【摘 要】
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随着道路车辆尾气排放监管标准的日趋严格,尾气排放检测相关技术得到了研究人员的广泛关注。以柴油车为主的重型车辆,由于其排放的污染物排放贡献率远超轻型车辆,因此准确检测柴油车尾气中CO、CO2和NOx的排放对于生态环境和可持续发展具有很强的现实指导意义。本论文是以光学气体检测技术为主要研究内容,探究了光电信号检测与光谱数据处理方法,设计了相应的检测系统装置并将其应用于柴油车尾气排放现场检测中。阐述了
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随着道路车辆尾气排放监管标准的日趋严格,尾气排放检测相关技术得到了研究人员的广泛关注。以柴油车为主的重型车辆,由于其排放的污染物排放贡献率远超轻型车辆,因此准确检测柴油车尾气中CO、CO2和NOx的排放对于生态环境和可持续发展具有很强的现实指导意义。本论文是以光学气体检测技术为主要研究内容,探究了光电信号检测与光谱数据处理方法,设计了相应的检测系统装置并将其应用于柴油车尾气排放现场检测中。阐述了 CO、CO2气体检测的红外吸收光谱法和NOx气体检测的紫外吸收光谱法的基本原理。依据上述理论基础,提出了非分散红外CO和CO2气体检测方案和紫外双光路NOx气体检测方案。选择1-20μm宽带红外光源和带有4.26μm、4.64μm滤光片的热释电探测器作为CO和CO2的探测方式;选择宽带脉冲氙灯和390nm LED作为光源,利用光谱仪和光电探测器以时分复用的方式来探测NO和NO2。最后,提出探测器输出信噪比、光源辐射谱的固定结构以及环境因素等关键研究问题。研究了基于随机共振（SR）的光电信号处理方法。针对调制光电信号,基于随机共振中的欠阻尼模型,讨论了不同系统参数对于随机共振输出的影响,设计了该模型的检测流程,实验结果表明测量过程中光电调制信号的信噪比由2.517dB增加到4.263dB,信噪比增益为1.673,证明了欠阻尼SR具有良好的信号增强效果,且更适合于在强噪声环境中的信号检测。同时,基于随机共振的特性,采用单稳态系统对低浓度NO信号进行处理,设计了参数调节单稳态算法并进行数值模拟和实际信号测试,在低浓度条件下,最大相对偏差为3.32%,检测极限为1.456ppm,表明在低浓度条件下有着更好的峰值检测性能和光谱信噪比。研究了柴油车NOx气体排放吸收光谱数据处理方法。采用数值仿真的方式,模拟了光源辐射谱存在精细结构条件下的紫外NOx吸收光谱曲线,从而提出基于主成分分析（PCA）的光谱特征处理方法,用于消除辐射谱的精细结构所引起的测量误差。利用实际测量的NOx光谱数据与传统多项式拟合基线的方法进行了对比实验,实验结果证明所提出方法标定拟合曲线相关性为0.99923,平均测量误差小于3%。对便携式柴油车尾气检测系统的设计进行分析,并在实验室条件下测试了整个系统的检测性能。测试结果表明在柴油车尾气宽量程的要求下（NO:2500ppm,NO2:2500ppm,CO:5%,CO2:20%）,系统平均相对误差小于2%,相对标准差小于3.2%,整个系统尺寸为350x270x150mm,重量为14Kg。同时,将所设计的检测系统分别应用于台架监测、车载监测和监测站点监测。通过与同类国际先进仪器SEMTECH对比测试,相关性最高达到了 94%。三种现场应用得到了柴油车在不同工况、不同行驶环境、不同驾驶习惯等条件下的CO、CO2和NOx的排放特性,分析了实际驾驶过程中尾气高排放的影响因素,并且验证了自研便携式系统现场运行的稳定性和实用性,可以为后续柴油车尾气气态污染物的快速监管提供有效的数据支持。
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