基于NDIR传感器的机动车尾气检测中加权定标方法探索

康志强 张金娥（山东省环境保护信息中心山东济南500山东省环境保护科学研究设计院环境检测中心山东济南500）

基于NDIR传感器的机动车尾气检测中加权定标方法探索

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（1山东省环境保护信息中心山东济南2501012山东省环境保护科学研究设计院环境检测中心山东济南250101）

对机动车尾气有害气体的排放的检测，在严格把关控制的同时，能够利用有效防控措施，减少机动车因大量排放有害尾气，是保障我国环境减少被机动车尾气污染的前提。由于机动车车型的不同，其尾气排放中所包含的污染组成复杂，性质各异的特点，故此所包含的有害污染物都有其特定的检测和校验方法。而我国目前主要检测尾气污染物的检测仪器，是利用非分散红外气体传感器，用于检测尾气中一氧化碳和二氧化碳的浓度。而使用NDIR传感器，对机动车尾气进行检测的研究工作，一直是机动车尾气检测中的一项新型开发研究热点。

关镇词:NDIR传感器；定标方法；最小二乘加权拟合

1 NDIR气体传感器应用领域

NDIR气体传感器在目前研究的领域，主要运用在新型硬件的研发上，而将其作为气体浓度计算方案的相关研究较少。实际上，选择合适的气体，利用NDIR气体传感器，可以显著提高其测量精度。而机动车尾气检测CO和CO2浓度，所运用的NDIR气体传感器法，通常采用定标的方法。即利用有限定标的数据为参照，你和一条四次多项式的定标曲线，来作为待测气体浓度，与NDIR气体传感器之间形成与之对应的关系。有文献指出，利用传统的生成四次多项式定标曲线的计算方法，只是适用于待测气体浓度大于满量程的百分10%，才能精算足够精确，而机动车大部分尾气中CO和CO2浓度都低于10%，故此，为提高定标曲线检测精度，采用NDIR气体传感器的甲醛定标方式，来提高定标曲线测量CO与CO2浓度时的拟合优度。

2 加权定标方法

2.1 传统定标方法的不足之处

通过测量CO浓度，利用除零点外选择10个等距点作为测量的定标点，将浓度的最大值定标为10%，且最小值为1%的浓度作为定标参照。通过自动配气系统，将相应浓度的气体通入到传感器中发生相应，并记录数值。所得的结果结合最小二乘法，用于拟合四次多项式的方法，定标数据曲线。为了能够增加对于小于1%的气体浓度范围拟合曲线，更精确和优度，减少误差，可以额外在1%内，均等增加0.1%-0.9%的标准气体浓度，作为减少计算定标误差的结果。如图1所示。

图1

2.2 基于最小二乘加权拟合原理

最小二乘加权拟合原理的应用，是最为常用的计算方法，基于将已知的数据点与预测对象，相互间的影响程度，都视作为相同结果，而不区分数据点的重要性。而实际上，与待测对象的距离越近的数据点，影响程度则越大。相比于给定的待预测对象，数据点的重要性则与它的距离成反比关系。故此，为了改善定标曲线适应于低浓度测量范围的拟合优度，则采用的数据点，应利用残差平方和在最小条件下，求得较为准确的拟合参数。

通过极值计算原理，要使残差平方和E值获得最小值，其对该方程的一阶偏导为0，即公式：

2.3 加权定标结果分析

结合最小二乘加权法，对定标的数值，列举四次多项式曲线拟合精度时，对于所拟合的权函数参数的具体数值时，应该与气体浓度的定标值成反比关系，故此其零点的权值，因是其满量程的1000倍关系。如图2所示。

图2

故此相比于传统的定标方法来获取所需数据时，应该先使用最小二乘加权法，对曲线拟合加强曲线和浓度计算精度。由图可知，利用最小二乘加权法计算机动车尾气浓度，可以明显的改善传统定标因浓度低于1%，无法获取精确优度拟合图像的难题。但另一方面却导致待测气体浓度处于高浓度部分，曲线拟合出现轻微的退化现象。故此对曲线拟合优度的改善适用于在低浓度。而气体在高浓度曲线拟合时，因权值指数的不断增加受到一定影响，故此不适宜采用高于三次方的权函数计算并拟合曲线。

总而言之，利用传统加权定标拟合曲线的方式，获取定标数据NDIR气体传感器获取尾气浓度的加权拟合方式中，改善定标误差方式不满足误差程度在2%的范围内。故此利用NDIR气体传感器加权定标的方式，对传统定标的进一步优化效果，从测量上可以利用有限的数据点，让NDIR气体传感器与实际的曲线，相互相应近乎一致。在曲线拟合优化上，可以通过增加更多的定标数目，来获得更高的精确度。虽然会使得配置难度和消耗计算量的增加，但可以使得整个量程的误差，得以保证在2%以内，获得的定标曲线可以精确的反映出，NDIR气体传感器在量程内的动态特性效果。

结语

对机动车尾气产生的CO和CO2浓度的检测，采用NDIR气体传感器加权定标，适用于在满量程的百分10%以内使用。拟合优度的不理想可通过最小二成加权拟合的方法，利用四次多项式对低浓度的气体检测，提供更大的计算权重，作为拟合优度的改善作用。可以通过增添定标点的方式，在尾气浓度为10%内，获得更精确的拟合结果，让加权定标的误差值控制在2%以内。当前国内随着购车量的增多，故此在尾气检测的标准上也逐渐发生变化，本文所述的加权定标方式具有一定的效用。

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