專利名稱：一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于汽車尾氣排放檢測技術領域，尤其涉及一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統和方法。
背景技術：
隨著我國經濟的快速發展，汽車保有量持續增長，汽車排放的有害廢氣污染已成為我國城市大氣污染的主要來源之一。根據環保部門的統計，城市空氣污染中20%的CO2,6(T70%的CO，40%的NOx和70%的HC來自于汽車尾氣。例如，北京市和廣州市汽車排放污 染物在環境空氣中的比率，一氧化碳(CO)占80%以上，氮氧化物(NOx)占40%以上。為控制汽車尾氣污染物排放，世界各國和地區都先后制定了限制汽車廢氣排放的法律法規。我國自2007年7月開始實施相當于歐洲III號法規的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國III，IV階段)》排放標準。但是，與發達國家相比，我國汽車尾氣的排放現狀依然不容樂觀汽車排放污染管理起步較晚；重點城市的汽車尾氣造成的污染狀況非常嚴重；車輛上與排放相關的組件非常欠缺。為了改善城市環境空氣質量，削減和控制汽車尾氣的排放污染己經刻不容緩。我國現行的汽車尾氣的監測方法主要有工況法和怠速法。目前，這兩種方法都主要在汽車生產廠的實驗測試平臺上或者車輛年檢場所中才能完成測試，而對于在行駛過程中的汽車的尾氣排放過程卻無法實現實時監測。實際行駛過程中，汽車的尾氣排放不僅取決于汽車本身的構造，還取決于汽車所使用的燃料組成、負載、駕駛方式和交通的擁擠程度等諸多因素。汽車尾氣遙感監測技術是一種先進的汽車尾氣監測技術，它能夠在汽車正常行駛情況下對汽車尾氣的瞬時排放實現監測，識別排放不達標的污染車輛，為城市汽車尾氣污染的監測和控制提供了有效手段，因而有著巨大的社會需求受到廣泛的研究和關注。傳統的汽車尾氣的遙感監測方法主要是對于CO2, CO和HC檢測的非分光紅外法。排放污染物檢測條件多是在怠速條件下，無法反映汽車在行駛條件下的有害尾氣排放的特性和尾氣在空氣中可能形成的光化學反應。現有技術的汽車尾氣檢測裝置如專利號為CN2440208Y的“一種多怠速機動車尾氣檢測裝置”需要將軟管連接到汽車尾氣管口上才能進行尾氣中CO和HC的檢測分析。專利號為CN1412541A的“對汽車尾氣進行實時檢測用的紅外激光檢測系統和方法”所使用的是一種非分光紅外分析儀，它沒有光譜分辨率，且檢測的尾氣種類較為單一，只能檢測CO和HC的濃度。從單一的CO和HC濃度的檢測發展到C0、C02、HC、N0x、NHdP SOx等多種成分的檢測是當前汽車尾氣遙感檢測的方向。目前，汽車尾氣遙感檢測技術在美國、加拿大、澳大利亞、瑞典、巴西、新加坡和印度等許多國家都在積極研制過程中。量子級聯激光器，開創了利用寬帶隙材料研制中遠紅外半導體激光器的先河，是半導體激光理論的里程碑，正成為世界各國爭相追蹤的前沿技術。量子級聯激光器具有單色性好、量子效率高、溫度穩定性好、波長設計靈活、固有響應速度快等優點。量子級聯激光器在氣體檢測方面有著廣闊的應用前景，尤其是在低濃度氣體、大氣痕量氣體檢測方面，量子級聯激光器有著傳統半導體激光器無可比擬的優勢，可廣泛應用于煤礦瓦斯氣體高靈敏度檢測、汽車尾氣和工業廢氣檢測。
