对于汽油机的尾气台架试验，一般选用废气分析仪作为标准测量仪器，目前比较高档的废气分析仪除了测试CO、HC、O2及CO2的浓度外还可以测试NOx的浓度，也被称为五气分析仪。五气分析仪内包含了多个气体测试仪，包括不分光红外线分析仪、氢火焰离子分析仪、化学发光分析仪及电化学法氧传感器，这些分析仪可以对以上5种气体组分的浓度进行有效的测量。
另外，废气分析仪根据测试的几种尾气组分的浓度，还可以按照式（15-1）对发动机的过量空气系数进行可靠的计算
式中 []——不同气体成分的体积分数，以%为单位，仅对HC以10-6为单位；
K1——HC转换因子，若以10-6正己烷作等价表示，此值等于6×10-4；
HCV——燃料中氢和碳的原子比，根据不同的燃料而定，如汽油可选择为1.7261；
OCV——燃料中氧和碳原子比，根据不同的燃料而定，如汽油可选择为0.0176。
另外，通过尾气分析仪对尾气中的CO2、CO及HC容积排放的分析，得到排气中单位里程（或时间）内的碳元素量，再与所用汽油中碳元素含量相比可以间接得出汽车燃油消耗量。
G=Q（1+H/C）×5.33×10-3×（[CO2]+[CO]+[HC]/104） （15-2）
式中 Q——在0℃、760mmHg气压时，干燥气体的体积（L）；
H/C——燃料中氢与碳的质量比；
[CO2]、[CO]——在废气中CO2、CO的体积浓度（%）；
[HC]——废气中碳氢化合物浓度（1×10-6）。
这种方法被称为“碳平衡法”，利用“碳平衡法”建立的油耗快速检测系统在测量车辆耗油量上可实现不解体检测。目前，美国及日本采用的定容取样废气分析法和欧洲的囊式废气分析法即采用了“碳平衡法”计算燃油消耗量。根据美国环保局的对比实验，“碳平衡法”的测试结果标准偏差可以达到2.6%，有很好的重复性。
1.不分光红外线分析仪（NDIR）
红外光束在穿越气体之后，由于它能够激发分子跃迁到高能级，因此红外光的强度会减弱，光强的损失是单位体积内的活性气体分子数量的函数，也即是气体浓度的函数。另外气体分子对红外光的吸收作用只发生在红外光的某个波长点为中心的小区间内，并且不同气体的吸收峰在不同的波长点上，如图15-6所示，CO2是在4.26μm，CO在4.64μm，HC在3.4μm。这些特征表明，己知强度的红外光束在特定波长区间上的光强损失可用于直接测量对应气体的浓度，NDIR既是按照这个原理设计制作的。
图15-6 几种气体的红外光吸收频带
不分光红外线分析仪由以下基本部分组成：红外光源、滤光片（光学滤波器）、测量气室和热电堆传感器（探测器）等，如图15-7所示。当待测气体进入测量气室后，其中的特定的分子（如CO、HC等）对红外光源发出的红外光进行选择性吸收，并且满足“Lambert-Beer定律”，被吸收后的红外光的强度会产生一定的衰减。衰减后的红外光经过不同波长的滤光片分拣后，可以测量出不同波长的红外光的衰减程度，从而计算出相应气体的浓度。
图15-7 NDIR基本结构
不分光红外线分析仪可以用来分析CO、CO2、NO及HC，但是其对HC中的烯烃和芳香族化合物敏感度很低，测量精度不高，如需要精确测试HC的浓度，则需要选择氢火焰离子分析法进行测试。
2.氢火焰离子分析仪（FID）
氢火焰离子分析仪利用有机碳氢化合物HC在氢火焰（2000℃）的高温中燃烧时，部分HC分子或原子会离子化生成自由离子，而纯氢火焰几乎不会产生自由离子，若外加一个电场，就会形成离子电流，产生微弱的电流信号，其电流的大小与碳素数、试样流量和浓度成正比，经电流放大器可得输出电流。该信号与氢火焰中样气的流量计HC浓度有关，而且与HC中碳原子数成正比。通过对信号进行进一步的计算，即可得知样气中的HC体积分数，并以（1×10-6）表示。氢火焰离子分析仪的基本结构如图15-8所示。
图15-8 FID基本结构
1—毛细管柱 2—喷嘴 3—氢气入口 4—尾气入口 5—点火灯丝 6—空气入口 7—极化器 8—收集极
为避免HC在取样管上被吸附和凝聚，及水蒸气凝结堵塞毛细管，需要对管路加热，对汽油机要求150℃左右，柴油机要求190℃左右。这种带加热的分析仪称为加热型氢火焰离子分析仪（HFID）。
