一種車載式機動車尾氣中氧氣濃度的激光檢測系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及借助于測定材料的化學或物理性質來測試材料，具體涉及利用激光光 譜檢測氣體濃度。
【背景技術】
[0002] 當前大氣污染問題日益嚴重，隨著我國機動車保有量的不斷增加，機動車尾氣排 放量也不斷，機動車尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等成為大氣氣態污染物的主 要來源。氧氣是機動車內燃機燃燒過程的助燃劑，通過對機動車尾氣中的氧氣濃度進行實 時檢測，可以對機動車內燃機燃燒過程進行診斷，優化器燃燒過程，減少氣態污染物的排放 水平。
[0003] 現有機動車尾氣中氧氣濃度的檢測系統主要有：采用氧化鋯探測器的檢測系統和 采用道路邊激光遙測系統。采用氧化鋯探測器的檢測系統的探測器壽命短，而且容易受灰 塵、溫度等因素影響，檢測精度不高；采用道路邊激光遙測系統不能檢測實際車況、路況下 的氧氣水平，且易受環境空氣中的氧氣的影響，兩種方法均不能精確反映尾氣中氧氣濃度 的變化。
[0004]
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種機動車尾氣中氧氣濃度的激光檢測系統， 該系統工作穩定，而且不需要建立校準譜即可實現機動車尾氣氧氣濃度的實時檢測。
[0006] 本發明解決上述問題的技術方案如下：
[0007] -種車載式機動車尾氣中氧氣濃度的激光檢測系統，該激光檢測系統包括光學吸 收池和可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置，其中，所述的可調諧半導體激光吸收光譜檢 測裝置包括半導體激光器、光電探測器和溫度傳感器；其特征在于：
[0008] 所述的光學吸收池為漫反射光學吸收池，該漫反射光學吸收池包括一圓柱形的吸 收池，所述吸收池的一頭設有漫反射鏡，另一頭設有聚焦透鏡和窗口鏡；其中，所述的漫反 射鏡具有一球冠狀的凹面，該凹面上鍍有陽極氧化鋁顆粒形成漫反射膜；所述的窗口鏡傾 斜安裝在漫反射光學吸收池的端蓋上，其折射的光束指向漫反射鏡的凹面；所述的窗口鏡 外側設有光纖法蘭，并通過光纖與可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置中的半導體激光器 連接；所述的可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置中的光電探測器設在聚焦透鏡的外側； 所述的溫度傳感器設在漫反射光學吸收池中；
[0009] 所述激光檢測系統檢測機動車尾氣中氧氣濃度的方法包括以下步驟：
[0010] 所述的可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置輸出中心波長761nm的激光束通過 光纖傳輸至光纖法蘭，穿過窗口鏡射入漫反射池；在漫反射池內，激光束由漫反射鏡漫反射 至聚焦透鏡聚焦后經光電探測器送入可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置將直流分量對 二次諧波信號進行光強歸一化處理，得到光強歸一化后的二次諧波信號序列；然后，
[0011] 1)在已知濃度、壓力和參考溫度條件下對所述的激光檢測系統進行校準，從而獲 取參考溫度下的氧氣吸收系數a。(T。）和有效光程L ;
[0012] 2)根據洛侖茲線型構造如下式II)所示的二次諧波信號序列y2f⑴的擬合函數 模型：
[0013]
[0014]
[0015] 式II)中，C為氧氣濃度，S2(V，m)為二次諧波信號的洛倫茲線型表達式，y。為二次 諧波信號的基線偏移量，i為二次諧波信號序列的采樣位置，ic為二次諧波信號序列y 2f(i) 的中心位置，△ X為相鄰兩次采樣之間的波長間距，m為二倍頻調制系數；
[0016] 3)采用Levenberg-Marquardt迭代算法對式II)所示擬合函數模型進行最小二乘 擬合，從而得到擬合后的二次諧波信號序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中 各參數初值的確定方法如下：
[0017] y。的初值為二次諧波信號序列y 2f(i)各采樣點信號的平均值；
[0018] i。的初值為二次諧波信號序列y 2f (i)中最大值Yniax所對應的采樣位置；
[0019] Δ X的初值、m的初值、C的初值按下述步驟獲得：
