[发明专利]一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统

摘要

本发明涉及一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；其特征在于：所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出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；然后先采用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。

主权项

一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：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；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：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，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a₀(T₀)和有效光程L；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y_2f(i)的拟合函数模型：y_2f(i)＝Ca₀(T₀)LS₂(V,m)+y₀   II)V＝(i‑i₀)Δx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，y₀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，i₀为二次谐波信号序列y_2f(i)的中心位置，Δx为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数；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：y₀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；i₀的初值为二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max所对应的采样位置；Δx的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得：A)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max与最小值Y_min之比R；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；C)计算二次谐波信号序列y_2f(i)中两个过零采样点的间隔数i_z；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x_z曲线按下式Ⅲ)计算Δx的初值：E)根据m的初值、二次谐波信号序列y_2f(i)中最大值Y_max按下式Ⅳ)计算获得C的初值：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C_corr：$C_{corr}=\frac{C_{raw}}{\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}}---V)$式Ⅴ)中，C_raw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：$\frac{{\mathrm{\α}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\α}}_0\left(T_0\right)}=\frac{T_0}{T}\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\frac{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_{B}T})}{\exp (-\frac{E^{\′\′}}{k_B{T}_0})}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\mathrm{\η}}---VI)$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(T0)为参考温度下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，η为谱线展宽的温度依赖系数常数。