在分析我國機動車尾氣檢測技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了對尾氣檢測核心模塊、尾氣分析光學平臺、轉(zhuǎn)速RPM 模塊開發(fā)的必要性。通過采用新型的光機電一體化紅外分析技術(shù)，配合嵌入式軟硬件系統(tǒng)，開發(fā)了一體化的尾氣檢測光學平臺。基于振動和噪聲分析原理和DSP 信號分析處理技術(shù)，開發(fā)成功新型的轉(zhuǎn)速傳感器。以上兩個尾氣檢測配套模的國產(chǎn)化開發(fā)，大大減少了我國對國外核心部件的依耐性，將進一步推動我國汽車檢測維修技術(shù)的發(fā)展。

　　前言

　　近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和汽車保有量的飛速增加，汽車排放污染已經(jīng)成為主要污染源之一，特別是在一些大型城市，機動車排放污染已經(jīng)成為首要污染，治理汽車尾氣的呼聲日益強烈。我國現(xiàn)行的在用車排放標準為怠速法。由于只規(guī)定測量HC、CO的排放濃度，已經(jīng)無法適應(yīng)當前汽車技術(shù)以及環(huán)保要求的需要。1999年國家環(huán)�？偩珠_始要求對安裝了閉環(huán)控制和三元催化凈化系統(tǒng)的車輛尾氣測量采用雙怠速法進行，并逐步推行簡易工況法。2003年北京開始推行簡易工況法。2005年7月1日有關(guān)汽車排氣污染物排放限值及測量方法GB18285-2005發(fā)布，規(guī)定了雙怠速法排放氣體測試儀器技術(shù)條件以及穩(wěn)態(tài)工況，瞬態(tài)工況以及簡易瞬態(tài)工況法等測量方法。

　　汽車工業(yè)的發(fā)展同時帶動了我國汽車維修業(yè)的發(fā)展。為規(guī)范其發(fā)展，交通主管部門開始對汽車維修業(yè)全面管理，1997年開始的《汽車維修業(yè)開業(yè)條件》國家標準對維修市場發(fā)展帶來了積極的作用。2004 年針對新形式下的汽車維修企業(yè)發(fā)展狀況，提出了新的《汽車維修業(yè)開業(yè)條件》標準，并于2005年1月1日開始實施。新標準規(guī)定，2類以上的維修企業(yè)必須具備尾氣分析儀才允許開業(yè)，因此刺激了維修市場對尾氣分析儀的需求。

　　尾氣分析儀以往主要有一些檢測站和國家環(huán)保部門購買，是一種“罰款工具”。一般維修企業(yè)具備很少。但新的汽車維修業(yè)開業(yè)條件將尾氣分析儀作為一種“維修工具”。以往購買尾氣分析儀需要的款項一般由管理部門承擔，由于通過檢測具有快速盈利的可能，因此對尾氣分析儀的價格不是十分敏感。但是對于汽車維修企業(yè)，大量企業(yè)是民營性質(zhì)，企業(yè)規(guī)模不大，在我國維修技術(shù)還不發(fā)達的情況下，維修人員還遠沒有達到認為尾氣分析可以作為維修手段，相反尾氣檢測可能會為其本身帶來有關(guān)維修質(zhì)量的糾紛。所以尾氣分析儀對于維修企業(yè)來講，還不是一種自愿的需求。高價格的尾氣分析儀很難在我國維修企業(yè)得到推廣。

　　我國目前尾氣分析儀生產(chǎn)廠家有10余家，大都采用進口核心光學平臺(NDIR 三氣傳感器)組裝。國際上主要的平臺供應(yīng)商有Adros,Sensors, Horiba，City Tech 等。雖然我國也有企業(yè)曾經(jīng)開發(fā)過尾氣光學平臺，由于我國的紅外氣體分析技術(shù)主要靠80年代與國外的合資引進，進入90年代后，特別是隨著IT 技術(shù)的發(fā)展，國際上紅外氣體分析技術(shù)得到了快速的發(fā)展，價格也直線下降，國內(nèi)以往的技術(shù)在產(chǎn)品性能和生產(chǎn)成本上都不具備競爭優(yōu)勢。國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品宣傳中的“采用進口先進光學平臺”優(yōu)勢實際上也是企業(yè)不得已的選擇。采用進口關(guān)學平臺不僅大大增加了儀器的整體成本，同時在維修上也造成困難。因此尾氣檢測核心光學平臺的國產(chǎn)化十分必要。