發明內容本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統，實現對道路上行駛汽車排放尾氣的遙感檢測。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案如下本實用新型包括任意函數發生器、電流脈沖驅動模塊、量子級聯激光器、聚乙烯準直聚焦透鏡、分光鏡、斬波器、熱釋電傳感器模塊、鍍金直角反射鏡、鎖相放大器、計算機；任意函數發生器產生的電壓信號輸入到電流脈沖驅動模塊，再由電流脈沖驅動模 塊產生電流脈沖驅動量子級聯激光器，量子級聯激光器在電流脈沖的驅動下發射出幅值調制的中遠紅外激光，中遠紅外激光通過聚乙烯準直聚焦透鏡準直平行出射，平行的中遠紅外激光經過分光鏡分成參考光路和探測光路，參考光路的中遠紅外激光經過斬波器調制后由參考光路的熱釋電傳感器模塊探測，探測光路的中遠紅外激光穿過行駛中的汽車尾氣排放區域由鍍金直角反射鏡反射，反射后的中遠紅外激光經過斬波器、聚乙烯準直聚焦透鏡后由探測光路的熱釋電傳感器模塊檢測；探測光路的熱釋電傳感器模塊、參考光路的熱釋電傳感器模塊和任意函數發生器的正弦波信號分量分別輸入鎖相放大器內做相關運算，鎖相放大器將結果輸出到計算機；計算機將參考光路的熱釋電傳感器模塊的相關運算輸出值和探測光路的熱釋電傳感器模塊的相關運算輸出值做相減運算，并對計算結果進行數據的處理和光譜的分析，最終得到汽車尾氣的測量結果。所述的分光鏡設置在聚乙烯準直聚焦透鏡正前方，且與聚乙烯準直聚焦透鏡準直平行出射的光線成45° ;所述的任意函數發生器產生三種信號分別是矩形脈沖信號、鋸齒波信號和正弦波信號，在任意函數發生器內部將這三種電壓信號疊加后輸入電流脈沖驅動模塊，電流脈沖驅動模塊通過電壓電流轉換后輸出經過調制的電流信號來驅動量子級聯激光器，任意函數發生器在輸出疊加信號到電流脈沖驅動模塊的同時將疊加信號中的正弦波信號分量輸入到鎖相放大器進行信號的相關運算，鎖相放大器連接到計算機。所述的熱釋電傳感器模塊包括熱釋電傳感器、電阻、濾波電容；熱釋電傳感器的I腳同時接直流電壓VCC和濾波電容的一端，2腳接電阻的一端，3腳和電阻的另一端同時接地，濾波電容的另一端與鎖相放大器相連接；經過濾波電容后的交流信號輸入鎖相放大器，同時鎖相放大器輸出的正弦交流信號驅動斬波器以一定的頻率轉動，鎖相放大器連接到計算機；聚乙烯準直聚焦透鏡和斬波器放置在熱釋電傳感器模塊正前方。本實用新型有益效果如下第一，本實用新型使用任意函數發生器產生的電壓信號驅動量子級聯激光器，量子級聯激光器發射出不同波長的中遠紅外激光。通過改變電壓信號中鋸齒波信號的重復頻率和幅值可以得到掃描速度很快的光譜掃頻信號，從而快速得到光譜測量結果。由于一次測量的速度較快，因此基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統能夠在汽車中速和低速的行駛過程中，在不干擾汽車正常行駛的條件下采用非接觸的方式測量得到汽車尾氣濃度數據。[0015]第二，量子級聯激光器能夠發射出波長能夠大范圍調節的中遠紅外激光，由于發射出的激光頻譜覆蓋范圍廣，因此可以測量的氣體種類較多，能夠在一次測量過程完成對CO、CO2、NO、NO2、NH3和SO2等氣體的濃度監測。由于只需要一個量子級聯激光器作為光譜輻射源，因此基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統結構非常簡單緊湊。同時由于中遠紅外激光對于汽車尾氣成分非常高的靈敏度，因此能夠實現汽車尾氣成分靈敏的檢測。第三，本實用新型可以根據道路實際情況靈活設置在寬度不同的道路兩邊。調整放置在道路一邊的鍍金直角反射鏡的角度，使得量子級聯激光器發出的中遠紅外激光平行反射回來被熱釋電傳感器模塊探測接收。所采用的光譜原始數據處理方法，能夠通過模糊函數隸屬度判斷和人工神經網絡等人工智能算法實現對復雜路況和車輛尾氣排放情況下的數據處理和分析。
