專利名稱：一種乙醇氣體濃度激光遙測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種乙醇氣體檢測裝置，具體涉及一種乙醇氣體濃度激光遙測裝置。
背景技術(shù)：
酒后駕駛機動車是一種不顧自身及他人的人身安全的具有社會危害性的行為。因 酒后駕駛導致的慘劇每天都在發(fā)生，公安交通管理部門對這與酒后駕駛行為也是投入了大 量的警力在重點時間段和地段進行排查，但由于無法判斷機動車駕駛?cè)耸欠袷蔷坪篑{駛， 只能進行撒網(wǎng)式的排查，這樣不僅效率較低，還影響了正常的交通秩序。傳統(tǒng)的酒精濃度檢測儀器——“呼氣式酒精檢測儀”采用電化學原理，可以準確 探測氣體酒精含量。其原理是，當具有N型導電性的氧化物暴露在大氣中時，會由于氧氣的 吸附而減少其內(nèi)部的電子數(shù)量而使其電阻增大。其后如果大氣中存在某種特定的還原性 氣體，它將與吸附的氧氣反應(yīng)，從而使氧化物內(nèi)的電子數(shù)增加，導致氧化物電阻減小。半導 體_氧化物傳感器就是通過該阻值的變化來分析氣體濃度。但是這樣的檢測方法需要設(shè)備 能夠直接接觸被測氣體，顯然不適用于遠程檢測。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)不能遠距離探測氣體酒精含量的問題，本發(fā)明的目的在于提供 一種乙醇氣體濃度激光遙測裝置，利用光譜原理可遠程對車輛內(nèi)空氣的酒精成分進行預檢 測。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案一種乙醇氣體濃度激光遙測裝置，該裝置由激光器控 制和發(fā)射系統(tǒng)與信號接收、分析及顯示系統(tǒng)組成；所述激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)包括調(diào)制信 號發(fā)生器，所述調(diào)制信號發(fā)生器與激光控制器、二極管激光器和激光發(fā)射裝置依次相連接； 所述信號接收、分析及顯示系統(tǒng)包括鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集與分析裝置、系統(tǒng)顯示與報警裝 置和激光接收裝置，所述鎖相放大器分別與所述調(diào)制信號發(fā)生器、激光發(fā)射裝置、數(shù)據(jù)采集 與分析裝置和激光接收裝置相連接；所述數(shù)據(jù)采集與分析裝置的輸出端與所述系統(tǒng)顯示與 報警裝置的輸入端相連接。當本發(fā)明工作時首先通過激光控制和發(fā)射系統(tǒng)控制激光器功率，輸出穩(wěn)定的特定 波長的激光，通過光纖傳輸?shù)绞殖旨す獍l(fā)射裝置發(fā)射出激光，射到待測的含有乙醇的空氣 上，乙醇氣體會對此波長的激光產(chǎn)生一個吸收光譜，被吸收的激光通過漫反射被激光接收
裝置接收，通過數(shù)據(jù)采集分析裝置進行一系列的信號采集、分析處理，在液晶屏上顯示并報
m 目。作為以激光吸收光譜為基礎(chǔ)的氣體光學探測的激光光源應(yīng)當具有單模、線寬要遠 小于分子譜線線寬、激光頻率能夠掃描通過酒精分子的一條強吸收譜線等特點，才能夠獲 得高靈敏度探測，對于遠距離遙測還必須要求有足夠大的激光功率。為了實現(xiàn)二極管激光器的窄線寬輸出，本發(fā)明采用低功耗二極管激光器、二極管 電流控制器和激光溫度PID控制器和信號發(fā)生器。信號發(fā)生器可以同時產(chǎn)生正弦波和鋸齒到二極管激光器并利用二極管激光電流控制器進行激光調(diào)制和掃 描，調(diào)制信號分兩部分一部分是鋸齒波信號，另一部分是正弦波信號。鋸齒波信號疊加在 激光器電流的直流上，用來對激光器的波長進行掃描，掃描范圍由鋸齒波的幅度決定，是相 對較慢的調(diào)制變化，頻率約幾十赫茲。正弦波信號疊加在鋸齒波上，用來調(diào)制激光頻率，并 作為參考信號對吸收信號進行一次、二次諧波信號進行解調(diào)，調(diào)制幅度和鋸齒波幅度的比 值與最佳調(diào)制系數(shù)有關(guān)，這是相對較快的調(diào)制變化。 二極管激光器的輸出是通過光纖耦合輸出，再通過法蘭盤從光纖連接到手持式探 測器里的系統(tǒng)光發(fā)射端。因為散射物的后向散射光通常很弱，且二極管激光器的發(fā)散角較 大，如果直接將激光發(fā)出則再遠處地光斑太大，反射回來的光能量就會太弱而難以測量到 泄漏信號。這里使用一個介質(zhì)折射率透鏡(及激光準直器)作為激光的發(fā)射端，這個介質(zhì) 折射率透鏡是一圓柱型玻璃透鏡，長約4. 