专利名称：袖珍型人车多用近红外光石油产品检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种袖珍型人车多用近红外光感应石油产品检测器背景技术随着汽车工业的蓬勃发展，汽车发动机所用燃料——汽油、柴油的使用量也越大，随着汽车燃用油发动机压缩比的提高，对汽车燃用油的抗暴性能的要求也变得更高。而辛烷值、十六烷值是汽车燃用油抗暴性能的重要指标。如果汽车燃用油的抗暴性不好(辛烷值、十六烷值低)，油料在发动机内燃烧时会产生强大冲击波，猛烈撞击或塞头和汽缸，发出金属敲击声，使得燃料来不及充分燃烧便排出汽缸(冒黑烟)，因而造成汽车发动机功率下降，油耗增大，同时这种爆震现象会降低发动机的使用寿命。要想确保汽车发动机功率正常，汽车添加的燃用油的实际标准一定要符合汽车发动机的额定燃油标号，即所添加燃用油的辛烷值、十六烷值等物质含量一定要符合额定标准。这样就需要汽车添加燃用油时及时检测油的辛烷值、十六烷值等物质含量是否与其牌号相符。然而，目前市场上在对汽车燃用油的的检测方面存在以下问题(1)目前对汽车燃用油的检测设备体积较大，只适合石油生产单位进行生产在线检测和石油经营、研究、质检部门进行实验检测，汽车消费者却不能直接参与汽车燃用油的品质检测，不知道爱车所添加的汽油是否达到其标号；(2)现有检测设备的操作程序繁琐，价格昂贵无法推广，例如目前使用的研究法马达法联合辛烷值机、近红外光谱分析仪等设备市场售价在十几到上百万不等，检测时需要单取样品，使用过程复杂，非专业人员难以操作；(3)汽车的制造与设计也缺少对燃用油的辛烷值和十六烷值等物质含量标准的自动检测系统与功能。由于石油产品市场的不正当竞争和不规范经营，常有因汽车燃用油不达标而导致损害汽车发动机的事件，进而损害了消费者的利益。
本发明的目的是针对上述几个问题，提供一种小型人用车用近红外光感应式石油制品的辛烷值、十六烷值等物质含量的检测仪器，该仪器使用时无需取样，无需接触，可供专业和非专业人员随时随地操作，体积小，重量轻，携带、保管方便，检测快捷准确，造价低廉，即可加载到汽车的电路和仪表盘，又可以随时供汽车驾驶员对所加燃用油的辛烷值或十六烷值等物质指标进行核测，这样既便于汽车消费者爱车维权，又对建造绿色健康的燃用油市场起到监管和促进作用。
为达到上诉的目的，本发明采取以下技术方案如图1所示，本发明包括主动红外光源、光处理器、测样探头、检测器、数据处理控制器、显示器共六大部分组成。其依据原理为近红外光谱技术可以作为汽油、柴油等石油产品的品质检测，这已取得共识。近红外光谱区(800～2500nm)的光谱有3个重要的特征(1)仅有x-H基团(X＝C、O、S、N、P)产生吸收；(2)由于不同的C-H键振动存在不同的非谐振性常数，各基团的近红外吸收谱带较基频区分离得好；(3)吸收强度随谱带级次的增加而迅速减小。根据上述特性，我们使用经分光处理器处理的主动红外光通过测样探头照射检测品，再通过检测探头、检测器采集带有检测品信号的反射或透射光，然后由数据控制处理器来分析石油产品的待测成分(辛烷值、十六烷值等物质)，并通过显示器将检测数据显示出来，从而得到石油的品质。
本发明的目的是这样实现的，上述的主动近红外光源采用溴钨灯或者发光二级管，由其提供近红外光；上述的光处理器是采用滤光片或光栅或干涉仪或声光调制滤光器，对近红外射光进行选择过滤，以便通过测样探头的光信号更明确；上述的测样探头由光纤和透镜构成，按其功能分为发光探头A和吸光探头B，其功能是负责近红外光信号的完整传递；上述的检测器是采用光敏元件或电荷藕合器件(CCD)构成，其作用是将通过测样探头获取的近红外光与样品作用后携带样品信息的光信号转变为电信号或数据图像，并通过模数电路转换器完成信息的A/D转换，再通过模数电路转换器以数字信号形式输出，上述的检测器也可通过使用近红外成像CCD来获得由主动近红外光源照射样本后的反射图像或透射图像，再通过模数电路转换器将相应图像的灰度值对比分析后以数字信号形式输出；上述的数据控制系统是由对近红外光源、光处理器、测样探头、成像或数字电路以及数字信号分析的的软件和相关的硬件设备构成，其功能是控制仪器各部分的工作状态、设定光谱采集的有关数据并对相关数据进行处理，进而实现定性定量分析；上述的显示器采用液晶显示，是将数据控制器的分析结果以数字形式显示。
