韓芳芳，張曉玲，孫永躍，張寶峰

(天津理工大學(xué)，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

汽車的問世與發(fā)展推動(dòng)了人類社會(huì)文明的進(jìn)步，給人們的工作、學(xué)習(xí)、生活帶來了巨大利益，但汽車尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2給人類賴以生存的環(huán)境和健康帶來了嚴(yán)重的危害［1－2］。

目前，尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2檢測有很多種方法，主要有化學(xué)發(fā)光方法［3］，電化學(xué)方法［4］，紫外熒光技術(shù)［5］，差分吸收光譜技術(shù)［6］等。而紫外差分吸收光譜方法［7－9］由于可以實(shí)現(xiàn)多組分測量，精度高，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)動(dòng)車尾氣檢測中應(yīng)用比較廣泛。

本文采用紫外差分吸收光譜技術(shù)對機(jī)動(dòng)車尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2進(jìn)行檢測，并采用多元線性回歸模型和最小二乘法擬合的方法來實(shí)現(xiàn)DOAS技術(shù)數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用LabVIEW8.2圖形化開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)車尾氣紫外檢測系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、保存等功能。理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了DOAS具有廣泛的應(yīng)用前景，本文的研究結(jié)果為該方法用于機(jī)動(dòng)車尾氣檢測提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為改變或部分改變目前機(jī)動(dòng)車尾氣檢測的落后現(xiàn)狀提供了技術(shù)支持。

1 差分光路設(shè)計(jì)

1.1 紫外差分光譜測量原理

紫外差分吸收光譜法檢測氣體是基于Lambert-Beer定律的［8－10］。光源發(fā)出強(qiáng)度為I0的光，經(jīng)過一段距離的傳輸之后，由于某些大氣氣體(對于紫外差分，即為適當(dāng)?shù)淖贤獠ǘ螝怏w)的分子對其吸收，在接收端測量得到的強(qiáng)度為I，I0和I之間的關(guān)系由Lambert-Beer定律得出:

式中λ為波長，σi(λ)為所測第i種氣體分子的吸收截面，ci為第i種氣體的濃度，L為光程長度。

用探測器來探測光強(qiáng)的大小變化，是一種最簡單的光譜吸收檢測方法。光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室后，被光探測器接收并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺撔盘柋环糯笃鞣糯蠛笥晌⑻幚砥魈幚?。?dāng)氣室中無待測氣體時(shí)，通過氣室的光經(jīng)探測器測得其光強(qiáng)為I0，當(dāng)待測氣體充入氣室并達(dá)到一定濃度c后，此氣體對光源發(fā)出的光有較強(qiáng)的吸收，這時(shí)通過氣室的光測得其光強(qiáng)為I，于是I和I0的差值，便可以檢測氣體及濃度。這種方法簡單、易做。但是系統(tǒng)光路中，光源的不穩(wěn)定，環(huán)境(振動(dòng)和溫度)的影響，電路中元器件的漂移都會(huì)不同程度的降低系統(tǒng)的檢測靈敏度與精度。

1.2 差分光路設(shè)計(jì)

差分吸收檢測光路可以有效消除由光源、光纖的不穩(wěn)定和變化所引起的檢測誤差，提高檢測的靈敏度。光源發(fā)出的光束被分成兩路信息，一路是帶有被測氣體吸收后的信息，稱信號信息;另一路是帶有未經(jīng)被測氣體吸收的信息，稱參考信息。光源的不穩(wěn)定以及光電器件的零漂、溫漂對兩路信息的影響相同，故信號信息與參考信息的商將只是氣體濃度的函數(shù)，從而消除了光源的不穩(wěn)定以及光電器件零漂的影響。

圖1是差分光路設(shè)計(jì)的光路圖。

圖1 差分光路圖

圖1相比直接檢測光路最大的不同點(diǎn)是添加了參比光線，光纖傳輸?shù)牟粌H僅是檢測光線。光路被平分為兩部分，上半部分的平行光沒有經(jīng)過待測氣體的吸收經(jīng)過石英玻璃的反射直接進(jìn)入光纖，下半部分是經(jīng)過待測氣體的吸收經(jīng)過凸透鏡的會(huì)聚作用進(jìn)入光纖。

