRL715、紅外探測器TPS4339和玻璃鍍金氣室構(gòu)成的傳感器系統(tǒng)部分以及以STM32單片機(jī)作為控制單元的前端信號處理電路構(gòu)成的嵌入式平臺.

圖9 汽車尾氣檢測裝置實物圖

4.2 氣體標(biāo)定試驗

表1 CO2氣體測量結(jié)果

將測量結(jié)果代入PSO-SVM模型進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果如圖10、11所示.

圖10 CO2氣體的PSO-SVM擬合曲線

圖11 CO2氣體的PSO-SVM擬合誤差

由圖10、11可以看出,利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立的模型對CO2進(jìn)行濃度預(yù)測時，模型預(yù)測值和CO2實際濃度值可以很好地吻合，在0～20.1%的量程內(nèi)，相對測量誤差的絕對值小于1%，說明模型精度較高，可應(yīng)用于混合氣體中CO2氣體的回歸預(yù)測.

同樣地，可以得到經(jīng)過PSO-SVM優(yōu)化算法建立的CO、HC氣體模型，模型預(yù)測值和氣體實際濃度值擬合曲線如圖12、13所示.3種氣體的模型測試數(shù)據(jù)仿真結(jié)果如表2所示.

表2 PSO-SVM仿真結(jié)果對比表

圖12 CO氣體的PSO-SVM擬合曲線

圖13 HC氣體的PSO-SVM擬合曲線

4.3 系統(tǒng)精度試驗

為了測試檢測裝置實際測量的精度，根據(jù)氣體標(biāo)定試驗得到的氣體濃度和輸出電壓對數(shù)比值的關(guān)系，對標(biāo)定后的傳感器通入標(biāo)準(zhǔn)混合氣體進(jìn)行測量，試驗測得的氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)濃度的結(jié)果如表3所示.

表3 標(biāo)準(zhǔn)混合氣體的測量結(jié)果

相對誤差δ按照式(5)計算

(5)

式中：Cm是氣體濃度的測量值;Cs是標(biāo)稱值;R是氣體測量量程.其中，CO、CO2和HC的測量量程分別為14.03%、20.1%和7 808×10-6.

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，分別計算了CO、CO2和HC氣體的相對檢測誤差.由表可見，檢測裝置在相同的環(huán)境條件下，具備良好的精度，相對誤差在±2%以內(nèi).

4.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗

檢測裝置的穩(wěn)定性試驗主要通過以下過程實現(xiàn)，向氣室通入濃度5.04%的CO2標(biāo)準(zhǔn)混合氣體，連續(xù)運行3小時.每30分鐘記錄測量得到的氣體濃度，數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 穩(wěn)定度實驗數(shù)據(jù)

穩(wěn)定度δs按照式(6)計算

(6)

式中：Cmax是濃度值中漂移最大的量.計算可得穩(wěn)定度δs=0.35%，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定度滿足基本要求.

5 結(jié) 論

根據(jù)CO2、CO以及HC氣體在不同紅外波段的吸收特性，采用了寬光譜熱輻射光源IRL715和熱電堆探測器TPS4339，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于非分光紅外法的汽車尾氣檢測裝置.以STM32為控制電路的核心處理器，完成了光源驅(qū)動、信號處理等模塊的硬件設(shè)計和單片機(jī)程序的軟件設(shè)計，對四通道探測器輸出的測量電壓和參考電壓進(jìn)行放大和濾波處理后，提取有效的電壓信號并換算成對數(shù)比值.配備18種不同濃度的氣體樣本開展氣體標(biāo)定和誤差試驗，通過引入基于自適應(yīng)粒子群的支持向量機(jī)算法進(jìn)行建模修正.試驗結(jié)果表明：該檢測裝置的相對誤差在±1%以內(nèi).針對多組分混合氣體樣品和CO2標(biāo)準(zhǔn)混合氣體分別展開系統(tǒng)精度試驗和系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗，試驗測得氣體濃度值的相對波動范圍在±2%以內(nèi)，穩(wěn)定度保持在0.35%，在保持較高的測量精度和穩(wěn)定性的同時，大大減少了測量誤差.