機動車尾氣遙測系統的製作方法

2023-10-09 08:28:59 3

本發明涉及尾氣遙測系統領域，具體是一種機動車尾氣遙測系統。

背景技術：

機動車輛給人們提供了實實在在的利益，如速度和方便，然而城市因為對機動車的依賴付出的代價也越來越大，尤其是機動車輛尾氣給環境造成的損害和汙染已經達到十分嚴重的程度。

機動車輛尾氣排放由三部分組成：通過排氣管排出的內燃機廢氣、曲軸箱洩露的氣體以及油箱和汽化器等燃料系統的蒸發氣體，其種類達到200種至多。其中對環境危害最大的有CO、CO2、NOX（氮氧化合物）和HC（碳氫化合物）。因此，有必要在機動車輛實際行駛環境中對尾氣中這幾種氣體進行測量。

目前，已有基於光譜法測量機動車輛尾氣的系統，如專利號200910241681.X公開的多車道機動車尾氣遙測裝置，其是利用分布在道路兩側的紅外發射和接收管、紫外發射和接收管來測量透過尾氣的光譜信號，進而反演得到尾氣中CO、CO2、NOX和HC的濃度信息。這種測量方式由於紅外發射和接收管、紫外發射和接收管是分布在道路兩側，當有機動車輛並行行駛時，測得的尾氣為多個並行車輛的尾氣，無法獲得每個機動車輛的尾氣中各有害氣體的濃度信息，並且這種測量方式採用分布在道路兩側的光發射裝置、光接收裝置配合計時器測量車輛車速信息，對於有車輛並行且存在超車情況時，同樣無法獲知每個車輛的速度信息，存在局限性。

專利號201521009521.X公開的一種機動車尾氣檢測裝置，其將光源及氣體探測器安裝在車道上方，並且在車道路面表面設置回歸反射裝置用於反射光，這種測量方式雖然能夠針對車道上的車輛進行檢測，不會受到並行車輛的幹擾，但當車輛超車時若干車輛全部或部分位於同一車道內時，該測量方式無法準確測量尾氣，並且在道路表面塗覆布置回歸反射裝置時，由於無法限制車輛並行、超車，存在車輛碾壓回歸反射裝置的問題，容易導致回歸反射裝置磨損、損壞，影響測量的準確性。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種機動車尾氣遙測系統，以解決現有技術機動車尾氣遙測方式存在的無法用於多車輛並行或超車情況、測量準確性差的問題。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為：

機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：包括：

障礙帶，其設置在道路上同向的相鄰車道之間分隔實線位置，並高於道路路面，以取代路面上分隔實線，限制每個車道上車輛變道以使車輛按順序行駛；

多個光反射裝置，其一一對應設置在各個車道上遠離兩側位置，並高於道路路面，且光反射裝置高度低於車輛底盤最低位置高度；

多個紅外光發射和接收裝置，其一一對應設置在各個車道中光反射裝置上方，其中紅外光發射裝置向光反射裝置發出紅外光，經光反射裝置反射後被紅外光接收裝置接收；

多個紫外光發射和接收裝置，其與紅外光發射和接收裝置一一對應集成為一體，且分別設置在各個車道中光反射裝置上方，其中紫外光發射裝置向光反射裝置發出紫外光，經光反射裝置反射後被紫外光接收裝置接收；

多個攝像頭，其一一對應設置在各個車道上方，由攝像頭採集對應車道上車輛的牌照圖像，並記錄採集時間；

主控制盒，其包括主控制器、無線路由器、數據採集卡、圖像採集卡，其中數據採集卡、圖像採集卡輸出端分別接入主控制器的數據埠，無線路由器接入主控制器的通訊埠，所述攝像頭與圖像採集卡的輸入端連接，由圖像採集卡採集攝像頭拍攝的牌照圖像後送入主控制器，所述紅外光接收裝置、紫外光接收裝置分別與數據採集卡的輸入端連接，由數據採集卡採集紅外光接收裝置接收的紅外光譜信號、紫外光接收裝置接收的紫外光譜信號並送入主控制器，所述主控制器通過無線路由器與外部伺服器通訊連接；