　　此外與尾氣檢測配套的轉(zhuǎn)速傳感器(RPM)隨著我國雙怠速以及工況法檢測技術(shù)的發(fā)展需求旺盛。我國目前普遍采用轉(zhuǎn)速鉗的方式測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速鉗方式需要打開發(fā)動機蓋進行測量，同時也容易損壞，對于壓燃式發(fā)動機無法適應(yīng)。從國際上尾氣檢測線使用情況來看，大都傾向采用振動和噪聲原理生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速傳感器。振動噪聲原理測量轉(zhuǎn)速在理論上十分成熟，但是作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量的專用模塊國內(nèi)目前還沒有成熟的產(chǎn)品。國際上，奧地利AVL公司推出的490型產(chǎn)品就是采用該原理生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速傳感器，在我國尾氣檢測線上得到大量應(yīng)用。為控制機動車排放，我國近年來加大了尾氣檢測站的建設(shè)，不管采用怠速法還是其它工況法檢測，尾氣分析儀和轉(zhuǎn)速RPM 傳感器都是基本配置。因此開發(fā)新型的轉(zhuǎn)速傳感器(RPM)也十分必要。

　　1.尾氣分析傳感器(光學平臺)

　　非分光紅外(NDIR)氣體分析技術(shù)是尾氣成分檢測的關(guān)鍵技術(shù)。以往NDIR氣體傳感器采用鎳锘絲作為紅外光源、采用電機機械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機機械調(diào)制，儀器功耗大，且穩(wěn)定性差，儀器造價也很高。同時采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對振動十分敏感，因此不適合尾氣的便攜測量,生產(chǎn)成本也很高。隨著紅外光源、紅外探測器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速的發(fā)展。主要表現(xiàn)在采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。

　　1.1 NDIR尾氣分析原理

　　當紅外光通過待測氣體時,這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收,其吸收關(guān)系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行光,其強度為I0,出射光的強度為I,氣體介質(zhì)的厚度為L。當由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強減弱為dI時,根據(jù)朗伯--比爾吸收定律: dI/I=-KdN，式中K為比例常數(shù)。經(jīng)積得:lnI=-KN α，

　　式中:N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù);α為積分常數(shù)。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。則:

　　I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)

　　光強在氣體介質(zhì)中隨濃度c及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數(shù)μ互不相同。對同一氣體,μ則隨入射波長而變。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體,則式(2)應(yīng)改為:I=I0exp(-lΣμi ci) ，因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。以CO2分析為例，紅外光源發(fā)射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個4.26μm波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測透過4.26um波長紅外光的強度，以此表示CO2氣體的濃度，如果在探測器端放置一種具備四元的探測器，并配備四種不同波長的濾光片，如CO2、CO、HC以及參考的濾光片，則在一個傳感器內(nèi)就可以完成對尾氣成分中CO2、CO、HC的同時測量。

　　上方虛線區(qū)域為傳感器的光學系統(tǒng)部分，為了減少紅外傳感器微弱信號的衰減以及外界信號干擾，將前置放大電路也一并放在光學部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號具有較好的分辨率，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,紅外光源、氣室、紅外探測器應(yīng)設(shè)置在同一光軸上。此外為了使得信號足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩(wěn)流供電,供電電壓和電流根據(jù)使用的光源不同而不同。工作時,傳感器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光，紅外光源發(fā)出的紅外光通過窗口材料入射到測量氣室,測量氣室由采樣氣泵連續(xù)將被測氣體通入測量氣室,氣體吸收特定波長的紅外光,透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測。由于調(diào)制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流信號，通過其后的前置放大電路放大后在一次經(jīng)過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度對應(yīng)的直流信號送入ADuc832系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測其工作環(huán)境溫度，并在其外殼上社有微型加熱裝置，通過Aduc832系統(tǒng)控制傳感器的溫度。紅外傳感器信號經(jīng)過Aduc832系統(tǒng),并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補償?shù)溶浖�處理�?給出氣體濃度測量值，并將其濃度信號通過RS232串口輸出。