8mm，表面鍍有抗反射模，并有一個切角，很好地避 免了標準具效應(yīng)，這種透鏡通常稱作GRIN透鏡，使用該透鏡可以有效的減小激光的光斑大手持探測頭前端裝有口徑為100mm、焦距為18cm的透鏡用于收集散射信號，透鏡 散射體反射回來的激光收集匯聚到焦點處的光電探測器上。探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號 送入電路系統(tǒng)，由鎖相放大器分別進行一次和二次諧波信號解調(diào)，解調(diào)信號再由數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集并進行實時數(shù)據(jù)處理和分析，其結(jié)果實時地顯示在液晶顯示器上。本發(fā)明的有益效果“遠程乙醇氣體濃度檢測裝置”則是使用手持設(shè)備利用光譜原 理遠程對車輛內(nèi)空氣的酒精成分進行預檢測，交警可根據(jù)預檢測出的結(jié)果對嫌疑車輛駕駛 員使用酒精檢測儀進行進一步的確認檢查。檢查出的結(jié)果可以直接輸入系統(tǒng)并可根據(jù)需要 現(xiàn)場開出處罰單據(jù)。這樣可以大大提高酒駕檢查的針對性準確性，提高執(zhí)法工作效率，減少 警力運用，并在一定程度上緩解警民關(guān)系。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2為本發(fā)明的激光控制和發(fā)射系統(tǒng)示意框圖；圖3為本發(fā)明的信號接收、分析及顯示系統(tǒng)示意框圖；圖4為本發(fā)明的激光發(fā)射和接收裝置組合在一起構(gòu)成的手持式探測器示意圖；圖5為介質(zhì)折射率透鏡和光纖準直器組合示意圖。
具體實施例方式如圖1、2、3，本發(fā)明由激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)1與信號接收、分析及顯示系統(tǒng)2兩 部分組成；激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)1包括調(diào)制信號發(fā)生器11、激光控制器12、二極管激光器 13和激光發(fā)射裝置14。所述調(diào)制信號發(fā)生器11由信號發(fā)生器111和加法疊加器112構(gòu)成； 信號發(fā)生器111向加法疊加器112發(fā)射正弦波和鋸齒波。激光控制器12由二極管激光電 流控制器121和激光溫度PID控制器122構(gòu)成，兩者的輸出端均與二極管激光器13的輸入 端連接，所述二極管激光器13的輸出端與激光發(fā)射裝置14的輸入端連接，二極管激光器13 的輸出端與加法疊加器112的輸入端連接。正弦波和鋸齒波經(jīng)加法疊加器112疊加后注入
4到二極管激光器13并利用二極管激光電流控制器進行激光調(diào)制和掃描，調(diào)制信號分為兩 部分一部分是鋸齒波信號，另一部分是正弦波信號；鋸齒波信號疊加在激光器電流的直 流上，用來對激光器的波長進行掃描；正弦波信號疊加在鋸齒波上，用來調(diào)制激光頻率，并 作為參考信號對吸收信號進行一次、二次諧波信號進行解調(diào)。所述二極管激光器13的輸出 是通過光纖耦合輸出，再從光纖連接到手持式探測器的激光發(fā)射端。所述激光發(fā)射端采用 介質(zhì)折射率透鏡及激光準直器，所述介質(zhì)折射率透鏡是一圓柱型玻璃透鏡，長4. 8mm,表面 鍍有抗反射模，并有一個切角。信號接收、分析及顯示系統(tǒng)2包括鎖相放大器22、數(shù)據(jù)采集與分析裝置23、系統(tǒng)顯 示與報警裝置24和激光接收裝置21，所述鎖相放大器22分別與所述調(diào)制信號發(fā)生器11、 激光發(fā)射裝置14、數(shù)據(jù)采集與分析裝置23和激光接收裝置21相連接；所述數(shù)據(jù)采集與分 析裝置23的輸出端與所述系統(tǒng)顯示與報警裝置24的輸入端相連接。數(shù)據(jù)采集與分析裝置 23由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器231和數(shù)字信號處理器232構(gòu)成(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器231簡稱ADC， 數(shù)字信號處理器簡稱DSP)。