一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试材料，具体涉及利用激光光 谱检测气体浓度。
【背景技术】
[0002] 当前大气污染问题日益严重，随着我国机动车保有量的不断增加，机动车尾气排 放量也不断，机动车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等成为大气气态污染物的主 要来源。氧气是机动车内燃机燃烧过程的助燃剂，通过对机动车尾气中的氧气浓度进行实 时检测，可以对机动车内燃机燃烧过程进行诊断，优化器燃烧过程，减少气态污染物的排放 水平。
[0003] 现有机动车尾气中氧气浓度的检测系统主要有：采用氧化锆探测器的检测系统和 采用道路边激光遥测系统。采用氧化锆探测器的检测系统的探测器寿命短，而且容易受灰 尘、温度等因素影响，检测精度不高；采用道路边激光遥测系统不能检测实际车况、路况下 的氧气水平，且易受环境空气中的氧气的影响，两种方法均不能精确反映尾气中氧气浓度 的变化。
[0004]
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统， 该系统工作稳定，而且不需要建立校准谱即可实现机动车尾气氧气浓度的实时检测。
[0006] 本发明解决上述问题的技术方案如下：
[0007] -种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该激光检测系统包括光学吸 收池和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置，其中，所述的可调谐半导体激光吸收光谱检 测装置包括半导体激光器、光电探测器和温度传感器；其特征在于：
[0008] 所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池，该漫反射光学吸收池包括一圆柱形的吸 收池，所述吸收池的一头设有漫反射镜，另一头设有聚焦透镜和窗口镜；其中，所述的漫反 射镜具有一球冠状的凹面，该凹面上镀有阳极氧化铝颗粒形成漫反射膜；所述的窗口镜倾 斜安装在漫反射光学吸收池的端盖上，其折射的光束指向漫反射镜的凹面；所述的窗口镜 外侧设有光纤法兰，并通过光纤与可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的半导体激光器 连接；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的光电探测器设在聚焦透镜的外侧； 所述的温度传感器设在漫反射光学吸收池中；
[0009] 所述激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的方法包括以下步骤：
[0010] 所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出中心波长761nm的激光束通过 光纤传输至光纤法兰，穿过窗口镜射入漫反射池；在漫反射池内，激光束由漫反射镜漫反射 至聚焦透镜聚焦后经光电探测器送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将直流分量对 二次谐波信号进行光强归一化处理，得到光强归一化后的二次谐波信号序列；然后，
[0011] 1)在已知浓度、压力和参考温度条件下对所述的激光检测系统进行校准，从而获 取参考温度下的氧气吸收系数a。(T。）和有效光程L ;
[0012] 2)根据洛仑兹线型构造如下式II)所示的二次谐波信号序列y2f⑴的拟合函数 模型：
[0013]
[0014]
[0015] 式II)中，C为氧气浓度，S2(V，m)为二次谐波信号的洛伦兹线型表达式，y。为二次 谐波信号的基线偏移量，i为二次谐波信号序列的采样位置，ic为二次谐波信号序列y 2f(i) 的中心位置，△ X为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数；
[0016] 3)采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式II)所示拟合函数模型进行最小二乘 拟合，从而得到拟合后的二次谐波信号序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中 各参数初值的确定方法如下：
[0017] y。的初值为二次谐波信号序列y 2f(i)各采样点信号的平均值；
[0018] i。的初值为二次谐波信号序列y 2f (i)中最大值Yniax所对应的采样位置；
[0019] Δ X的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得：
