CN102252964B

CN102252964B - 一种酒驾遥感快速激光自动预检装置

Info

Publication number: CN102252964B
Application number: CN 201110182013
Authority: CN
Inventors: 王彪; 王立军; 曹军胜; 宁永强; 刘云; 秦莉
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Jilin Province Long Ruisi Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102252964A

Abstract

一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，涉及一种乙醇气体浓度检测装置，它解决了现有预检装置在检测过程中产生的超噪声和调制中产生的能量漂移的抑制效果很差，从而影响激光能量的测量精度的问题，该装置包括激励激光器、探测激光器、调制信号发生单元、激光器驱动控制单元、会聚透镜、激励激光准直器、探测激光准直器、光电探测器、探测器预处理电路、锁相放大检测单元、数据采集与处理单元以及光纤；通过本发明装置可有效的对路面过往车辆内的乙醇浓度进行预检，交警可通过预检结果进行有针对性的排查，提高执法效率，节省警力资源。

Description

一种酒驾遥感快速激光自动预检装置

技术领域

本发明涉及一种乙醇气体浓度检测装置，具体涉及一种酒驾遥感快速激光自动预检装置。

背景技术

近年来，我国酒后驾车所导致的惨烈车祸在屡屡曝光之后而又频频发生。传统排查方式和检验设备---“呼吸式酒精检测仪”无针对性、效率低，还影响路面车辆正常行使，同时也造成了大量一次性检验设备和警力资源的浪费。

专利公开号为CN101936896A的专利文件公开了一种乙醇气体浓度激光遥测装置，由激光器控制和发射系统与信号接收、分析及显示系统组成。其实质是一种应用可调谐半导体二级管激光吸收光谱技术(TDLAS)对酒精浓度进行检测的装置。这种检测技术对于检测过程中所产生的超噪声和调制中所产生的能量漂移的抑制效果很差，这将影响激光能量的测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种酒驾遥感快速激光自动预检装置。

为解决上述技术问题，本发明提出一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，包括激励激光器、探测激光器、调制信号发生单元、激光器驱动控制单元、会聚透镜、激励激光准直器、探测激光准直器、光电探测器、探测器预处理电路、锁相放大检测单元、数据采集与处理单元以及光纤I和光纤II；所述激励激光准直器和探测激光准直器安装在会聚透镜中心位置；所述调制信号发生单元通过信号传输线与激光器驱动控制单元连接；激光器驱动控制单元通过信号传输线分别与激励激光器和探测激光器连接；所述激励激光器通过光纤I与激励激光准直器连接；所述探测激光器通过光纤II与探测激光准直器连接；所述光电探测器设置在会聚透镜的焦点位置；所述光电探测器通过信号传输线依次与探测器预处理电路、锁相放大检测单元、数据采集与处理单元相连接；所述调制信号发生单元还通过信号传输线与锁相放大检测单元相连接。

本发明工作原理：本发明所述的激光器驱动控制单元根据调制信号发声单元发出的调制信号对激励激光器进行斩波调制，激励激光器发出光强随调制信号周期变化的激励激光，该激励激光的波长处在乙醇的吸收峰，激励激光经过光纤I传输通过激励激光准直器对外发射；这束强度周期性变化的激光照射到乙醇气体分子上，由于乙醇气体分子吸收激励激光后通过无辐射驰豫将产生周期变化的热场分布。同时，激光器驱动控制单元驱动探测激光器发出的探测激光，该探测激光的波长不处在乙醇的吸收峰，探测激光通过光纤II后经探测激光准直器对外发射，通过热场区域后将会形成同频率周期变化的光热反射信号。此光热反射信号是交变温度场和乙醇气体浓度的加权和，通过对激励激光和光热反射信号的锁相放大检测，即可以得到由光热反射信号所表征的被测乙醇气体的浓度信息。光热反射信号通过会聚透镜会聚在光电探测器上，光电探测器将光信号转变成电信号，再依次经过探测器预处理电路、锁相放大检测单元、数据采集与处理单元后输出最终被测乙醇气体的浓度数据。

