배기가스 측정용 광음향 센서 시스템 개발

Abstract

최근 내연기관 자동차에 대한 환경 규제는 나날이 강화되고 있다. 배출가스에 대한 환경 규제는 배출 허용 수치를 줄이는 방식의 정량적인 규제를 넘어 배기가스 인증 시험의 방식을 더 강화하는 방식의 정성적인 규제의 강화가 진행 중이다. 실제로, 최근 유럽의 환경 규제는 인증 시험을 위한 테스트 방식을 기존 chassis dynamometer에서 WLTP (woldwide harmonized light vehicles test procedure)라는 테스트용 사이클을 활용하는 방식에 더해 RDE (real driving emission) 테스트 방식까지 채용하고 있다. 이에 따라 휴대 가능하며 외부 노이즈에 대해 안정적인 배기가스 측정 기법에 대한 수요가 늘고 있다. 본 연구를 통해 휴대 가능한 배기가스 측정용 광음향 효과를 사용한 분광학의 일종인 QEPAS (quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy) 센서의 개발을 진행하였다. 해당 센서는 기존의 PAS 센서에 활용되는 microphone 보다 Q-factor가 약 100배 이상 높은 QTF (quartz tuning fork)를 활용하여 외부 노이즈에 대한 강건성이 높다. 이에 더해, 본 연구에서는 초점 거리가 수 mm 수준의 GRIN (graded index) 렌즈를 활용하여 소형 광학계를 설계하였다. 또한, 약 32.8 kHz의 공진 주파수를 갖는 QTF의 응답 신호 특성을 파악하여 이를 증폭하기 위해 연산 증폭기를 활용한 전자 회로를 구성하였으며, 해당 응답 신호를 분석하기 위한 디지털 분석 툴인 LIA (lock-in amplifier)를 활용하여 데이터 처리 시스템을 구성하였다. 그 결과로 약 63dB의 SNR (signal to noise ratio)을 갖는 가스 센서 시스템을 구축할 수 있었다.| Recently, standards for ICE’s (internal combustion engine) emission regulations have been reinforced. Particularly, the European Commission enacted “EURO VI” emission limits for light and heavy duty vehicles. Those limits were enhanced quantitatively as well as qualitatively. The Commission improved their testing procedures by introducing RDE (real driving emission) test in a vehicle certificate program. Concerning such circumstances, many researches are conducted to make improvements on PEMS (portable emission measurement system) sensors. This study proposes QEPAS (quartz enhanced photoacoustic spectroscopy) as a method for vehicle exhaust gases and pollutants measurement. QEPAS has highly noise robustness under acoustically noisy condition. Such robustness is derived from a QTF (quartz tuning fork) which is used for a transducer and has 100 times higher quality factor compare to a microphone. Furthermore, the use of a GRIN (graded index) lens allowed us to design a miniaturized optical system with near-infrared light source. An amplification circuit based on TIA (transimpedance amplifier) was used to increase QTF’s analog output signal. And also, lock in amplifier was employed to extract a signal with a known frequency in highly noisy condition. As a result, we were able to develop a gas sensor which has more than 60 decibels of SNR.