本發(fā)明的二極管激光器13由二極管電流控制器和激光溫度PID控制器進行控制， 信號發(fā)生器111產(chǎn)生一個鋸齒波和正弦波的疊加信號來對二極管激光器13注入電流進行 激光頻率掃描和調(diào)制，實現(xiàn)激光在分子吸收峰附近的頻率調(diào)諧，信號發(fā)生器111產(chǎn)生的正 弦波同時作為解調(diào)參考信號輸入到鎖相放大器22。鋸齒波上升沿用于掃描激光頻率，下降 沿時間很短，用于DSP進行數(shù)據(jù)采集、分析和處理。首先設(shè)置DSP運行時鐘的頻率并初始化 外部端口，然后設(shè)置中斷程序的中斷周期并啟動中斷程序。中斷程序中首先啟動外部ADC， 獲得轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行濾波，然后將結(jié)果保存進數(shù)組中，同時設(shè)置采集標志位。主 程序中的主循環(huán)程序發(fā)現(xiàn)采集標志置位后便開始數(shù)據(jù)處理進程。數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，先判斷 用于修改閾值等參數(shù)的按鈕是否被按下，如果按下則處理按鍵程序并修改系統(tǒng)參數(shù)。按鍵 程序結(jié)束后，啟動液晶和蜂鳴器控制程序，讓數(shù)據(jù)結(jié)果和系統(tǒng)參數(shù)(閾值)顯示在液晶上， 同時根據(jù)邏輯判斷來控制蜂鳴器是否發(fā)聲。 圖4所示本發(fā)明激光發(fā)射和接收裝置組合在一起構(gòu)成的手持式探測器示意圖。手 持式探測器包括外殼3，在外殼3的前端設(shè)介質(zhì)直射率透鏡4，介質(zhì)直射率透鏡4中間有一 圓孔放置光纖準直器5，參見圖5。探測器后端即透鏡的焦點處放置光電探測器211，光電 信號探測器通過光纖7與二極管激光器相連，指示燈6位于探測器下端。二極管激光器13 的輸出是通過光纖7耦合輸出，再通過光纖連接到手持式探測器中的光發(fā)射端。因為散射 物的后向散射光通常很弱，且二極管激光器的發(fā)散角較大，如果直接將激光發(fā)出則再遠處 地光斑太大，反射回來的光能量就會太弱而難以測量到信號。這里使用一個介質(zhì)折射率透 鏡4及光纖準直器5作為激光的發(fā)射端，這個介質(zhì)折射率透鏡是一玻璃透鏡厚約4. 8mm，表 面鍍有抗反射模，這種透鏡通常稱作GRIN透鏡，使用該透鏡可以有效的減小激光的光斑大 小。 手持探測頭前端所裝的介質(zhì)折射率透鏡4 口徑為100mm、焦距為18cm，用于收集散 射信號，介質(zhì)直射率透鏡將散射體反射回來的激光收集匯聚到焦點處的光電探測器上。探 測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號送入電路系統(tǒng)，由鎖相放大器分別進行一次和二次諧波信號解 調(diào)，解調(diào)信號再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集并進行實時數(shù)據(jù)處理和分析，其結(jié)果實時地 顯示在液晶顯示器上。
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當儀器工作時首先通過激光控制和發(fā)射系統(tǒng)控制激光器功率，輸出穩(wěn)定的特定波 長的激光，通過光纖傳輸?shù)绞殖旨す獍l(fā)射/接收裝置發(fā)射出激光，射到待測的含有乙醇的 空氣上，乙醇氣體會對此波長的激光產(chǎn)生一個吸收光譜，被吸收的激光通過漫反射被激光 接收裝置接收，通過數(shù)據(jù)采集和分析子系統(tǒng)進行一系列的信號采集、分析處理，在液晶屏上 顯示并報警。
權(quán)利要求
一種乙醇氣體濃度激光遙測裝置，其特征在于該裝置由激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)(1)與信號接收、分析及顯示系統(tǒng)(2)組成；所述激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)(1)包括調(diào)制信號發(fā)生器(11)，其與激光控制器(12)、二極管激光器(13)和激光發(fā)射裝置(14)依次相連接；所述信號接收、分析及顯示系統(tǒng)(2)包括鎖相放大器(22)、數(shù)據(jù)采集與分析裝置(23)、系統(tǒng)顯示與報警裝置(24)和激光接收裝置(21)，所述鎖相放大器(22)分別與所述調(diào)制信號發(fā)生器(11)、激光發(fā)射裝置(14)、數(shù)據(jù)采集與分析裝置(23)和激光接收裝置(21)相連接；所述數(shù)據(jù)采集與分析裝置(23)的輸出端與所述系統(tǒng)顯示與報警裝置(24)的輸入端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠程檢測空氣中乙醇氣體濃度的裝置，其特征在于所述調(diào) 