圖1中平面鏡和半透鏡與水平線的夾角為45°。平面鏡的主要作用只是將參比光線反射回去，夾角選擇45°可以使紫外光發(fā)生全反射而減少了因發(fā)生折射光強(qiáng)的損失。在設(shè)計(jì)過程中要保證參比光線和檢測光線的光程一致，因此安裝了半透鏡。半透鏡是一種特殊的鏡子，一半可以透過光，而另一半反射光。一般是鍍了分光膜，允許有的波長的光透過，有的波長的光反射，選擇了一種可以讓紫外光透過的半透鏡。在圖1中，檢測光線經(jīng)過待測氣體的吸收后經(jīng)凸透鏡的匯聚作用進(jìn)入探頭傳輸，從而為檢測帶來現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析

對式(1)取對數(shù)，可得差分光學(xué)厚度D'(λ)為:

式(2)中，σ'i(λ)為所測第i種氣體分子的差分吸收截面;I'0(λ)為不包含差分吸收時(shí)的光強(qiáng)。差分吸收截面σ'i(λ)可由吸收截面計(jì)算得到，L已知，式(2)求解吸收氣體濃度ci關(guān)鍵在于獲得差分光學(xué)厚度D'，即得到I'0(λ)和I(λ)。利用差分吸收光譜法計(jì)算氣體濃度時(shí)，由于系統(tǒng)噪聲影響，僅取一個(gè)波長時(shí)，計(jì)算結(jié)果波動(dòng)比較大。因此，實(shí)際應(yīng)用中，我們使用一定波長范圍內(nèi)的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

對于多組分混合氣體(假設(shè)有n種氣體)，在某一波長處有:

式(3)中D'λi為混合氣體在波長 λi處的光吸收度，σ'ici為第i種氣體的差分吸收截面和濃度。

選取不同波長λi，可以得到不同的方程，如果選取的波長個(gè)數(shù)m≥n時(shí)，則需求解聯(lián)立方程組:

對于上面的整個(gè)過程可以數(shù)學(xué)描述為:已知因變量(差分吸收強(qiáng)度)依賴n個(gè)自變量(n種氣體的差分吸收截面)，現(xiàn)在已知大樣本總數(shù)為m個(gè)(m個(gè)通道或采樣點(diǎn))，求各個(gè)自變量的影響系數(shù)ci(氣體濃度)。顯然這是多元線性回歸模型，ci即為要計(jì)算的回歸系數(shù)。

可以利用最小二乘法進(jìn)行回歸擬合［11－12］。

用殘差平方和來刻畫所有觀察值與回歸直線的偏離程度:

式(6)中，(yi，x1i，x2i，…，xni)為m個(gè)樣本中的每一個(gè)樣本點(diǎn)值。若求最佳擬合直線，則需使殘差平方和最小，即式(6)最小。根據(jù)微積分中求極值的方法，式(6)最小與下式等價(jià):

求解方程組(7)即可以得到回歸系數(shù)。

最小二乘方法在反演待測氣體的濃度可以在最大限度上利用測量得到的數(shù)據(jù)，而且利用多項(xiàng)式擬合可以方便的消除光譜的慢變化以及瑞利散射和米散射。此外，該方法的最大優(yōu)勢是可以同時(shí)反演出多種待測氣體的濃度，提高了系統(tǒng)的效率。

3 紫外差分檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW8.2圖形化開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)紫外差分檢測系統(tǒng)的軟件部分［13－15］。圖2是系統(tǒng)軟件構(gòu)成圖。

圖2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成圖

如圖2所示，紫外差分檢測系統(tǒng)的軟件部分主要功能包括:人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和保存，數(shù)據(jù)庫管理功能。其主要目的是完成對硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、顯示、數(shù)據(jù)管理、濃度算法的處理等功能。軟件系統(tǒng)與硬件結(jié)合緊密，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)檢測系統(tǒng)最終的工作狀況。光譜數(shù)據(jù)通過光譜儀調(diào)用DLL讀取，光譜儀配置參數(shù)從系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)文件中讀取;數(shù)據(jù)處理部分主要為根據(jù)原始光譜對痕量氣體進(jìn)行濃度反演的過程;數(shù)據(jù)管理模塊則包含了數(shù)據(jù)查詢、用戶信息管理等功能。這三個(gè)模塊中，數(shù)據(jù)管理模塊為獨(dú)立的模塊，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊通過公共的光譜數(shù)據(jù)讀取發(fā)生聯(lián)系，完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程。這種功能模塊的劃分，系統(tǒng)層次請楚，分工明確。