为实现本发明的目的，本发明所采用的识别系统的主框图如图2所示虚框表明识别系统运行前的模型学习部分。学习是离线的，通过大量的数据采集、分析，提取出能反映各个不同标号的汽油或柴油等石油产品近红外光谱特征曲线的具体特点的数值特征，建立各标号汽油、柴油在这些数值特征上的隶属函数，形成汽油、柴油类型的模糊模式样本库。
1.特征提取与隶属函数的建立通过对采集到的检测样本的反射或透射红外光数字化曲线或近红外图像进行分析，从中提取出能反映出石油产品品质类型特点的一些数值特征，用这些数值特征上的模糊集合来描述汽油的特点。
建立隶属函数的具体步骤如下(以汽油为例)设已采集到某一标号汽油的反射光数字曲线的2n个样本，它们在选定的特征上的值分别为x1，x2，…，x2n。将这2n个数据依从小到大的顺序排列y1＜y2＜…＜y2n依次从前后各取一数配对形成闭区间，共形成n个闭区间，它们组成如下的闭区间套〔y1，y2n〕_〔y2，y2n-1〕_…_〔yn，yn+1〕由这些闭区间定义该汽油样本在选定的特征上的隶属函数A如下对任一实数x，若有k个区间包含x，则x的隶属度为，A(x)＝k/n。

表1 93#汽油的反射吸光度特征表1列出了93#汽油的反射特征曲线的8个样本的最大吸光度值。据此建立的93#汽油的反射吸光度特征的隶属函数如图3所示。
2.汽油特征的表示方法在一般的模式识别中，对每一个特征都不加区分地应用于所有的样本类中，这使得在识别算法和参数调整等方面增加了大量不必要的开销。依据人的识别经验，要识别一类汽油时，不一定要细致地考察样本的所有特征。本文使用了特征分离的方法，针对每一类汽油的具体特点，选择最能反映该类汽油的一组特征，依据这组特征来识别该类汽油。
在进行模糊模式识别时，每一类汽油的具体特点采用模糊产生式规则的方式表达，其规则的表示形式如下如果汽油在特征f1上具有模糊值A1，且在特征f2上具有模糊值A2，………………………………且在特征fn上具有模糊值An，则该汽油属于类型S记为S＝A1/f1∧A2/f2∧…∧An/fn在实际的分类中，由于汽油类型的复杂性，还会遇到如下的情况如果汽油在特征f1上具有模糊值A1，或在特征f2上具有模糊值A2，则该汽油属于类型S
记为S＝A1/f1∨A2/f2也有更为复杂的情况，如S＝A1/f1∧(A2/f2∨A3/f3)S＝(A1/f1∧A2/f2)∨(A3/f3∧A4/f4)3.模糊分类方法经过对大量样本进行分析和特征提取后，即可建立汽油类别的知识库，并依据此知识库对汽油进行实时识别。在应用中，依据知识库，计算出待识汽油对每一类汽油的隶属度，依据最大隶属原则进行模糊判决。识别流程如图4所示。
设模式库中有汽油样本Sm，Sn，它们的逻辑表达式为Sm＝A1/f1∧A2/f2Sn＝B1/f1∨B2/f2对于待识样本x，用下式要求它对模式Sm，Sn的隶属度Sm(x)＝A1(f1(x))∧A2(f2(x))Sn(x)＝B1(f1(x))∨B2(f2(x))其中，fi(x)表示样本x的特征i的值，Si(x)表示样本x关于汽油Si的隶属度。
设S1，S2，…，Sn是库中全部的汽油类别，当待识别样本对n个模式的隶属度都求出后，即可用最大隶属原则进行判决。即，求Sk，使得