車載無線模塊，其安裝在車道上行駛的車輛中並接入車輛中MCU的通訊埠，當車輛行駛進入主控制盒中無線路由器的通訊範圍時，MCU通過車載無線模塊接入無線路由器，由無線路由器分別與各個車輛中MCU通訊連接構成車聯網，每個車輛中MCU分別向無線路由器發送自身的車速信息、加速度信息、對應的時間信息和預設寫入MCU中的牌照信息，由無線路由器將各個車輛的車速信息、加速度信息、時間信息和牌照信息發送至主控制器；

當車輛行駛至紅外光發射和接收裝置、紫外光發射和接收裝置工作位置時，由紅外光發射裝置向車輛產生的尾氣發出紅外光，由紫外光發射裝置向車輛產生的尾氣發出紫外光，同時由攝像頭拍攝該車輛的牌照圖像，紅外光、紫外光分別穿過尾氣後再經光反射裝置對應反射至紅外光接收裝置、紫外光接收裝置，並由數據採集卡將紅外光接收裝置、紫外光接收裝置各自接收的光譜信號傳送至主控制器，同時攝像頭將採集的車輛牌照圖像傳送至主控制器；主控制器根據紅外光發射裝置出射而未經過尾氣的紅外光譜信號、經過尾氣後被紅外光接收裝置接收的紅外光譜信號反演計算得到尾氣中CO和CO2的濃度，主控制器根據紫外光接收裝置接收的紫外光譜信號變化反演計算得到尾氣中NOx和HC的濃度，同時主控制器對攝像頭採集的牌照圖像進行處理得到車輛牌照數據，並與無線路由器傳送的數據進行比對，找到車輛牌照符合且時間對應的車輛的速度數據、加速度數據，最後主控制器將車輛牌照信息、速度信息、加速度信息、尾氣中CO和CO2濃度信息、NOx和HC濃度信息分別通過無線路由器傳送至外部伺服器。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的障礙帶使多個車輛一一順序排列在車道上行駛，以防止車輛超車或車輛避讓時車輪軋到光反射裝置。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的紅外光發射裝置，其發射的紅外光中心波長選擇在1560～1580nm範圍內，其中優選1579.737nm用於檢測尾氣中CO濃度，優選1579.574nm用於檢測尾氣中CO2濃度。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的紫外光發射裝置，其發射的紫外光中心波長選擇在200～250nm範圍內，其中優選在225～230nm範圍內用於檢測尾氣中NO的濃度，優選在217～223nm範圍內用於檢測尾氣中HC的濃度。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的紅外光發射裝置由可調諧二極體雷射器構成，可調諧二極體雷射器發出的紅外光經分光器分為兩路，一路被一個紅外光電探測器接收作為參考光，另一路經準直鏡準直平行作為探測光入射至尾氣，再經光反射裝置反射後被另一個作為紅外光接收裝置的紅外光電探測器接收，最後由紅外光接收裝置將檢測的紅外光譜信號通過數據採集卡發送至主控制器。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的紫外光發射裝置由氘燈構成，氘燈發出的紫外光經準直鏡準直平行後作為探測光入射至尾氣，再經光反射裝置反射後被作為紫外光接收裝置的紫外CCD單色儀接收，調整紫外CCD單色儀的位置即可探測到紫外光譜信號的變化，紫外CCD單色儀將接收的紫外光譜信號通過數據採集卡發送至主控制器。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的光反射裝置包括圓座，圓座上可拆卸安裝有同樣圓形的鏡座，鏡座頂部豎直向下設有圓柱形的安裝槽，安裝槽頂部一個徑向兩端分別安裝有紅外光反射鏡，安裝槽內另一個徑向兩端分別安裝有紫外光反射鏡，紅外光反射鏡所在徑向的高度高於紫外光反射鏡所在徑向的高度，且紅外光反射鏡所在徑向垂直於紫外光反射鏡所在徑向；紅外光發射裝置、紅外光接收裝置一一對應位於兩紅外光反射鏡上方，紫外光發射裝置、紫外光接收裝置一一對應位於兩紫外光反射鏡上方。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述的鏡座通過環繞安裝槽的多個螺栓固定在圓座上，且鏡座底部中心設有十字形定位塊，圓座頂部設有十字形定位孔，鏡座安裝在圓座上時，鏡座底部的十字形定位塊定位插入圓座頂部的十字形定位孔。