　　此外，在本傳感器控制系統(tǒng)內(nèi)，除RS232外，同時設(shè)計有液晶顯示(支持240*128)、微型打印、鍵盤輸入、氣泵控制、報警輸出等接口。因此組裝尾氣分析儀已經(jīng)十分方便，不需要額外的技術(shù)開發(fā)工作。

　　1. 2關(guān)鍵技術(shù)問題

　　1.2.1 紅外光源調(diào)制

　　傳統(tǒng)的紅外氣體傳感器采用連續(xù)紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件,其發(fā)出紅外光的波長在2～15μm之間，由于其熱容量大，通常采用切光片對光源進行調(diào)制。因此需要一個同步電機帶動切光片旋轉(zhuǎn)，其缺點在于存在機械轉(zhuǎn)動�？拐裥圆�、攻耗大、不適合于便攜設(shè)備;其次，為保證調(diào)制的頻率，還需要嚴格同步的電機以及驅(qū)動電路，使得系統(tǒng)復雜化，成本也大大增加。本研究采用了國際上最新研制的MEMS技術(shù)紅外光源，熱容量很低，升降溫速度很快。紅外光源發(fā)射窗口上安裝有透明螢石窗,可以保證發(fā)射的紅外光波長在2-9um范圍內(nèi),適合于對尾氣中的氣體如CO2、CO、HC的檢測。

　　1.2.2 紅外探測器

　　紅外探測器是該傳感器的核心部件，傳感器的測量精度很大程度取決于探測器性能。本研究采用高靈敏度熱釋電紅外傳感器，并且在TO5的封裝上固定安裝有針對不同氣體的窄帶干涉濾光片以及一種參考濾光片。通過使用固定有不同波長濾光片的的紅外探測器，可以實現(xiàn)對不同氣體的測量。尾氣分析光學平臺使用的探測器就是在一體化的四元探測器上安裝有四個不同的濾光片(CO2、CO、HC、參考)，實現(xiàn)對三種氣體的同時測量。

　　紅外探測器以及光源隨著使用時間的增長，紅外發(fā)射功率以及紅外探測效率會隨之降低，因此會出現(xiàn)信號的衰減，氣體濃度信號會發(fā)生失真。本研究采用了“單光束、多波長”的方法，通過確定測量通道與參考通道的比值來減少以上因素對測量信號的影響。

　　1.2.3 測控系統(tǒng)

　　為了實現(xiàn)對氣體濃度的測量、控制以及自動標定等功能，需要一個合適的微控制器來管理傳感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc832系統(tǒng)。ADuc832是一個全集成的12位數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，除含有8路12為A/D外，還具有2路D/A、8052內(nèi)核、64K程序儲存器、640字節(jié)數(shù)據(jù)儲存器以及UART、I²C、SPI等串行I/O等功能。ADuc832集如此強大的模擬與數(shù)字功能與一體，作傳感器測控系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性價比高等優(yōu)勢。ADuc832 通過采集參考和測量四路紅外直流信號，確定信號的差值和比值，通過測量標準氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度，并通過ADuc832 系統(tǒng)的串口每1 秒向外部設(shè)備發(fā)送測量濃度數(shù)據(jù)。此外，在ADuc832 多余的數(shù)據(jù)線和地址線基礎(chǔ)上，設(shè)計了液晶顯示驅(qū)動模塊、打印驅(qū)動模塊、鍵盤輸入模塊、氣泵控制、報警等接口，用戶可以通過安裝這些標準模塊，方便地操作分析儀器。通過ADuc832 的的D/A 控制，可以控制液晶LCD 的背光。通過采用以上技術(shù)，尾氣分析光學平臺的結(jié)構(gòu)比以往儀器將大大簡化，儀器功耗也大幅度降低。