Sk(x)＝max{S1(x)，S2，…，Sn(x)}λ是预先设定的一阈值。如果Sk(x)＞λ，则判定待识样本是汽油Sk，否则，认为输入信号不清楚，或不属于已知的汽油类别，作出拒识处理。
为实现本发明的目的，本发明所检测的石油制品是指汽车燃用的汽油、柴油，所检测的物质包括辛烷值、十六烷值、苯等物质。
为实现本发明的目的，本发明所述的主动红外光源采用溴钨灯或者发光二级管。
为实现本发明的目的，本发明所述的光处理器是采用滤光片或光栅或干涉仪或声光调制滤光器中的一种或其中两种或两种以上的组合。
为实现本发明的目的，本发明所述的测样探头包括发光探头A和吸光探头B，所述的射光探头A和吸光探头B是旋转可调的，而且两者之间有可调的光轴夹角，该夹角可调范围为0～180度。
为实现本发明的目的，本发明所述的检测器是采用光敏元件或电荷藕合器件(CCD)构成，采取单通道或者多通道或者采用模糊数学成像等检测方式。
为实现本发明的目的，本发明所述的近红外光区域包括700nm～2500nm。
为实现本发明的目的，本发明所述的工作环境条件包括温度范围是-10℃～35℃；湿度范围是0～80％。
为实现本发明的目的，本发明所述的汽油辛烷值测量范围是60～105，精度为正负0.1％～正负1％；柴油十六烷值测量范围是40～60，精度为正负0.1％～正负1％。
为实现本发明具有以下技术效果使用分光处理器处理主动红外光源的发射光，可以截掉低波长光，有选择地让近红外光通过；采用测样探头照射检测品，由于测样探头有光轴夹角可调的发光探头A和吸光探头B组成，可以不接触和单取样品即可获得近红外光通过待测物品后的变化信息；本发明的检测探头、检测器可以采集带有检测品信号的反射或透射光，并把带有检测品信号的反射或透射光变为可供数据处理器分析的数据图像；然后再由数据控制处理器来分析石油产品的待测成分(辛烷值、十六烷值等物质)，并通过显示器将检测数据显示出来，从而得到石油的品质。


图1为本发明近红外光石油产品检测器的构造原理2为汽油品质识别系统结构图3为93#汽油的反射吸光度特征的隶属函数4为汽油识别流程5为现有近红外光石油产品分析仪的构造原理图具体实施方式
参照图5，现有近红外光石油产品分析仪的构造包括近红外光源、分光器、测样器件、检测器、数据处理控制器、打印机器六部分；现有近红外光源采用溴钨灯或者发光二级管，由其提供近红外光；现有的分光器是采用滤光片或光栅或干涉仪或声光调制滤光器，对近红外射光进行选择过滤；现有的检测器是采用光敏元件或电荷藕合器件(CCD)构成，其作用是获取近红外光通过样品的光信号转变为电信号或数据，并通过模数电路转换器完成信息的A/D转换，再通过模数电路转换器以数字信号形式输出；现有的数据控制系统是由仪器控制、采谱和光谱处理分析等相关的软、硬件设备构成，其功能是控制仪器各部分的工作状态、设定光谱采集的有关数据并对相关数据进行处理，进而实现定性定量分析；现有的打印机，是将数据控制器的分析结果打印出来。
参照图1，本发明由近红外光源、光处理器、测样探头、检测器、数据处理控制器、显示器组成。本发明的近红外光源采用溴钨灯或者发光二级管，由其提供近红外光；本发明的光处理器是采用滤光片或光栅或干涉仪或声光调制滤光器，对近红外射光进行选择过滤，以便通过测样探头的光信号更明确；本发明的测样探头由光纤和透镜构成，按其功能分为发光探头A和吸光探头B，其功能是负责近红外光信号的完整传递；本发明的检测器是采用光敏元件或电荷藕合器件(CCD)构成，其作用是将通过测样探头获取的近红外光与样品作用后携带样品信息的光信号转变为电信号或数据图像，并通过模数电路转换器完成信息的A/D转换，再通过模数电路转换器以数字信号形式输出，本发明的检测器也可通过使用近红外成像CCD来获得由主动近红外光源照射样本后的反射图像或透射图像，再通过模数电路转换器将相应图像的灰度值对比分析后以数字信号形式输出；本发明的数据控制系统是由对近红外主动光源、光处理器、测样探头、成像或数字电路以及数字信号分析的的软件和相关的硬件设备构成，其功能是控制仪器各部分的工作状态、设定光谱采集的有关数据并对相关数据进行处理，进而实现定性定量分析；本发明的显示器采用液晶显示，是将数据控制器的分析结果以数字形式显示，从而直观得知待测物品的品质。