[0020] A)计算二次谐波信号序列y2f⑴中最大值Yniax与最小值Y _之比R ;
[0021] B)根据DSP微处理器中预设的R值与m为二倍频调制系数理论值曲线，获得m的 初值；
[0022] C)计算二次谐波信号序列y2f⑴中两个过零采样点的间隔数iz ;
[0023] D)根据DSP微处理器中预设的R值与二次谐波信号过零点的波长间距理论值xz 曲线按下式III)计算a X的初值：
[0024]
[0025] E)根据m的初值、二次谐波信号序列y2f⑴中最大值Yniax按下式IV )计算获得C 的初值：
[0026] CN 105158206 A ~P 3/6 页
[0028] 4)根据漫反射光学吸收池内温度传感器获得的气体温度T按下式V )对拟合后的 二次谐波信号序列进行温度修正，并直接计算出机动车尾气中氧气浓度Cra":
[0027]
[0029]
[0030] 式V )中，Cmw为最小二乘拟合得到的初始氧气浓度，为温度修正因子，并 根据下式VI)获得：
[0031]
[0032] 式VI)中，E"为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总配分函数，Q(TO)为参考 温度下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，Tl为谱线展宽的温度依赖系数常数。
[0033] 上述方案中，所述的漫反射膜的表面粗糙度优选为1-2 μπι。
[0034] 相较于现有技术，本发明的优点效果在于：
[0035] 1)由于本发明所述的激光检测系统用所述的漫反射光学吸收池取代了现有技术 所使用的多次反射池，尤其是将池内的漫反射镜的反射面设计成球冠状的凹面，并在凹面 内镀有阳极氧化铝颗粒形成漫反射膜，因此当平行的激光束入射到反射面后就会变换为无 规则的漫反射，显著增加了激光的反射路径，并在其球冠状的凹面作用下聚集到聚焦透镜 上，再聚焦于光电探测器上，明显改善了现有技术容易产生激光对准失调的不足。
[0036] 2)本发明先采用L-M算法对所述的拟合函数模型进行最小二乘拟合，再对拟合后 的二次谐波信号序列进行温度修正，直接计算出机动车尾气中氧气浓度，不仅省去了现有 方法预先测量标准谱线的繁锁步骤，而且排除了获取检测光谱与获取准标准光谱的条件不 一致的缺点，显著提高了检测结果的准确性。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明所述的激光检测系统的一个具体实施例的原理图。
[0038] 图2和图3为本发明所述的激光检测系统中漫反射光学吸收池的一个具体实施例 的结构示意图，其中，图2为主视图，图3为左视图；图中的虚线箭头表示窗口镜的折射光 束。
[0039] 图4采用图1所示激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的流程图。
【具体实施方式】
[0040] 参见图1，本发明所述的激光系统包括漫反射光学吸收池1和可调谐半导体激光 吸收光谱检测装置2。
[0041] 参见图1，可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2由半导体激光器3、驱动半导体 激光器3的温度与电流的控制器4、产生调制信号与倍频信号的信号发生器5、光电探测器 6、光电探测器信号滤波放大的前置放大电路7、提取二次谐波信号的锁相放大器8和对前 置放大电路7输出的直流信号、锁相放大器8输出的二次谐波信号和温度传感器9输出的 温度信号进行处理的DSP微处理器10组成。
[0042] 参见图2和图3,漫反射光学吸收池的吸收池11为圆柱形，其进气口 12和出气口 13分别设在接近吸收池11左右两端的上下两侧；左端盖14上设有漫反射镜15,右端盖16 上设有聚焦透镜17和窗口镜18。漫反射镜15具有一球冠状的凹面19,该凹面19上镀有 阳极氧化铝颗粒形成表面粗糙度为1. 5 μ m漫反射膜20。窗口镜18倾斜安装在漫反射光学 吸收池的右端盖16上，其折射的光束指向漫反射镜15的凹面19。漫反射膜的表面糙度优 选为1-2 μ m
[0043] 参见图2并结合图1，吸收池11的窗口镜18的外侧设有光纤法兰21，并通过光纤 22与可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2中的半导体激光器3连接；所述的可调谐半导 体激光吸收光谱检测装置2中的光电探测器6设在聚焦透镜17的外侧；所述的温度传感器 9设在漫反射光学吸收池1中。
[0044] 参见图4并结合图1和图2,上述激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的方法 如下：
[0045] 所述的可调谐半导体激光吸