　　1.2.4量程匹配及干擾校正

　　對于汽車尾氣檢測，由氣體中有CO、CO2、HC等氣體，CO2在主吸收峰的吸收最大，CO、HC的吸收很小。由于需要在一個氣室中完成對CO、CO2、HC的同時測量，因此CO2只能采用其次峰。由于受帶寬的限制，CO2次峰與CO的主峰間存在交叉，因此本傳感器存在一個氣體量程匹配和相互干擾的去除問題。新型尾氣分析光學平臺通過選用合適的中心波長和帶寬，配合通過實驗確定的干擾消除程序，成功地在一個氣室內(nèi)完成了尾氣成分測量范圍的匹配，并消除了CO、CO2之間的相互干擾。

　　2.轉(zhuǎn)速RPM傳感器

　　轉(zhuǎn)速傳感器在我國使用普遍。目前我國在對機動車檢測和維修時測量轉(zhuǎn)速還普遍采用速鉗模式，測量點火線圈的脈沖。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。但是該傳感器需要打開發(fā)動機蓋測量，容易受高溫損壞，同時不適合壓燃式發(fā)動機測量。本文介紹一種基于振動和噪聲原理的新型發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器，同時適合點燃式和壓燃式發(fā)動機。振動傳感器測量轉(zhuǎn)速在我國研究多年，但大都基于PC 計算機技術(shù)，很少見到脫離PC 的模塊化產(chǎn)品。

　　選擇合適量程的振動傳感器VIB和聲音傳感器VIC，配合電荷放大器和電壓放大器，將需要測量的振動和噪聲信號預(yù)處理信號引入CODEC解碼芯片進行數(shù)字化，此后DSP對進來的信號進行處理，從復雜的信號數(shù)據(jù)中通過FFT 算法得到其頻譜，然后根據(jù)算法確定發(fā)動機振動的主要頻率，根據(jù)振動頻率和發(fā)動機類型最后計算法定機的轉(zhuǎn)速。

　　根據(jù)工況法檢測線的要求，轉(zhuǎn)速傳感器至少需要0.5秒輸出一個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。由于頻譜分析需要很大的數(shù)據(jù)計算量，本傳感器采用了類似聲卡技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方法。同時由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量時會有大量的噪聲干擾，通用的FFT 程序很難得到高精度的轉(zhuǎn)速測量，本傳感器通過設(shè)計合理的抗干擾振動探頭，配合優(yōu)化的TTF 算法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的高精度測量。

　　該傳感器信號通過計算機同時采集并通過計算機頻譜分析軟件的分析結(jié)果，通過比較發(fā)現(xiàn)，基于DSP技術(shù)的轉(zhuǎn)動傳感器能夠快速輸出準確的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

　　3. 結(jié)論

　　(1)汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及人們對尾氣控制的意識的加強，尾氣檢測儀器在國內(nèi)將具有巨大的需求。對尾氣分析傳感器進行國產(chǎn)化，降低尾氣分析儀器的成本將對在國內(nèi)普及尾氣分析儀具有重要意義。

　　(2)新型尾氣光學平臺采用了國際最新的紅外光源、多元探測器、嵌入式軟硬件系統(tǒng)、多組分量程匹配和干擾修正技術(shù)，使得國產(chǎn)化平臺可以替代進口。

　　(3)新型轉(zhuǎn)速傳感器采用振動和噪聲原理，通過DSP復雜信號數(shù)字處理技術(shù)，快速輸出包括點燃式和壓燃式發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。該傳感器將有助于推動我國雙怠速和工況法尾氣檢測技術(shù)的發(fā)展。

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