3.1 光譜采集與處理

數(shù)據(jù)采集和儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之一。本文主要的采集光譜數(shù)據(jù)，以文本文件或是二進(jìn)制文件保存到文件中和程序初始化時(shí)讀取和寫入光譜儀配置文件。圖3是將光譜數(shù)據(jù)保存在主程序文件夾中Data文件夾的程序圖，保存格式為txt文件，文件的名稱是當(dāng)前系統(tǒng)的日期和時(shí)間，例如:2010－4－22 72444.txt。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問方式中，選用了免費(fèi)LabSQL工具包，以Access為數(shù)據(jù)庫工具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫程序。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)如果在該天第一次保存數(shù)據(jù)會(huì)新建一個(gè)當(dāng)前系統(tǒng)年月日為名稱的表，如果不是第一次保存則按順序?qū)懭霐?shù)據(jù)庫表中。

圖3 表的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)保存的程序圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

采用已知濃度的SO2和NO具有已知明確的光譜特征的標(biāo)準(zhǔn)氣體來進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測試。將樣品池采用串聯(lián)方式充入SO2和NO的混合標(biāo)準(zhǔn)氣，充入標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為1934×10－6，光程有效長度為60 cm，采用差分吸收光譜數(shù)據(jù)處理的方法，對不同樣品池的組合進(jìn)行測量。實(shí)際測量結(jié)果和測量誤差見表1。SO2不同濃度的測量結(jié)果幾乎在一條直線上，曲線K=0.9994，比例接近 1，R2=0.9994，說明儀器具有良好的線性。當(dāng)充入NO標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為462×10－6時(shí)，NO測量結(jié)果與測量誤差見表2。

表1 SO2氣體濃度測量結(jié)果及其測量誤差

表2 NO氣體濃度測量結(jié)果及其測量誤差

5 總結(jié)

本文采用紫外差分吸收光譜技術(shù)對機(jī)動(dòng)車尾氣中的氮氧化物(NOx)和SO2進(jìn)行檢測，并應(yīng)用Lab-VIEW8.2圖形化開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)車尾氣紫外檢測系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、保存等功能。本文的研究結(jié)果為該方法用于機(jī)動(dòng)車尾氣檢測提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為改變或部分改變目前機(jī)動(dòng)車尾氣檢測的落后現(xiàn)狀提供了技術(shù)支持。

［1］鄭軍武.淺談汽車尾氣的檢測［J］.科技資訊，2010(31):118－120.

［2］王繼和，尚忠.酸雨的成因與危害［J］.水利天地，2004(3):34.

［3］Vogt R，Crutzen P J，Sandar R.A Mechanism for Halogen Release from Sea-Saltaerosol in the Remote Marine Boundary Layer［J］.Nature，1996:383:327.

［4］任慧敏.電化學(xué)分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997:58－59.

［5］鄭德忠，劉明，趙靜.紫外熒光測二氧化硫濃度系統(tǒng)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(3):497－501.

［6］王振業(yè)，李海洋，周士康.激光光譜技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用專題系列(Ⅱ):差分吸收光譜技術(shù)在大氣污染監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.物理，2001，30(11):699－703.

［7］Galle B，Oppenheimer C.Geyer A，et al.A Miniaturized Ultraviolet Spectrometer for Remote Sensing of SO2Fluxes:A New Tool for Volcano Surveillance［J］.Journal of Volcanology and Geothermal Research，2003，119:241－254.

［8］周濤.煙氣排放紫外差分吸收光譜實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2009:28－45.

［9］孫永躍.機(jī)動(dòng)車尾氣檢測儀紫外差分算法研究與軟件設(shè)計(jì)［D］.天津:天津理工大學(xué)，2009:20－31.

［10］肖兵，梁瑛琳.基于TDLAS的汽車尾氣測量系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(12):2078－2083.

［11］湯海濤.應(yīng)用紫外差分吸收光譜技術(shù)的煙道污染氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)［D］.天津:天津大學(xué)，2004:34－40.

［12］李紅民，周濤，邱歷軍，等.二氧化硫的紫外光譜測量數(shù)據(jù)修正方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(7):928－933.

［13］張寶峰，馬常松，張洪剛.基于虛擬儀器的汽車尾氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.25(1):78－80.

［14］徐利娜，薛瑞，關(guān)曉丹.基于labview的汽車尾氣檢測系統(tǒng)研究［J］.北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，19(3):16－18.

［15］張重雄，劉維嘉.基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測系統(tǒng)［J］.國外電子測量技術(shù)，2009，28(12):71－73.