所述的機動車尾氣遙測系統，其特徵在於：所述主控制盒內還設有氘燈電源電路、可調諧二極體雷射器調製電路，其中氘燈電源電路接入主控制器並供電至氘燈，由主控制器通過氘燈電源電路向氘燈控制供電；

可調諧二極體雷射器調製電路包括溫控器、電流控制電路、鋸齒掃描電路、高頻信號產生電路、鎖相放大器，所述溫控器、鋸齒掃描電路、高頻信號產生電路的輸入端分別接入主控制器，溫控器的輸出端與可調諧二極體雷射器連接，鋸齒掃描電路的輸出端與電流控制電路輸入端連接，電流控制電路輸出端與可調諧二極體雷射器連接，高頻信號產生電路的輸出端分別與電流控制電路輸入端、鎖相放大器輸入端連接，鎖相放大器輸入端還與作為紅外光接收裝置的紅外光電探測器連接，鎖相放大器輸出端通過數據採集卡與主控制器連接。

本發明中，在道路上相鄰車道之間採用高於路面的障礙帶取代路面上的實線，可將機動車輛限制在車道上按順序排列行駛，此時在每個車道上遠離兩側位置設置高於路面的光反射裝置用於反射光信號，由於車輛被限制在車道中無法超車只能按順序行駛，因此每個車輛只會在車道中沿中間行駛，在行駛過程中車輪不會碾壓到光反射裝置，不會造成光反射裝置的磨損和損壞，提高了整個系統的使用壽命和測量準確性。

本發明中，紅外、紫外光發射和接收裝置分別布置在車道中光反射裝置上方，採用垂直出射和反射的方式進行光譜測量，可實現對車道中車輛的一一測量，不會受到車輛並行行駛、超車情況的影響，能夠精確測量每個車輛的尾氣中有害氣體濃度。

本發明中，基於無線路由器構建車聯網接收各個車輛的速度、加速度，以及對應的時間點，由主控制器根據時間點和牌照找到測量尾氣時車輛對應的速度、加速度信息。傳統的雷達測速法存在測量局限性大、並且容易被規避的問題，而採用光學測速需要增加光學設備，相應的增加成本。因此本發明基於車聯網接收各個車輛MCU發送的車輛速度、加速度信息，不僅成本較低，而且能有效實現各個車輛車速、加速度的精確測量，並能夠根據各個時間點的速度、加速度信息獲得無線路由器通訊範圍內車輛的平均速度信息，具有測量範圍廣、測量精確性高的優點。

本發明中，紅外光的中心波長選擇在1560～1580nm範圍內，其中優選1579.737nm用於檢測尾氣中CO濃度，優選1579.574nm用於檢測尾氣中CO2濃度，很好的避開了水氣、甲烷等其他氣體的影響，提高尾氣測量的靈敏度和準確性。

本發明中，紫外光中心波長選擇在200～250nm範圍內，其中優選在225～230nm範圍內用於檢測尾氣中NO的濃度，優選在217～223nm範圍內用於檢測尾氣中HC的濃度，在這些波長範圍內NO、HC對應的紫外光吸收達到最強，可提高尾氣測量的靈敏度和準確性。

本發明中光反射裝置由圓座和可拆卸安裝在圓座上的鏡座構成，鏡座內紅外光的反射光路和紫外光的反射光路相互錯開，實現反射光路集成為一體、對應的紅外發射和接收裝置與紫外發射和接收裝置集成為一體的同時，能夠避免紅外光、紫外光相互幹擾，提高測量的準確性。同時鏡座可從圓座上拆下，且鏡座與圓座之間定位安裝，大大方便了日常的維護工作。

本發明中，選用可調諧二極體雷射器配合相應的調製電路作為紅外光源，可採用不同的電流來驅動可調諧二極體雷射器發出不同波長的雷射。調製電流會隨著時間做周期性的變化，從而雷射波長也會在某個波段內不停的掃描探測器，因此可實現多組分氣體的紅外測量，具有測量範圍大的優點。

綜上所述，本發明相比於現有技術，具有測量範圍大、測量靈敏度和準確性高、使用壽命長的優點，並且不會收到車輛並行、超車的影響。

附圖說明

圖1為本發明系統示意圖。

圖2為本發明測量系統原理正視圖。

圖3為本發明主控制盒部分原理框圖。

圖4為本發明中光反射裝置結構示意圖。

圖5為本發明光反射裝置反射原理圖。

圖6為本發明中可調諧二極體雷射器調製電路圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，機動車尾氣遙測系統，包括：