权利要求
1.一种袖珍型人车多用近红外光石油产品检测器，本发明包括主动近红外光源、光处理器、测样探头、检测器、数据处理控制器、显示器共六大部分组成。其特征在于该产品可供人车多用、无需取样、无需接触产品即可测量石油产品的品质并显示所测量的产品品质是否达标。
2.根据权利1的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于使用分光处理器对主动红外光进行处理，再通过测样探头照射检测品，再通过检测探头、检测器采集带有检测品信号的反射或透射光，然后由数据控制处理器来分析石油产品的待测成分(辛烷值、十六烷值等物质)，并通过显示器将检测数据显示出来，从而得到石油的品质。
3.根据权利1、2的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所检测的石油制品是指汽车燃用的汽油、柴油，所检测的物质包括辛烷值、十六烷值、苯等物质。
4.根据权利1的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所述的主动红外光源采用溴钨灯或者发光二级管。
5.根据权利1的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所述的光处理器是采用滤光片或光栅或干涉仪或声光调制滤光器中的一种或其中两种或两种以上的组合。
6.根据权利1的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所述的测样探头包括发光探头和吸光探头，所述的射光探头和吸光探头是旋转可调的，而且两者之间有可调的光轴夹角，该夹角可调范围为0～180度。
7.根据权利1的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所述的检测器是采用光敏元件或电荷藕合器件(CCD)构成，采取单通道或者多通道或者采用模糊数学成像等检测方式；上述的检测器也可通过使用近红外成像CCD来获得由主动近红外光源照射样本后的反射图像或透射图像，再通过模数电路转换器将相应图像的灰度值对比分析后以数字信号形式输出；
8.根据权利1、2的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所述的近红外光区域包括700nm～2500nm。
9.根据权利1、2的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所述的工作环境条件包括温度范围是-10℃～35℃；湿度范围是0～80％。
10.根据权利1、2的要求，一种袖珍型近红外光石油产品检测器其特征在于为实现本发明的目的，本发明所采用的识别系统的识别原理为先将与待识油品作用后的近红外光的信息作预处理，再将待识油品的信息特征提取出来，根据建立的隶属函数计算其隶属度，然后将隶属度与模式样本库对比，最后运用模糊判决得出识别结果。识别系统运行之前，通过大量的数据采集、分析，提取出能反映各个不同标号的汽油或柴油等石油产品近红外光谱特征曲线的具体特点的数值特征，建立各标号汽油、柴油在这些数值特征上的隶属函数，形成汽油、柴油类型的模糊模式样本库。(1)、特征提取与隶属函数的建立通过对采集到的检测样本的反射或透射红外光数字化曲线或近红外图像进行分析，从中提取出能反映出石油产品品质类型特点的一些数值特征，用这些数值特征上的模糊集合来描述汽油的特点。