[0020] A)計算二次諧波信號序列y2f⑴中最大值Yniax與最小值Y _之比R ;
[0021] B)根據DSP微處理器中預設的R值與m為二倍頻調制系數理論值曲線，獲得m的 初值；
[0022] C)計算二次諧波信號序列y2f⑴中兩個過零采樣點的間隔數iz ;
[0023] D)根據DSP微處理器中預設的R值與二次諧波信號過零點的波長間距理論值xz 曲線按下式III)計算a X的初值：
[0024]
[0025] E)根據m的初值、二次諧波信號序列y2f⑴中最大值Yniax按下式IV )計算獲得C 的初值：
[0026] CN 105158206 A ~P 3/6 頁
[0028] 4)根據漫反射光學吸收池內溫度傳感器獲得的氣體溫度T按下式V )對擬合后的 二次諧波信號序列進行溫度修正，并直接計算出機動車尾氣中氧氣濃度Cra":
[0027]
[0029]
[0030] 式V )中，Cmw為最小二乘擬合得到的初始氧氣濃度，為溫度修正因子，并 根據下式VI)獲得：
[0031]
[0032] 式VI)中，E"為氧氣分子低態能級，Q(T)為氧氣分子總配分函數，Q(TO)為參考 溫度下的氧氣分子總配分函數，kB為玻爾茲曼常數，Tl為譜線展寬的溫度依賴系數常數。
[0033] 上述方案中，所述的漫反射膜的表面粗糙度優選為1-2 μπι。
[0034] 相較于現有技術，本發明的優點效果在于：
[0035] 1)由于本發明所述的激光檢測系統用所述的漫反射光學吸收池取代了現有技術 所使用的多次反射池，尤其是將池內的漫反射鏡的反射面設計成球冠狀的凹面，并在凹面 內鍍有陽極氧化鋁顆粒形成漫反射膜，因此當平行的激光束入射到反射面后就會變換為無 規則的漫反射，顯著增加了激光的反射路徑，并在其球冠狀的凹面作用下聚集到聚焦透鏡 上，再聚焦于光電探測器上，明顯改善了現有技術容易產生激光對準失調的不足。
[0036] 2)本發明先采用L-M算法對所述的擬合函數模型進行最小二乘擬合，再對擬合后 的二次諧波信號序列進行溫度修正，直接計算出機動車尾氣中氧氣濃度，不僅省去了現有 方法預先測量標準譜線的繁鎖步驟，而且排除了獲取檢測光譜與獲取準標準光譜的條件不 一致的缺點，顯著提高了檢測結果的準確性。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發明所述的激光檢測系統的一個具體實施例的原理圖。
[0038] 圖2和圖3為本發明所述的激光檢測系統中漫反射光學吸收池的一個具體實施例 的結構示意圖，其中，圖2為主視圖，圖3為左視圖；圖中的虛線箭頭表示窗口鏡的折射光 束。
[0039] 圖4采用圖1所示激光檢測系統檢測機動車尾氣中氧氣濃度的流程圖。
【具體實施方式】
[0040] 參見圖1，本發明所述的激光系統包括漫反射光學吸收池1和可調諧半導體激光 吸收光譜檢測裝置2。
[0041] 參見圖1，可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置2由半導體激光器3、驅動半導體 激光器3的溫度與電流的控制器4、產生調制信號與倍頻信號的信號發生器5、光電探測器 6、光電探測器信號濾波放大的前置放大電路7、提取二次諧波信號的鎖相放大器8和對前 置放大電路7輸出的直流信號、鎖相放大器8輸出的二次諧波信號和溫度傳感器9輸出的 溫度信號進行處理的DSP微處理器10組成。
[0042] 參見圖2和圖3,漫反射光學吸收池的吸收池11為圓柱形，其進氣口 12和出氣口 13分別設在接近吸收池11左右兩端的上下兩側；左端蓋14上設有漫反射鏡15,右端蓋16 上設有聚焦透鏡17和窗口鏡18。漫反射鏡15具有一球冠狀的凹面19,該凹面19上鍍有 陽極氧化鋁顆粒形成表面粗糙度為1. 5 μ m漫反射膜20。窗口鏡18傾斜安裝在漫反射光學 吸收池的右端蓋16上，其折射的光束指向漫反射鏡15的凹面19。漫反射膜的表面糙度優 選為1-2 μ m
[0043] 參見圖2并結合圖1，吸收池11的窗口鏡18的外側設有光纖法蘭21，并通過光纖 22與可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置2中的半導體激光器3連接；所述的可調諧半導 體激光吸收光譜檢測裝置2中的光電探測器6設在聚焦透鏡17的外側；所述的溫度傳感器 9設在漫反射光學吸收池1中。
[0044] 參見圖4并結合圖1和圖2,上述激光檢測系統檢測機動車尾氣中氧氣濃度的方法 如下：
[0045] 所述的可調諧半導體激光吸