FID可以测试从几个至50000个百万分之一的HC，线性关系好，而且对各种HC的感度都是正比于碳素的，因此其对烯烃和芳香族化合物的感度比NDIR高得多，因此在需要对HC进行精确测试以及瞬态测试时，最好选用氢火焰离子分析仪。
3.化学发光分析仪（CLA）
虽然可以用NDIR检测NO，也可以用紫外线分析仪（NDUV）检测NO2，但是由于这两种方法的输出特性线性关系比较差而且受干扰组分影响大，一般对发动机尾气中的NO及NO2的测量都采用化学发光分析仪（CLA）。
CLA是按照化学发光反应机制工作的。发光反应机制是指，在化学反应过程中，某些反应物由于吸收了反应产生的化学能，由基态跃迁至较高电子激发态中各个不同能级。然后经过振动弛豫或者内转换达到第一电子激发态的最低能级，由此以光辐射的形式放出能量跃迁基态。在个别情况下，它可以通过系间跃迁达到亚稳态的三重态，然后再回到基态的各个振动能级，并产生光辐射。(www.daowen.com)
对于使用CLA检测样气中NOx的浓度，分为NO浓度测试、NOx浓度测试和NO2浓度测试3部分。其基本结构如图15-9所示。
（1）NO浓度测试
样气进入反应室后，其中的单个NO与单个O3碰撞，发生反应产生一个O2和一个NO2分子。在碰撞后，部分NO2保留一定数量的多余能量，因此处于激发态，NO2分子的一个电子保留有比正常状态更高的能量。激发态的分子要释放出能量回到基态，并以光子形式发出，波长为600～3000nm，峰值大约是1200nm。两个反应的方程式如下
NO+O3→NO2∗+O2 （15-3）
NO2∗→NO2+hv （15-4）
式中 NO2∗——处于激发态的二氧化氮；
h——普朗克常数；
v——发射光子的频率。
图15-9 CLA基本结构
该反应的发射光谱在600～3200nm范围内，通过光电倍增管（PMT）测定激发态的NO2返回低能态时发出的光强度，可以检测出NO的浓度。
（2）NOx浓度测试
使样气通过钼炉，样气中的NO2在高温下（315℃）与钼（Mo）反应，还原为NO，
3NO2+Mo=3NO+Mo+O3 （15-5）
随后经钼炉还原后的样气进入NO浓度测试反应室，再次通过化学发光法测试此时气体中NO浓度，从而测得样气中NOx的浓度。
（3）NO2浓度测试
由以上介绍可以看出，化学发光法实际上只能测量NO，NO2的检测是将NO2首先通过钼室变成NO，然后通过测量出的NOx浓度与NO的浓度相减得到NO2浓度。因此，能否较好地检测到的NO2浓度，关键在于钼室将NO2转换为NO的转换效率。
4.电化学法氧传感器
尾气分析仪中对氧气测量的方法主要采用电化学原理，可以分为固体电解质氧传感器及催化电化学氧传感器两种。
（1）固体电解质氧传感器
固体电解质氧传感器与汽车排气管内安装的氧传感器属于同一类型，使用二氧化锆等对氧离子有较高导电能力的物质作基质，两面设有对氧有催化作用的铂电极，将其置于含氧的参比气体和待测气体中，就形成了氧的浓差电池。按能斯特公式测得氧浓度差电池电动势及已知参比气体中氧的分压，即可求得待测气体中氧体积分数。
但是由于电池电动势与待测气体中氧体积分数成对数关系，故信号不易处理，因此目前此类氧传感器多为极限电流型氧传感器（也称为电化学泵氧传感器）。这种传感器靠外加电压驱动电池反应：当外电压增至某一值时，气体氧扩散至电极表面的速度跟不上电极还原反应的速度，回流中出现饱和的电流值，此电流不随外加电压增大而增加，被称为极限电流。极限电流的大小与氧浓度呈线性关系，将电流值转换为电压信号，测量后就可得到氧气的体积分数。
此类传感器具有灵敏度高、响应快、信号易于处理、不带有参比气体和易于微型化的优点，已得到越来越广泛地应用。
（2）催化电化学氧传感器
另一类催化电化学氧传感器是根据与氧气有关的催化电极的反应来测定待测气体中氧浓度的。氧传感器结构主要包括阳极电解液和阴极气体组成。
在阴极，氧气按式（15-6）的反应转化为氢氧根离子OH-
O2+2H2O+4e→4OH- （15-6）
在阳极氢氧根离子与金属铅反应生成金属氧化物
2Pb+4OH→2PHO+2H2 O+4e （15-7）
根据法拉第定律，反应产生的电流与氧气的反应量成正比，将电流值转换为电压信号，测量后就可得到氧气的体积分数。
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