障礙帶1，其設置在道路上同向的相鄰車道2之間分隔實線位置，並高於道路路面，以取代路面上分隔實線，限制每個車道2上車輛3變道以使車輛3按順序行駛；

多個光反射裝置4，其一一對應設置在各個車道2中間位置，並高於道路路面，且光反射裝置4高度低於車輛3底盤最低位置高度；

如圖5所示，多個紅外光發射和接收裝置，其一一對應設置在各個車道中光反射裝置4上方，其中紅外光發射裝置5向光反射裝置4發出紅外光，經光反射裝置4反射後被紅外光接收裝置6接收；

多個紫外光發射和接收裝置，其與紅外光發射和接收裝置一一對應集成為一體形成集成體9，且分別設置在各個車道中光反射裝置4上方，其中紫外光發射裝置7向光反射裝置發出紫外光，經光反射裝置4反射後被紫外光接收裝置8接收；

多個攝像頭10，其一一對應設置在各個車道2上方，由攝像頭10採集對應車道2上車輛3的牌照圖像，並記錄採集時間；

如圖3所示，主控制盒11，其包括主控制器、無線路由器、數據採集卡、圖像採集卡，其中數據採集卡、圖像採集卡輸出端分別接入主控制器的數據埠，無線路由器接入主控制器的通訊埠，攝像頭10與圖像採集卡的輸入端連接，由圖像採集卡採集攝像頭10拍攝的牌照圖像後送入主控制器，紅外光接收裝置6、紫外光接收裝置8分別與數據採集卡的輸入端連接，由數據採集卡採集紅外光接收裝置6接收的紅外光譜信號、紫外光接收裝置8接收的紫外光譜信號並送入主控制器，主控制器通過無線路由器與外部伺服器通訊連接；

紅外光發射和接收裝置、紫外光發射和接收裝置、攝像頭、主控制盒可共同設置在龍門架上，通過龍門架跨設在各車道上。

車載無線模塊，其安裝在車道2上行駛的車輛3中並接入車輛3中MCU的通訊埠，當車輛行駛進入主控制盒11中無線路由器的通訊範圍時，MCU通過車載無線模塊接入無線路由器，由無線路由器分別與各個車輛3中MCU通訊連接構成車聯網，每個車輛3中MCU分別向無線路由器發送自身的車速信息、加速度信息、對應的時間信息和預設寫入MCU中的牌照信息，由無線路由器將各個車輛3的車速信息、加速度信息、時間信息和牌照信息發送至主控制器；

當車輛行駛至紅外光發射和接收裝置、紫外光發射和接收裝置工作位置時，由紅外光發射裝置5向車輛3產生的尾氣12發出紅外光，由紫外光發射裝置7向車輛3產生的尾氣12發出紫外光，同時由攝像頭10拍攝該車輛3的牌照圖像，紅外光、紫外光分別穿過尾氣12後再經光反射裝置4對應反射至紅外光接收裝置6、紫外光接收裝置8，並由數據採集卡將紅外光接收裝置6、紫外光接收裝置8各自接收的光譜信號傳送至主控制器，同時攝像頭10將採集的車輛牌照圖像傳送至主控制器；主控制器根據紅外光發射裝置5出射而未經過尾氣12的紅外光譜信號、經過尾氣後被紅外光接收裝置6接收的紅外光譜信號反演計算得到尾氣中CO和CO2的濃度，主控制器根據紫外光接收裝置8接收的紫外光譜信號變化反演計算得到尾氣中NOx和HC的濃度，同時主控制器對攝像頭10採集的牌照圖像進行處理得到車輛牌照數據，並與無線路由器傳送的數據進行比對，找到車輛牌照符合且時間對應的車輛的速度數據、加速度數據，最後主控制器將車輛牌照信息、速度信息、加速度信息、尾氣中CO和CO2濃度信息、NOx和HC濃度信息分別通過無線路由器傳送至外部伺服器。