圖I是本實用新型結構示意圖；·[0019]圖2是量子級聯激光器驅動電路結構示意圖；圖3是熱釋電傳感器模塊檢測電路結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。如圖I所示，一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統，包括任意函數發生器I、電流脈沖驅動模塊2、量子級聯激光器3、聚乙烯準直聚焦透鏡4、分光鏡5、斬波器
6、熱釋電傳感器模塊7、鍍金直角反射鏡8、鎖相放大器9、計算機10 ；任意函數發生器I產生的電壓信號輸入到電流脈沖驅動模塊2，再由電流脈沖驅動模塊2產生電流脈沖驅動量子級聯激光器3，量子級聯激光器3在電流脈沖的驅動下發射出幅值調制的中遠紅外激光，中遠紅外激光通過聚乙烯準直聚焦透鏡4準直平行出射，平行的中遠紅外激光經過分光鏡5分成參考光路和探測光路，參考光路的中遠紅外激光經過斬波器6調制后由參考光路的熱釋電傳感器模塊7探測，探測光路的中遠紅外激光穿過行駛中的汽車尾氣排放區域由鍍金直角反射鏡8反射，反射后的中遠紅外激光經過斬波器6、聚乙烯準直聚焦透鏡4后由探測光路的熱釋電傳感器模塊7檢測。探測光路的熱釋電傳感器模塊7、參考光路的熱釋電傳感器模塊7和任意函數發生器I的正弦波信號分量分別輸入鎖相放大器9內做相關運算，鎖相放大器9將結果輸出到計算機10。計算機10將參考光路的熱釋電傳感器模塊7的相關運算輸出值和探測光路的熱釋電傳感器模塊7的相關運算輸出值做相減運算，并對計算結果進行數據的處理和光譜的分析，最終得到汽車尾氣的測量結果。所述的分光鏡5設置在聚乙烯準直聚焦透鏡4正前方，且與聚乙烯準直聚焦透鏡4準直平行出射的光線成45° ;如圖2所示，任意函數發生器I產生的電壓信號由計算機控制，且產生三種信號分別是矩形脈沖信號、鋸齒波信號和正弦波信號；首先，矩形脈沖使量子級聯激光器工作在脈沖狀態下，這樣能夠保證激光器的工作溫度不會太高；其次，鋸齒波使得量子級聯激光器的輸出波長受到調制，量子級聯激光器輸出的中遠紅外的波長變化范圍和矩形波的幅值成正比；最后，正弦波對輸出的中遠紅外激光進行正弦調制，使得激光能夠通過相關探測的方法探測其光強，從而提高探測的信噪比和靈敏度；在任意函數發生器I內部將這三種信號疊加后輸入電流脈沖驅動模塊2，電流脈沖驅動模塊2通過電壓電流轉換后輸出經過調制的電流信號來驅動量子級聯激光器3，任意函數發生器I在輸出疊加信號到電流脈沖驅動模塊2的同時將疊加信號中的正弦波信號分量輸入到鎖相放大器9進行信號的相關運算，鎖相放大器連接到計算機10。如圖3所示，熱釋電傳感器模塊7包括熱釋電傳感器13、電阻12、濾波電容11 ;熱釋電傳感器13的I腳同時接直流電壓VCC和濾波電容11的一端，2腳接電阻12的一端，3腳和電阻12的另一端同時接地，濾波電容11的另一端與鎖相放大器9相連接；經過濾波電容11后的交流信號輸入鎖相放大器9,同時鎖相放大器9輸出的正弦交流信號驅動斬波器6以一定的頻率轉動，鎖相放大器9連接到計算機10 ;聚乙烯準直聚焦透鏡4和斬波器6放置在熱釋電傳感器模塊7正前方。·