制信號發(fā)生器(11)由信號發(fā)生器(111)和加法疊加器(112)構(gòu)成；所述信號發(fā)生器(111) 向加法疊加器(112)發(fā)射正弦波和鋸齒波；所述激光控制器(12)由二極管激光電流控制器 (121)和激光溫度PID控制器(122)構(gòu)成，兩者的輸出端均與所述二極管激光器(13)的輸 入端連接，所述二極管激光器(13)的輸出端與所述激光發(fā)射裝置(14)的輸入端連接，所述 加法疊加器(112)的輸出端與所述二極管激光電流控制器(121)的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的遠程檢測空氣中乙醇氣體濃度的裝置，其特征在于所述正 弦波和鋸齒波經(jīng)加法疊加器(112)疊加后注入到二極管激光器(12)并利用二極管激光電 流控制器(121)進行激光調(diào)制和掃描，調(diào)制信號分為兩部分一部分是鋸齒波信號，另一部 分是正弦波信號；鋸齒波信號疊加在二極管激光器電流的直流上，用來對激光器的波長進 行掃描；正弦波信號疊加在鋸齒波上，用來調(diào)制激光頻率，并作為參考信號對吸收信號進行 一次、二次諧波信號進行解調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的遠程檢測空氣中乙醇氣體濃度的裝置，其特征在于所 述二極管激光器(13)的輸出是通過光纖耦合輸出，從光纖連接到手持式探測器的激光裝 置的發(fā)射端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的遠程檢測空氣中乙醇氣體濃度的裝置，其特征在于所述激 光裝置的發(fā)射端采用介質(zhì)折射率透鏡及光纖準直器，所述介質(zhì)折射率透鏡厚4. 5-5. 5mm，表 面鍍有抗反射模。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠程檢測空氣中乙醇氣體濃度的裝置，其特征在于所述激 光接收裝置(21)由光電探測器(211)和前置放大器(212)構(gòu)成，所述光電探測器(211)接 收激光反射信號并把信號傳輸給所述前置放大器(212)；所述數(shù)據(jù)采集與分析裝置(23)包 括數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(231)和數(shù)字信號處理器(232)；所述鎖相放大器(22)將放大信號傳給所 述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(231)，并經(jīng)所述數(shù)字信號處理器(232)進行信號處理通過顯示模塊(241) 顯示或報警裝置(242)報警。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種乙醇氣體濃度激光遙測裝置，由激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)與信號接收、分析及顯示系統(tǒng)組成；所述激光器控制和發(fā)射系統(tǒng)包括調(diào)制信號發(fā)生器，其與激光控制器、二極管激光器和激光發(fā)射裝置依次相連接；所述信號接收、分析及顯示系統(tǒng)包括鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集與分析裝置、系統(tǒng)顯示與報警裝置和激光接收裝置，所述鎖相放大器分別與所述調(diào)制信號發(fā)生器、激光發(fā)射裝置、數(shù)據(jù)采集與分析裝置和激光接收裝置相連接；所述數(shù)據(jù)采集與分析裝置的輸出端與所述系統(tǒng)顯示與報警裝置的輸入端相連接。本發(fā)明可遠程對車輛內(nèi)空氣的酒精成分進行預檢測，從而提高酒駕檢查的針對性和準確性，提高執(zhí)法工作效率，減少警力運用。
文檔編號G01N21/39GK101936896SQ201010246210
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者唐巖, 胡輝 申請人:合肥聯(lián)合立體交通科技有限公司