本发明的检测手段采用激光诱导光热反射光谱检测技术（Laser ReflexPhoto-Thermal Spectrometry）简称为LRPTS技术。是一种基于物质吸收特征波长激光后，通过无辐射弛豫所产生的热效应来进行检测的一类光谱分析方法，现已成为气态和凝聚态物质的高灵敏检测技术，多应用于材料、环境和生物等领域。光热反射光谱技术是一种探测“光激励热效应”的方法，可探测与温度有关的各种物理参数，如压力波、折射系数及吸收系数的变化等，还可监测同时发生的动态变化，是一种非接触性和非破坏性测量的检测方法，其所产生的各种效应如图2所示。

光热反射法检测气体浓度的原理是，将一束波长处于被测气体吸收峰处的激光进行光强调制，以获得一束光强度随调制信号发生周期性变化的激光，称此光束为“诱导激光”，或“激励激光”。将这束强度周期变化的“激励激光”入射到被测气体上，由于此激光光束的波长处于被测气体的吸收峰处，所以将会被气体强烈吸收，由此将光能转化为热能，最终被测气体将通过无辐射弛豫产生一个周期变化的热场分布。此时再由另一束波长不处于被测气体吸收峰处的“探测激光”入射到这一区域，在其经过这一区域时将会形成同频率周期变化的光热反射信号。通过对光热反射信号和入射光信号进行锁相放大检测，就可以得到被测气体的浓度信息。

乙醇气体吸收峰的确定在本发明中至关重要，一个合适的特征吸收峰位与其它干扰物质分子（主要是水，玻璃等）的吸收峰不重叠。这个峰位的选取在宏观上来讲有三个波段可供选择，分别是紫外、可见、红外这三个波段。紫外波段的激光对人体伤害太大，不可取。太阳光会对可见光波段的激光产生严重的不可避免的检测影响，因此亦不可取。作为红外波段的光线，小功率的红外光对人体是没有危害的，并且在我们进行酒驾检测的环境中，所存在的红外干扰光线很少，所以相比之下选择红外波段作为检测波段是不二之选。在实验中，对乙醇做红外850-1000nm波段吸收光谱扫描发现，乙醇存在3个明显的峰位，其分别位于905nm、935nm和960nm处，如图3所示。乙醇在905nm处出现甲基的C-H伸缩振动3倍频吸收带，在935nm处的肩峰是亚甲基的C-H伸缩振动3倍频吸收带，在960nm左右出现乙醇中O-H的3倍频吸收带。对于935nm处的肩峰来讲，其代表了被测乙醇中的杂质吸收，不适合用作对乙醇的特征检测；对于960nm处的O-H吸收带来讲，水的吸收峰也位于此处，其将会对被测乙醇形成严重的干扰，因此也不适合于选择此处对乙醇进行特征检测；最后对于905nm处的C-H吸收带来讲，其所代表的是甲基的C-H伸缩振动3倍频吸收带，在此位置处其吸收谱线比较单一，少有其它物质吸收谱线的干扰，因此本发明中激光器核心激励光源的波长为905nm。通过对乙醇吸收谱线的分析，可以看到其在1064nm处不存在特征吸收峰，因此本发明将1064nm确定为激光诱导光热反射光谱检测技术中乙醇气体的探测光源波长。

进一步地，因为本发明的目标是对汽车内气体进行远程遥感探测，进而检测其内部是否含有酒精成分，从而实现激光酒驾预检。为了进行激光的远距离探测，所以需要激光器的发射功率要相对大一些（在对人体不产生任何伤害的最低限度下）、发散角相对要小一些；作为整个应用系统而言，其系统结构要相对简明一些，体积要相对小一些，以便于移动和安装调试，方便于实际应用。因此通过对比气体激光器、全固态激光器和半导体激光器这几类常见的激光器，半导体激光器在系统结构和体积上独占优势，而作为半导体激光器家族成员的“垂直腔面发射激光器”更是在发射功率和发散角方面具备无可比拟的优点，因此本发明优选“垂直腔面发射激光器”。垂直腔面发射激光器是一种垂直表面出光的新型激光器，其光束是圆形对称的，不需要复杂的光束整形系统，光纤耦合效率远高于普通边发射激光器。同时由于是表面出光，很容易制成二维列阵，散热结构简单，易于获得高功率的输出。