權利要求1.一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統，包括任意函數發生器(I)、電流脈沖驅動模塊(2)、量子級聯激光器(3)、聚乙烯準直聚焦透鏡(4)、分光鏡(5)、斬波器(6)、熱釋電傳感器模塊(7)、鍍金直角反射鏡(8)、鎖相放大器(9)、計算機(10)； 任意函數發生器(I)產生的電壓信號輸入到電流脈沖驅動模塊(2)，再由電流脈沖驅動模塊(2 )產生電流脈沖驅動量子級聯激光器(3 )，量子級聯激光器(3 )在電流脈沖的驅動下發射出幅值調制的中遠紅外激光，中遠紅外激光通過聚乙烯準直聚焦透鏡(4)準直平行出射，平行的中遠紅外激光經過分光鏡(5)分成參考光路和探測光路，參考光路的中遠紅外激光經過斬波器(6)調制后由參考光路的熱釋電傳感器模塊(7)探測，探測光路的中遠紅外激光穿過行駛中的汽車尾氣排放區域由鍍金直角反射鏡(8)反射，反射后的中遠紅外激光經過斬波器(6)、聚乙烯準直聚焦透鏡(4)后由探測光路的熱釋電傳感器模塊(7)檢測；探測光路的熱釋電傳感器模塊(7)、參考光路的熱釋電傳感器模塊(7)和任意函數發生器(I)的正弦波信號分量分別輸入鎖相放大器(9)內做相關運算，鎖相放大器(9)將結果輸出到計算機(10);計算機(10)將參考光路的熱釋電傳感器模塊(7)的相關運算輸出值和探測光路的熱釋電傳感器模塊(7)的相關運算輸出值做相減運算，并對計算結果進行數據的處理和光譜的分析，最終得到汽車尾氣的測量結果； 所述的分光鏡(5)設置在聚乙烯準直聚焦透鏡(4)正前方，且與聚乙烯準直聚焦透鏡(4)準直平行出射的光線成45° ; 所述的任意函數發生器(I)產生三種信號分別是矩形脈沖信號、鋸齒波信號和正弦波信號，在任意函數發生器(I)內部將這三種電壓信號疊加后輸入電流脈沖驅動模塊(2)，電流脈沖驅動模塊(2 )通過電壓電流轉換后輸出經過調制的電流信號來驅動量子級聯激光器(3)，任意函數發生器(I)在輸出疊加信號到電流脈沖驅動模塊(2)的同時將疊加信號中的正弦波信號分量輸入到鎖相放大器(9)進行信號的相關運算，鎖相放大器連接到計算機(10)； 所述的熱釋電傳感器模塊(7)包括熱釋電傳感器(13)、電阻(12)、濾波電容(11);熱釋電傳感器(13)的I腳同時接直流電壓VCC和濾波電容(11)的一端，2腳接電阻(12)的一端，3腳和電阻(12)的另一端同時接地，濾波電容(11)的另一端與鎖相放大器(9)相連接；經過濾波電容(11)后的交流信號輸入鎖相放大器(9)，同時鎖相放大器(9)輸出的正弦交流信號驅動斬波器(6)以一定的頻率轉動，鎖相放大器(9)連接到計算機(10);聚乙烯準直聚焦透鏡(4 )和斬波器(6 )放置在熱釋電傳感器模塊(7 )正前方。
專利摘要本實用新型公開了一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統。本實用新型中任意函數發生器產生的信號輸入激光器電流脈沖驅動模塊，量子級聯激光器在激光器電流脈沖驅動模塊的驅動下產生中紅外或遠紅外的激光，中紅外至遠紅外經過汽車尾氣排放區域后通過斬波器得到調制信號，熱釋電傳感器模塊探測經過調制的中紅外或遠紅外的激光信號，同時熱釋電傳感器將探測得到的信號輸入鎖相放大器運算，鎖相放大器的輸出數據到計算機，計算機通過數據處理分析方法將汽車尾氣中不同排放產物的含量計算出來。
文檔編號G01N21/35GK202794027SQ20122041256
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者劉亦安, 王玲, 吳開華 申請人:杭州電子科技大學