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基于振镜调制的NDIR机动车尾气检测装置的研制

基于振镜调制的NDIR机动车尾气检测装置的研制

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作者：王婧天津大学

学位级别：硕士

随着我国社会经济的快速发展,人均汽车保有量逐年提高,给人们的生活提供便利的同时,汽车尾气也成为了空气污染的主要来源之一。为了保护和改善人类赖以生存的环境,就必须对汽车尾气排放实行严格的监测和控制。目前,一系列尾气检测方法... 详细信息

随着我国社会经济的快速发展,人均汽车保有量逐年提高,给人们的生活提供便利的同时,汽车尾气也成为了空气污染的主要来源之一。为了保护和改善人类赖以生存的环境,就必须对汽车尾气排放实行严格的监测和控制。目前,一系列尾气检测方法已经被提出,与其他尾气检测方法相比,非分光型红外(nondispersive infrared,NDIR)技术被认为是最简单的方法。NDIR气体检测装置具有结构简单、易于操作、使用寿命长等优点,在环境检测、矿业生产、火灾探测、工业过程控制等领域已经得到了广泛的应用。在NDIR气体检测装置中,由于红外探测器只对光强变化量响应的工作原理,光源往往需要被调制。目前,常用的调制方式主要包括电调制和斩波调制两种。对于具有较长上升时间的大功率红外热辐射光源来说,电脉冲调制是不适用的,高频率的电脉冲会大大缩短光源的使用寿命。斩波调制被广泛地应用于NDIR尾气检测装置,在多组分尾气检测仪器中,往往需要多个检测通道,意味着需要多个探测器,并只能搭配小口径的聚光透镜,就会导致光通量减小,结构变得更加复杂。此外,非共光路的检测方式会影响实际应用中对空间分布不均匀气体的检测精度。本文采用了一种具有共光路结构的NDIR尾气检测装置设计,其创新点是通过摆动的振镜使得光斑在线性探测器阵列中来回扫描,从而实现对每个探测器接收到的光强进行调制,实现了对一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、一氧化氮四种气体的检测。本文设计了整体的光路系统结构,对不同类型的元器件进行了性能比较,从而完成对红外光源、气体池、聚光透镜、红外滤光片、红外探测器以及振镜等元器件的选型工作。此外,通过与斩波调制的对比,振镜调制展现出更高的探测效率和稳定性。在系统搭建后,对系统进行了标定和性能测试。通过对高纯氮气和不同浓度气体的测量,完成对系统的零点标定和气体标定,并且确定了气体的检测限和定量限。标定完成后,对系统进行了重复性和稳定性实验。最后,开放光路中的二氧化碳和一氧化碳的检测证明了该装置的可行性。

关键词： NDIR技术振镜调制尾气检测共光路

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