建立隶属函数的具体步骤如下(以汽油为例)设已采集到某一标号汽油的反射光数字曲线的2n个样本，它们在选定的特征上的值分别为x1，x2，…，x2n。将这2n个数据依从小到大的顺序排列y1＜y2＜…＜y2n依次从前后各取一数配对形成闭区间，共形成n个闭区间，它们组成如下的闭区间套〔y1，y2n〕_〔y2，y2n-1〕_…_〔yn，yn+1〕由这些闭区间定义该汽油样本在选定的特征上的隶属函数A如下对任一实数x，若有k个区间包含x，则x的隶属度为，A(x)＝k/n。
表1 93#汽油的反射吸光度特征表1列出了93#汽油的反射特征曲线的8个样本的最大吸光度值。据此建立的93#汽油的反射吸光度特征的隶属函数。(2)、汽油特征的表示方法在一般的模式识别中，对每一个特征都不加区分地应用于所有的样本类中，这使得在识别算法和参数调整等方面增加了大量不必要的开销。依据人的识别经验，要识别一类汽油时，不一定要细致地考察样本的所有特征。本文使用了特征分离的方法，针对每一类汽油的具体特点，选择最能反映该类汽油的一组特征，依据这组特征来识别该类汽油。在进行模糊模式识别时，每一类汽油的具体特点采用模糊产生式规则的方式表达，其规则的表示形式如下如果汽油在特征f1上具有模糊值A1，且在特征f2上具有模糊值A2，………………………………且在特征fn上具有模糊值An，则该汽油属于类型S记为S＝A1/f1∧A2/f2∧…∧An/fn在实际的分类中，由于汽油类型的复杂性，还会遇到如下的情况如果汽油在特征f1上具有模糊值A1，或在特征f2上具有模糊值A2，则该汽油属于类型S记为S＝A1/f1∨A2/f2也有更为复杂的情况，如S＝A1/f1∧(A2/f2∨A3/f3)S＝(A1/f1∧A2/f2)∨(A3/f3∧A4/f4)(3)、模糊分类方法经过对大量样本进行分析和特征提取后，即可建立汽油类别的知识库，并依据此知识库对汽油进行实时识别。在应用中，依据知识库，计算出待识汽油对每一类汽油的隶属度，依据最大隶属原则进行模糊判决。其识别流程为先将待识样本进行预处理，再进行特征抽取、分离，根据特征分离结果计算各隶属度，再将各隶属度与多种模式进行对比和模糊判决，进而得出识别结果。设模式库中有汽油样本Sm，Sn，它们的逻辑表达式为Sm＝A1/f1∧A2/f2Sn＝B1/f1∨B2/f2对于待识样本x，用下式要求它对模式Sm，Sn的隶属度Sm(x)＝A1(f1(x))∧A2(f2(x))Sn(x)＝B1(f1(x))∨B2(f2(x))其中，fi(x)表示样本x的特征i的值，Si(x)表示样本x关于汽油Si的隶属度。设S1，S2，…，Sn是库中全部的汽油类别，当待识别样本对n个模式的隶属度都求出后，即可用最大隶属原则进行判决。即，求Sk，使得Sk(x)＝max{S1(x)，S2，…，Sn(x)}λ是预先设定的一阈值。如果Sk(x)＞λ，则判定待识样本是汽油Sk，否则，认为输入信号不清楚，或不属于已知的汽油类别，作出拒识处理。
全文摘要
本发明公开了一种人车多用、无需取样、无需接触式袖珍型近红外光石油产品检测器，本发明包括主动红外光源、光处理器、测样探头、检测器、数据处理控制器、显示器共六大部分组成。使用经分光处理器处理的主动红外光通过测样探头照射检测品，再通过检测探头、检测器采集带有检测品信号的反射或透射光，然后由数据控制处理器来分析石油产品的待测成分(辛烷值、十六烷值等物质)，并通过显示器将检测数据显示出来，从而得到石油的品质。
文档编号G01N21/01GK1624455SQ20041007440
公开日2005年6月8日 申请日期2004年9月14日 优先权日2004年9月14日
发明者侯兆坤, 朱由康 申请人:朱由康, 侯兆坤