摘要：可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种痕量气体精确检测的方法,已广泛应用于生活生产之中,该方法可通过积分吸光度与气体浓度的线性关系准确反演待测气体的浓度。环境变化和系统噪声等易造成吸光度曲线发生变形,故需对吸光度曲线进行非线性拟合,将其回归至Voigt模型。设计并搭建了基于TDLAS的CO实时在线监测系统,在此平台基础上,提出了一种三角替代Voigt线型单光谱积分吸光度的快速计算方法,并与高斯-埃尔米特方法进行比较。结果表明:三角替代方法浓度反演精度仅下降0.11%,平均计算耗时缩短84.19%;三角替代Voigt线型拟合方法以极小的精度损失,大幅提高了线型拟合的运算速度。

摘要：可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过选择特定气体的单条吸收线,排除其余气体的干扰,可以实现高精度、高选择性的气体浓度测量,在气体浓度检测系统中具有广泛的应用前景。在不同的应用条件和环境下,需要解决相应的硬件和数据处理方面的技术问题。主要研究TDLAS技术机动车尾气CO组分浓度遥测系统中的光谱数据处理问题,该系统利用路面漫反射回波信号遥测行驶中的机动车尾气CO组分浓度。由于激光扫描光谱回波信号受到漫反射面情况变化、空气环境变化、尾气湍流影响等因素影响,探测器收集到的信号不仅较弱同时也夹杂着多种噪声,即测量光路信噪比较差,故提出一种自适应层进式Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波算法,实现了对光谱进行滤波处理从而更加准确地反演CO浓度。S-G滤波算法因其原理简单、功能强大、只需设置两个参数(窗口大小、拟合阶数)等优点,已广泛应用于光谱处理。如何正确设置S-G算法参数使滤波效果在去噪不足和过度滤波之间找到平衡点,是该滤波算法应用的一大难题。设计的检测系统中,测量光路光谱信号为非平稳信号,噪声和有效信号幅度时变,最佳窗口大小和多项式阶数随信号动态而变化,且变化区间较大,使用固定参数的S-G滤波器难以达到最佳效果。提出的自适应层进式S-G平滑滤波算法,通过逐层将测量光路光谱信号经过S-G滤波后,与参考光路的光谱信号设置的参考段比对信号相关系数和信号一阶导相关系数的和,以自适应得到逐层最优参数。通过对信噪比从9.81~29.77的10组不同带噪光谱分析验证了该算法的有效性,自适应层进式S-G算法能较好地去除噪声并还原带噪信号所携带的待测气体浓度信息,与带噪光谱对比,吸收光谱峰值最大误差由25.152%降至5.917%,积分吸光度最大误差由18.1%降至3.9%。在实现的系统中,使用自适应层进式S-G算法对测量光路进行滤波处理,并对不同车型、不同排量、燃烧不同油品的机动车在怠速和缓速通过(5km·h^-1)系统时其排放的CO浓度进行实时在线监测。

摘要：机动车高温尾气流量和预处理后样气流量是测量机动车尾气中COx、NOx、THC等气体成分含量时的重要参数。基于伯努利原理和流体连续性方程,详细讨论了高温尾气的质量流量测量方案;以改进型皮托管、热电偶、压力计和压差计为检测器件,设计了尾气质量流量测量气路;以改进型孔板、压差计为检测器件,设计了预处理后样气质量流量测量气路;同时以MSP430为核心设计了电子测量电路;实验对比结果显示,系统可以准确的得到机动车尾气质量流量和预处理后的样气质量流量,其中机动车尾气质量流量偏差小于2.9%,预处理后的样气质量流量偏差小于1.2%。

