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1、深 圳 大 学本 科 毕 业 论 文（设计）题目: 激光气体浓度检测技术研究姓名: 陈欣 专业: 电子科学与技术 学院: 电子科学与技术学院 学号: 2005111223 指导教师: 高致慧 职称： 教授 2009年 5 月 6 日深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目激光气体浓度检测技术研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。 毕业论文（设计）作者签名： 日期： 年
2、月 日目 录【摘要】1【Abstract】21 绪论31.1 引言31.2 选题背景及意义31.3 汽车尾气检测技术的发展状况31.3.1 国内研究现状31.3.2 国外研究现状41.3.3 基于TDLAS的气体检测技术的发展51.4 本课题研究的主要内容52 汽车尾气检测系统分析与设计72.1 汽车尾气成分分析72.2 系统需求分析82.3 汽车尾气检测系统比较分析82.3.1 非光学系统82.3.2 光学系统102.4 系统方案设计123 汽车尾气检测系统结构设计143.1 系统框架与原理143.2 光源143.3 气室153.4 探测器164 汽车尾气检测原理及分布184.1 吸收光谱原
3、理184.2 朗伯-比尔定律194.3 基于TDLAS的尾气分布204.3.1 光谱分布204.3.2 浓度分布214.3.3 空间分布234.4 温度和压强对于尾气检测的影响245 数据处理原理分析266 总结和展望30参考文献31致谢32激光气体浓度检测技术研究【摘要】进入21世纪，随着汽车数量越来越多，汽车尾气污染已成为全球性问题。尾气中含大量有害物质，危害城市环境，引发呼吸系统疾病。因此，对汽车尾气的监控与防治势在必行。结合国内外的研究现状和发展趋势，本论文设计了一种基于TDLAS技术的在线尾气红外检测系统，可对汽车尾气中CO2、CO及其碳氢化合物的浓度进行检测。论文详细介绍了检测系统
4、的开发背景、研究意义，基本原理，系统构成，分析比较了各类汽车尾气检测的原理和系统，并选择了合适的器件包括红外光源、气室、红外探测器等，讨论了尾气分布，搭建了检测尾气的系统模型。通过分析尾气各成分的标准拟合曲线，找出测量数据和对应浓度间的对应关系以及影响系统测量准确性的因素。【关键词】 汽车尾气 TDLAS技术 尾气分布Study on the concentration of laser gas detection technology【Abstract】Entering the 21st century, exhaust pollution of motor vehicle has alre
5、ady become a global issue. Vehicle exhaust contained a great deal of hazardous substance which is caused pollution or deterioration of a citys environment and subject to diseases of respiratory system. Therefore, the monitor and control of automobile exhaust becomes a significant and necessary work.
6、 After combining with the current conditions and the trends of related study both at home and abroad, this paper designs an online detection system with infrared rays based on a technology called TDLAS to detect Carbon dioxide、Carbon monoxide and hydrocarbon which is contained in the vehicle exhaust
7、. The paper introduced in detail about the background and meaning of developing the detection system, as well as the fundamental principles and system consists of this system. We compared and analysised all kinds of principle and system of vehicle emission, and also, we selected suitable devices, su