本发明所采用的激光诱导光热反射光谱检测技术（LRPTS）因其工作机理方面的特性，决定了其在去除噪声和提高测量精度方面具有独特的优势。超噪声是在光电探测器上产生的随机电流波动。本发明通过对激励激光和探测激光所产生的探测信号进行差分处理，在差分过程中去除了被测信号的直流部分和超噪声部分，准确地再现了被测信号的周期变化信息。

本发明的有益效果：本发明给出了具体的适合检验酒驾的激励激光器和探测激光器，并确定了核心光源，同时给出了其他部件的具体构造。通过本发明装置可有效的对路面过往车辆内的乙醇浓度进行预检，交警可通过预检结果进行有针对性的排查，提高执法效率，节省警力资源。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为光热反射光谱技术产生的各种效应示意图；

图3为乙醇的红外吸收光谱；

图4为探测器预处理电路；

图5为锁相放大电路；

图6为锁相倍频电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

参见图1所示，本发明包括激励激光器101、探测激光器102、调制信号发生单元2、激光器驱动控制单元3、会聚透镜4、激励激光准直器501、探测激光准直器502、光电探测器6、探测器预处理电路7、锁相放大检测单元8、数据采集与处理单元9以及光纤I 1001和光纤II 1002；所述激励激光准直器501和探测激光准直器502安装在会聚透镜4中心位置；所述调制信号发生单元2通过信号传输线与激光器驱动控制单元3连接；激光器驱动控制单元3通过信号传输线分别与激励激光器101和探测激光器102连接；所述激励激光器101通过光纤I 1001与激励激光准直器501连接；所述探测激光器102通过光纤II1002与探测激光准直器502连接；所述光电探测器6设置在会聚透镜4的焦点位置；所述光电探测器6通过信号传输线依次与探测器预处理电路7、锁相放大检测单元8、数据采集与处理单元9相连接；所述调制信号发生单元2还通过信号传输线与锁相放大检测单元8相连接。

本实施例中的激励激光器101和探测激光器102分别是核心光源为905nm和1064nm的垂直腔面发射激光器。激光器驱动控制单元3负责对两台激光器进行驱动，它将由调制信号发生单元2所产生的正弦波调制信号加载到激励激光器101上，使激励激光器101发射的905nm激励激光的强度随正弦调制信号发生周期性变化，同时驱动探测激光器102发射连续的1064nm检测激光。激励激光和探测激光分别通过光纤I 1001和光纤II 1002后经由激励激光准直器501和探测激光准直器502对外发射。激励激光照射到乙醇气体分子上后，由于乙醇气体分子吸收激励激光后通过无辐射驰豫将产生周期变化的热场分布，探测激光通过热场区域后将会形成同频率周期变化的光热反射信号。此光热反射信号是交变温度场和乙醇气体浓度的加权和。本实施例最前端的会聚透镜1将光热反射信号会聚到光电探测器6上，由光电探测器6将光信号转变成相应的电信号，之后依次通过探测器预处理电路7和锁相放大检测单元8；锁相放大检测单元8将此检测信号与调制信号发生单元2送来的同频率参比信号进行锁相放大，最后经数据采集与处理单元9处理并最终输出被测乙醇气体的浓度数据。

本实施例中，调制信号通过直接数字频率合成实现，由数模转换器转换为模拟电流信号输出。采用这种方式的最大优点在于，使用数字锁相放大器进行检测时，可以直接生成参考信号，不需要对调制信号进行采集，避免了AD的量化误差及采样时间波动对锁定检测的影响。

本实施例中探测器预处理电路7、锁相放大电路、锁相倍频电路，如图4、图5、图6所示，其中探测器预处理电路7中R1=R2=1K，R3=2K，C1＝C2=0.1uF；锁相放大电路中R4=51K，R6~R9=5.1K，R5=10K；锁相倍频电路中R10=R12=100K，R11=1M，C4=56pF，C5=1uF。