障礙帶1使多個車輛一一順序排列在車道2上行駛，以防止車輛超車或車輛避讓時車輪軋到光反射裝置。

紅外光發射裝置5，其發射的紅外光中心波長選擇在1560～1580nm範圍內，其中優選1579.737nm用於檢測尾氣中CO濃度，優選1579.574nm用於檢測尾氣中CO2濃度。

紫外光發射裝置7，其發射的紫外光中心波長選擇在200～250nm範圍內，其中優選在225～230nm範圍內用於檢測尾氣中NO的濃度，優選在217～223nm範圍內用於檢測尾氣中HC的濃度。

紅外光發射裝置5由可調諧二極體雷射器構成，可調諧二極體雷射器發出的紅外光經分光器分為兩路，一路被一個紅外光電探測器接收作為參考光，另一路經準直鏡準直平行作為探測光入射至尾氣，再經光反射裝置4反射後被另一個作為紅外光接收裝置6的紅外光電探測器接收，最後由紅外光接收裝置6將檢測的紅外光譜信號通過數據採集卡發送至主控制器。

紫外光發射裝置由氘燈構成，氘燈發出的紫外光經準直鏡準直平行後作為探測光入射至尾氣，再經光反射裝置4反射後被作為紫外光接收裝置的紫外CCD單色儀接收，調整紫外CCD單色儀的位置即可探測到紫外光譜信號的變化，紫外CCD單色儀將接收的紫外光譜信號通過數據採集卡發送至主控制器。

如圖4、圖5所示，光反射裝置4包括圓座41，圓座41上可拆卸安裝有同樣圓形的鏡座42，鏡座42頂部豎直向下設有圓柱形的安裝槽43，安裝槽43頂部一個徑向兩端分別安裝有紅外光反射鏡44，安裝槽43內另一個徑向兩端分別安裝有紫外光反射鏡45，紅外光反射鏡44所在徑向的高度高於紫外光反射鏡45所在徑向的高度，且紅外光反射鏡44所在徑向垂直於紫外光反射鏡45所在徑向；紅外光發射裝置5、紅外光接收裝置6一一對應位於兩紅外光反射鏡上方，紫外光發射裝置7、紫外光接收裝置8一一對應位於兩紫外光反射鏡上方。

鏡座42通過環繞安裝槽的多個螺栓46固定在圓座41上，且鏡座42底部中心設有十字形定位塊47，圓座41頂部設有十字形定位孔48，鏡座42安裝在圓座41上時，鏡座42底部的十字形定位塊47定位插入圓座41頂部的十字形定位孔48。

如圖3所示，主控制盒內還設有氘燈電源電路、可調諧二極體雷射器調製電路，其中氘燈電源電路接入主控制器並供電至氘燈，由主控制器通過氘燈電源電路向氘燈控制供電；

如圖6所示，可調諧二極體雷射器調製電路包括溫控器、電流控制電路、鋸齒掃描電路、高頻信號產生電路、鎖相放大器，所述溫控器、鋸齒掃描電路、高頻信號產生電路的輸入端分別接入主控制器，溫控器的輸出端與可調諧二極體雷射器連接，鋸齒掃描電路的輸出端與電流控制電路輸入端連接，電流控制電路輸出端與可調諧二極體雷射器連接，高頻信號產生電路的輸出端分別與電流控制電路輸入端、鎖相放大器輸入端連接，鎖相放大器輸入端還與作為紅外光接收裝置的紅外光電探測器連接，鎖相放大器輸出端通過數據採集卡與主控制器連接。

溫控器和電流控制電路，使得可調諧二極體雷射器工作在恆定溫度下，輸出功率穩定的近紅外雷射，並將其調節在待測氣體吸收譜線的中心波長處。由鋸齒掃描電路輸出頻率為100Hz、幅度一定的鋸齒波信號到可調諧二極體雷射器的電流控制部分，以對待測氣體吸收譜線進行掃描。由高頻信號產生電路輸出一頻率為f的正弦波信號對可調諧二極體雷射器的注入電流進行調製，以實現波長調製。經過調製的雷射由作為紅外光接收裝置的紅外光電探測器接收，把光信號轉化為電信號，送至鎖相放大器。鎖相放大器根據高頻信號產生電路輸出的2f頻率的參考信號，對紅外光電探測器信號進行解調，從而輸出二次諧波吸收信號，並由主控制器採集和處理。