8、ch as infrared source, gas cell, and infrared detector eta. In the thesis, we discussed the distribution of vehicle exhaust, and built system model of vehicle exhaust detection. Though analyzing the Standard Curve Fitting Procedure concerning ingredients of motor vehicle, we detect the corresponding
9、 relation between measurement data and corresponding consistency and the influence factor of accuracy.【Key words】 Automobile exhaust, TDLAS, the distribution of vehicle exhaust1 绪论1.1 引言随着现代科技的迅猛发展，人们研究出了各种各样的气体检测技术。气体检测已被广泛应用到工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等多方领域。各式的气体分析检测仪器也频频出现在日常生活中，精度不断提高。针对城市空气污染日益严重的现
10、况，本课题研究了一种稳定、高效、便携、成本低、精度高的机动车尾气实时检测系统。1.2 选题背景及意义近年来，随着工业发展，汽车保有量飞速增加。汽车的出现使我们的经济、生活有了极大进步，但随着汽车在全世界范围的使用，汽车文明的副产品即汽车尾气所造成的环境污染问题也日益突出。机动车在行驶中燃烧汽油或柴油所排出的大量有害废气已经成为很多城市污染环境大气的主要流动污染源。研究表明:机动车行驶时燃烧的汽油或柴油排放了大量的有害气体，其造成的污染占整个城市空气污染的50%-60%，最高可达80%以上。据统计，截至2008年，中国机动车保有量达到了168亿辆，汽车保有量达到了62893万辆。全世界的汽车保有
11、量以每年3000万辆的速度增长，预测到2010年全球汽车数量将增到10亿辆以上1。城市中汽车保有量大幅度增加，给人们的日常生活带来了极大的便利，同时也带了严峻的环境问题，其产生的尾气已经构成公害。尤其在大城市中，有80%以上CO和40%以上的NxO来自于机动车排放，城市颗粒污染物中20%-30%来自机动车排放。机动车排放物中含有大量的对人体有害的物质。而且，有些污染物质对人体的危害是不可逆转的，可使接触者的呼吸道症状及疾病的出现率升高、人体的免疫功能下降。 机动车尾气污染的危害性日益显现，治理汽车尾气的呼声日益强烈，控制其污染排放量的快速增加已成必然。机动车尾气检测是控制机动车尾气污染的有效手
12、段，加强机动车尾气检测不仅是实施大气防治法的需要，更是我国实施可持续发展战略的需要。目前，我国对汽车尾气检测系统的需求越来越大，但尾气检测产品和技术发展缓慢，大多数通过进口昂贵的国外产品解决问题。投资大，且维修和零部件来源极不方便，费用高。国内尾气检测系统的研究也取得了一定的成果，但总体来说差距较大，普遍有测量精度低、寿命短，体积大等缺点。本文所提出的可调谐激光二极管吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，体积小，精度高，响应速度快，灵敏度高，实时性好。是汽车尾气监控系统的发展方向，具有重要的学术意义和明确的应用前景。
13、1.3 汽车尾气检测技术的发展状况1.3.1 国内研究现状目前，国内应用于实际中的尾气检测系统种类不多，用途相对集中，主要是针对已知气体浓度的检测和控制。我国机动车排放法规的建立与实施起步较晚，1994年5月我国才开始实施排放限值法规。由于我国机动车辆制造技术水平较低，这也相应导致了汽车排放标准的低水平。如GB14761-1993系列标准1994年5月强制实施，考虑到全国含铅汽油使用比较普遍的国情，该标准的排放限值仅接近于ECE83的水平，GB14761-1999系列标准是对GB14761-1993和其它相关部颁标准的修订和替代，于2000年1月1日起开始实施。该标准限值相当于欧洲20世纪90
14、年代初期的水平，接近ECE93法规，这些法规总体上落后于欧洲发达国家10-20年的水平2。主要表现在:在排气污染物控制项目上，我国目前尚缺乏柴油车的排放限值标准；标准中规定的限值与发达国家相比有的要高得多，有些限值与国外有10-20年的差距；某些实验方法与国外法规还有一定的差距；目前我国还没有对汽车排放提出耐久性里程的要求，对于车辆在规定的使用寿命内的排放不能加以控制；在汽车排放限值标准制定过程中缺乏必要的实验验证。很长时间以来，中国汽车维修市场对尾气分析重视程度不高，这与中国汽车工业的发展和环保政策是息息相关的。尾气分析仪的两大主要功用即辅助诊断和尾气检测对七八十年代的中国汽车市场来说，并未受到足够的认识。由于当时绝大多数化油器式汽车结构都比较单一，主要用于怠速工况的检测，而且国内相关生产厂家也少之又少。而环保方面对汽车尾气排放也没有相应的法规要求，尾气分析仪的检测作用在检测和维修企业也没有得以推广应用。九十年代，随着汽车技术的迅猛发展和维修技术的升级变化，很多汽车厂家要求特约维修站将尾气分析仪作为诊断工具在发动机的故障诊断中应用。尾气诊断仪为诊断维修复杂的现代汽车带来了极大的便利，很多维修企业都开始引进尾气分析仪，以适应现代汽车维修的需要。同时，人们对汽车尾气排放造