摘要：机动车排放的总碳氢化合物(total hydrocarbons,THC)是造成雾霾、光化学烟雾的重要原因之一,在城市大气污染的调查和影响人类健康的研究中,THC是必须的监测目标之一。着重开展了基于氢火焰离子化检测(hydrogen flame ionization detector,FID)的机动车尾气THC测量系统的设计和对比实验。主要介绍了FID测量THC的工作原理,根据FID的测量原理设计了机动车尾气THC测量模块。并根据离子化信号检测需求设计了微电流放大电路,满足大范围、高精度微电流信号检测的要求,获得了检测器对THC的响应峰信号。还对测量得到的THC色谱峰信号进行定性和定量的分析,通过标准曲线法计算了THC的浓度。最后结合美国的SENSORS-FIDTHC分析仪开展了对比实验,结果表明研发的THC测量模块检测的浓度偏高,测量偏差约为4.44%~8.43%,判断此系统误差主要因为O_2峰干扰。

摘要：DFB可调谐二极管激光器是激光光谱测量系统中的最主要部件之一,它的输出波长与辐射功率的稳定性决定测量系统的稳定性。影响DFB可调谐二极管激光器输出波长和输出功率的因素主要为激光器的注入电流和工作温度,而工作温度对输出特性的影响更大。设计了激光器温度控制电路,并实验分析了PI参数对温度控制稳定性的影响以及温度控制的短期稳定性;将设计电路应用在DFB可调谐二极管激光器上进行激光器输出波长与输出功率的长期监测,得到激光器输出波长的标准偏差为0.2×10^(-6),输出功率的标准偏差为0.02mW。

摘要：一氧化碳（CO）是大气中分布最广和数量最多的污染物,它是不完全燃烧的产物之一,在机动车尾气和化石燃烧过程中的排放,也可能是一些材料过热时产生的分解气体,如组合电器开关中的有机绝缘材料在过热故障时产生。因此在不同应用场合进行痕量CO气体高灵敏测量具有重要意义。平衡探测光谱技术可去除激光器光源波动噪声,增大检测信号的动态范围,提高检测灵敏度。基于TDLAS技术,结合平衡探测光谱技术,设计了平衡探测电路,开展了不同CO浓度测量的实验研究,并得到测量实验系统检测下限为0.44×10^-6,其检测灵敏度比直接吸收光谱技术提高了近4.8倍。

摘要：为了准确测得机动车高温尾气中的CO_x、NO_x、THC等气体成分,基于旋风分离器原理,详细讨论了高温尾气的预处理方案;以微粒物过滤室、旋风分离器、阻液器和膜式干燥器为主要器件,设计了改进型旋风分离器和车载式高温尾气预处理采样气路;利用微粒物过滤室两次去杂、金属螺旋管降温、旋风分离器去水去杂、阻液器去水、膜式干燥器去水,在不改变尾气气体成分和含量的情况下,提高了样气净度;实验结果表明,预处理后的样气,相对湿度小于2.5%,温度低于40℃,所含颗粒物直径小于5μm,且含量极少,满足车载式机动车尾气气体成分分析模块的要求.

摘要：机动车尾气对环境的危害日益加重,机动车尾气排放浓度的检测对大气污染治理具有重要意义.设计了基于非分散紫外的机动车尾气NO、NO_2浓度检测系统,搭建了实验装置,获得NO、NO_2混合气体的吸收光强后,利用快速不动点(Fast ICA)算法和人工神经网络模式识别算法对机动车尾气排放NO、NO_2组分进行定量分析.实验结果表明,利用所设计的算法对600 ppm以内的NO气体和200 ppm以内的NO_2气体浓度进行测量,其相对误差最大为1.54%,最小为0.25%。

摘要：一氧化碳（CO）是工业生产中重要的原料气体之一,但由于其易燃、易爆,同时具有毒性,故实现CO浓度的实时在线测量可保障生产中的安全。研制了中红外波段（2 333nm）的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的CO浓度实时在线检测系统,并使用LabVIEW语言开发了系统上位机软件。软件可实现光谱数据的高速采集、通过多项式拟合实现光谱背景基线扣除、基于Levenberg-Marquardt算法完成吸光度的洛伦兹线型拟合、吸光度曲线积分浓度计算、历史数据回溯等功能。实验中通过配制不同浓度的CO气体验证所搭建系统的精度,并得到系统最低检测限为0.36mg/L。