本实施方式所述的探测器预处理电路7，主要为信号放大电路。一般系统中需要探测的光电流信号比较微弱，因此需要对光电探测器出来的光电流信号进行放大，并转化为相应的电压信号以便进行测量。其结构如图4所示，包括运算放大器LTC6244、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2、C3，运算放大器LTC6244的正极输入信号IN为光电探测器转化的微弱电流信号，输出信号OUT为放大后的电压信号，其正负电源VCC+和VCC-分别通过电容C1、C2接地，其正负极分别串接电阻R1、R2后接地，输出信号OUT串接电阻R3后反馈到运算放大器LTC6244负极，电阻R3并联一个电容C3。其中，LTC6244是一个双路运算放大器，可对大型或小型光电二极管、精准积分器和滤波器等进行信号放大，并具有50MHz的增益带宽，它的最大失调电压仅为300μV。采用了独特架构的LTC6244，具有低噪声和仅为2.1pF的输入电容，极低的输入电容使其在高频率下具有高输入阻抗和低噪声的超群性能。同时还具有卓越的DC精度。在25℃条件下，它具有1pA的偏置电流和低于100μV的输入失调电压。偏压漂移低于2.5μV/℃，高达120dB的电压增益可使系统误差趋于最小化。LTC6244的工作电源电压低可至2.8V，高可达12V，并且具有轨至轨输出摆幅

本实施方式所述的锁相放大检测单元包括锁相放大电路和锁相倍频电路。锁相放大电路，如图5所示，主要采用的是AD630作为锁相放大器，Vin是光电转换后的带有气体浓度信息的高频信号；SIN_200K是高频正弦的二倍频信号，是锁相放大器的参考信号；Vout是锁相后的输出信号。锁相倍频电路如图6所示，锁相倍频电路的作用是产生与光源驱动信号严格同步的二倍频信号，为锁相放大器AD630提供同步参考信号。我们采用CD4046锁相环做锁相倍频电路，其内部集成相位比较器、压控振荡器、线性放大器、源跟随器、整形电路等。锁相倍频电路用D触发器74HC74构成二分频电路，信号输出和CLK输入分别接CD4046的3脚和4脚。输入信号Ui从14脚输入后，经内部放大器进行放大、整形后加到内部相位比较器的输入端，相位比较器将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，并输出可以反映出两者相位差的误差电压Um，其经R11、R12及C5滤波后得到一控制电压Ud，并加至压控振荡器的输入端9脚，调整压控振荡器的振荡频率f2，使f2迅速逼近输入信号频率f1。压控振荡器的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1，即两者的相位差为一定值，从而实现了相位锁定倍频的功能。

本实施方式中光电探测器6优选红外锗探测器。美国Judson公司的J16红外锗探测器是高质量的锗材料光电二极管探测器，波长探测范围在800nm到1800nm，可以完全覆盖905nm和1064nm及其附近波段；并且其可在室温（25℃）下长期稳定工作；而且其响应度在1010以上，具有很高的灵敏度。

本实施方式中采用ST公司生产的STM32系列ARM微控制器，和TI公司生产的TMS320系列DSP微处理器来协同工作。

STM32系列ARM微控制器具有突破性的Cortex-M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能，低功耗于一体的嵌入式领域的要求。其所具备的Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速，所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。

TMS320系列DSP微处理器是一种高性能32位的数字信号处理器，其具有哈佛结构，流水线操作，专用的硬件乘法器，特殊的DSP指令，快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算能够在一个指令周期完成。

