CN102359951A - 一种酒驾遥感快速激光自动预检装置 - Google Patents

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无法在检测过程中检测出合适的光谱特征吸收峰位和激光器的核心光源，进而无法减小检测干扰的问题，该装置包括905nm可调谐垂直腔面发射激光器、调制信号发生单元、激光器驱动控制单元、会聚透镜、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。然而对于乙醇气体浓度进行光谱检测的关键，在于要选择一个合适的特征吸收峰位，并且要使所选的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，以此来减小检测干扰。该公开文献并未给出具体合适的光谱特征吸收峰位和激光器的核心光源，同时该装置的其他部件也未能给出详尽说明。

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905nm可调谐垂直腔面发射激光器、调制信号发生单元、激光器驱动控制单元、会聚透镜、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和光纤；所述准直器安装在会聚透镜中心位置；所述调制信号发生单元、激光器驱动控制单元和905nm可调谐垂直腔面发射激光器通过信号传输线依次连接；所述905nm可调谐垂直腔面发射激光器和准直器通过光纤相连接；所述光电探测器设置在会聚透镜的焦点位置；所述光电参测器探测器预处理电路、锁相放大检测单元和数据采集与处理单元通过信号传输线依次连接；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。

本发明的工作原理：所述激光器驱动控制单元控制调制信号发生单元向激光器发出调制信号，调制信号为锯齿波和正弦波叠加信号，锯齿波频率为1-100Hz，正弦波频率为1KHz-1MHz，正弦波同时输入到锁相放大检测单元作为参考信号，激光器驱动控制单元根据调制信号中的锯齿波控制激光器的注入电流，使其控制在1A-6A范围内，从而使激光输出波长调谐在902nm-909nm的范围内，扫过905nm中心波长。激光通过光纤并经由准直器对外发射，投射到乙醇气体上；激光经过乙醇气体吸收后所散射的光线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。

本发明的有益效果：本发明给出了具体的适合检验酒驾的激光器，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为乙醇的红外吸收光谱；

图3为本发明的探测器预处理电路；

图4为本发明的锁相放大电路；

图5为本发明的锁相倍频电路。

具体实施方式

下面结合图1至图5说明本实施方式，一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，参见图1所示，本发明包括905nm可调谐垂直腔面发射激光器1、调制信号发生单元2、激光器驱动控制单元3、会聚透镜4、准直器5、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和光纤10；所述准直器5安装在会聚透镜4中心位置；所述调制信号发生单元2、激光器驱动控制单元和905nm可调谐垂直腔面发射激光器1通过信号传输线依次连接；所述905nm可调谐垂直腔面发射激光器1和准直器5通过光纤10相连接；所述光电探测器6设置在会聚透镜4的焦点位置；所述光电参测器6、探测器预处理电路7、锁相放大检测单元8和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。

本实施方式中所述激光器驱动控制单元3负责对激光器1进行驱动，它将由调制信号发生单元2所产生的正弦波和锯齿波的叠加信号加载到激光器1上，并通过激光注入电流控制部分进行激光调制和扫描。调制信号的组成分为两部分：一部分是锯齿波，其频率为10Hz；另一部分是正弦波，其频率为5KHz；锯齿波信号叠加在激光器1电流的直流上，用来对激光器1的波长进行扫描；正弦波信号叠加在锯齿波上，用来调制输出激光的频率，并同时作为参考信号同光电探测器6所输出的携带了被测乙醇气体浓度信息的电信号一起，输入到锁相放大检测单元8内。本实施例的激光器1为905nm可调谐垂直腔面发射激光器，其发出的激光经光纤10传输到准直器5上，经准直后进行对外发射。本实施例最前端是会聚透镜1，用于收集由入射到驾驶室内的激光经乙醇气体吸收后所散射的光线，并将其汇聚到光电探测器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后，经数据采集与处理单元9输出最终被测乙醇气体的浓度数据。

三角波(10Hz)和正弦信号(5KHz)叠加后，送入半导体激光器1的调制信号输入端，实现对半导体激光器1的调制。三角波用来完成对乙醇光谱吸收线的扫描，三角波不仅影响中心谱线的位置，也影响信号的幅度，随着三角波幅度的增加，气体的光谱吸收线变宽，吸收峰的位置也随之发生偏移。因此，三角波的幅度取值不可过大。正弦信号作为调制信号，完成气体吸收光谱的谐波检测。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。

可以假设将三角波的一个周期分为若干很小的时间段，在每一个时间段内，可以将叠加后的调制信号认为是纯正的正弦信号。在此时间段内叠加信号的基线基本不变，这一点非常重要。因为，如果叠加信号的基线变化很大，则基线对应的吸收谱线的频率相差会很大，从而导致吸收系数发生很大的变化，进而引起很大的检测误差。在每个时间段内通过锁相放大检测单元8检测出一次和二次谐波的幅度，在每个三角波周期内，通过二次谐波幅度的最大值可以确定气体的光谱吸收峰，然后通过此处一次和二次谐波的幅度可以反演得到被测气体的浓度。

本实施方式中以注入电流控制的可调谐垂直腔面发射半导体激光器1，通过控制注入电流在1A-6A范围内变化，可使激光输出波长调谐在902nm-909nm的范围内，并且具备最大70mW的输出功率和最小1mm的输出光斑直径。

本实施方式中探测器预处理电路7、锁相放大电路、锁相倍频电路，如图3、图4、图5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，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3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通过串接电阻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。

结合图4说明本实施方式，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，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5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。

本发明的检测手段采用可调谐半导体二极管激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectrometry)简称为TDLAS技术。该技术是利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。具体来说，半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

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2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，因此本发明中选用激光器核心光源的波长为905nm。

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，因此对于核心光源为905nm的激光器本发明优选“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。

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，来完成本系统中激光器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 (10)

1.一种酒驾遥感快速激光自动预检装置，其特征是：包括核心光源为905nm的可调谐垂直腔面发射激光器(1)、调制信号发生单元(2)、激光器驱动控制单元(3)、会聚透镜(4)、准直器(5)、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)和光纤(10)；所述准直器(5)安装在会聚透镜(4)中心位置；所述调制信号发生单元(2)、激光器驱动控制单元(3)和905nm可调谐垂直腔面发射激光器(1)通过信号传输线依次连接；所述905nm可调谐垂直腔面发射激光器(1)和准直器(5)通过光纤(10)相连接；所述光电探测器(6)设置在会聚透镜(4)的焦点位置；所述光电参测器(6)、探测器预处理电路(7)、锁相放大检测单元(8)和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：所述激光器驱动控制单元(3)根据调制信号控制激光器(1)的注入电流在1A～6A范围内，控制激光输出波长调谐在902nm～909nm的范围内，扫过905nm中心波长。

3.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：所述调制信号发生单元(2)发出锯齿波和正弦波叠加的调制信号，所述锯齿波频率为1～100Hz，所述正弦波频率为1KHz～1MHz，所述正弦波同时输入到锁相放大检测单元(8)作为参考信号。

4.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。

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：所述光电探测器(6)为红外锗探测器。

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，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。

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：所述锁相放大检测单元(8)包括锁相放大电路和锁相倍频电路。

8.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～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、17、19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～6脚分别串接R6～R9后接15V-。

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：所述锁相倍频电路包括锁相环CD4046、D触发器74HC74、电阻R10～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，2脚与6脚短接，1脚、4脚、14脚接5V+，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7脚，11脚串接R10后接地，5脚、8脚接地，16脚接5V+，13脚的输出经R11、R12及C5滤波后输入到9脚。

10.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)包括DSP微处理器。

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