为了使本发明的各组成部分能够有机高效地工作，本发明将ARM和DSP两种处理器相结合，发挥其各自的优点来完成整个装置的电子及光信号的处理工作。利用ARM优异的控制特性，来完成本系统中激励激光器和探测激光器的驱动信号调制加载任务；利用DSP的快速运算性能，来完成本系统中被测光信号的二次谐波检测任务。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征是：包括激励激光器(101)、探测激光器（102）、调制信号发生单元（2）、激光器驱动控制单元（3）、会聚透镜（4）、激励激光准直器（501）、探测激光准直器（502）、光电探测器（6）、探测器预处理电路（7）、锁相放大检测单元（8）、数据采集与处理单元（9）以及光纤I（1001）和光纤II（1002）；所述激励激光准直器（501）和探测激光准直器（502）安装在会聚透镜（4）中心位置；所述调制信号发生单元（2）通过信号传输线与激光器驱动控制单元（3）连接；激光器驱动控制单元（3）通过信号传输线分别与激励激光器(101)和探测激光器（102）连接；所述激励激光器(101)通过光纤I（1001）与激励激光准直器（501）连接；所述探测激光器（102）通过光纤II（1002）与探测激光准直器（502）连接；所述光电探测器（6）设置在会聚透镜（4）的焦点位置；所述光电探测器（6）、探测器预处理电路（7）、锁相放大检测单元（8）、数据采集与处理单元（9）通过信号传输线依次连接；所述调制信号发生单元（2）还通过信号传输线与锁相放大检测单元（8）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述激励激光器（101）的核心光源处在乙醇气体吸收峰上，所述探测激光器（102）核心光源不处在乙醇气体吸收峰上。

3.根据权利要求1或2所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述激励激光器（101）是核心光源为905nm的垂直腔面发射激光器，所述探测激光器（102）是核心光源为1064nm的垂直腔面发射激光器。

4.根据权利要求1或2所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述激光器驱动控制单元（3）根据调制信号发生单元（2）发出的调制信号对激励激光器（101）进行斩波调制；所述激励激光器（101）发出光强随调制信号周期变化的激励激光。

5.根据权利要求1所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述激光器驱动控制单元（3）包括ARM微控制器。

6.根据权利要求1所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述光电探测器（6）为红外锗探测器。

7.根据权利要求1所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述探测器预处理电路（7）包括运算放大器LTC6244、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2、C3，所述运算放大器LTC6244正极输入信号IN为光电探测器（6）转化的微弱电流信号，输出信号OUT为放大后所转换得到的电压信号，其正电源VCC+通过电容C1接地，其负电源VCC-通过电容C2接地，其正极串接电阻R1后接地，其负极串接电阻R2后接地，所述输出信号OUT串接电阻R3后反馈到运算放大器LTC6244负极，所述电阻R3并联电容C3。

8.根据权利要求1所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述锁相放大检测单元（8）包括锁相放大电路和锁相倍频电路。

9.根据权利要求7所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述锁相放大电路包括锁相放大器AD630、电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9，所述锁相放大器AD630的16脚和17脚的接入信号Vin是光电转换后的带有气体浓度信息的高频信号，12、13、14脚的输出Vout是锁相后的输出信号，9脚的接入信号SIN_200K为高频正弦二倍频信号，15、19、20脚短接在一起，1脚接地，VS+接15V+，VS-接15V-，15V+经R4、R5串联分压后接入10脚，3脚串接R6后接15V-，4脚串接R7后接15V-，5脚串接R8后接15V-，6脚串接R9后接15V-。

10.根据权利要求7所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述锁相倍频电路包括锁相环CD4046、D触发器74HC74、电阻R10、R11、R12、电容C4、C5，所述D触发器74HC74构成二分频电路，其5脚输出Q接锁相环CD4046的3脚，时钟信号CLK接锁相环CD4046的4脚产生的正弦二倍频信号SIN_200K，D触发器74HC74中的2脚与6脚短接，D触发器74HC74中的1脚、4脚、14脚接5V+，其7脚接地，所述锁相环CD4046的14脚接入调制信号发生单元产生的正弦波，其6脚串接电容C4后接入锁相环CD4046的7脚，锁相环CD4046的11脚串接R10后接地，其5脚、8脚接地，其16脚接5V+，其13脚的输出经R11、R12及C5滤波后输入到其9脚。

11.根据权利要求1所述的一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征在于：所述数据采集与处理单元（9）为DSP微处理器。