CN106198436A - 一种呼气酒精红外探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种呼气酒精红外探测系统及方法，该系统包括红外传感装置、电源控制电路、微处理器、脉冲调制驱动电路、前置放大电路、滤波放大电路和信号转换电路；该方法包括如下步骤：(a)气体收集检测；(b)信号处理；(c)二级放大；(d)中央处理；(e)信息获取。本发明具有选择性好、分析速度快、稳定性好、防爆性好、信噪比高、使用寿命长、测量精度高、应用范围广微型化、低能耗、运行成本低、灵敏度高、循环使用、可控性强的优点。
Description
技术领域
本发明属于呼气酒精检测技术领域，尤其涉及一种呼气酒精红外探测系统及方法。
背景技术
随着汽车工业的迅猛发展，因酒后驾车而引起的交通事故与日俱增，对人民的生命财产安全的危害逐渐突出，而检测司机是否酒后驾车既能有效的控制司机的违法行为，也是在交通事故后调查取证的重要措施之一。要判断是否是酒后驾驶，最理想的方法是检查驾驶员的BAC(Blood Alcohol Concentration)，即血液中的酒精浓度。在事故现场勘验或交通警察的日常交通检查中，最简单有效的方案是现场检测驾驶员呼气中的酒精含量。而目前交警执法所采用的酒精测试方法或测试仪，比较笨拙、效率不高，并考虑到技术精度原因尚且不能作为证据材料，需要进一步到医疗机构进行验血取证，往往会因为时间的延长而影响取证的准确性；仪器的可修改性造成执法主观性对测试结果影响较大，缺乏有效的监管方式；而且测得的数据比较分散，容易丢失，不便于管理和统计。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种呼气酒精红外探测系统及方法，具有选择性好、分析速度快、稳定性好、不受有毒气体和温度等影响、防爆性好、信噪比高、使用寿命长、测量精度高、应用范围广微型化、低能耗、运行成本低、灵敏度高、循环使用、可控性强的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：包括红外传感装置、电源控制电路、微处理器、脉冲调制驱动电路、前置放大电路、滤波放大电路和信号转换电路，红外传感装置包括壳体、红外发射光源、反射镜、滤光片组和红外探测器，反射镜与滤光片组均设于壳体内，反射镜与滤光片组之间形成光路气室，光路气室内设有高光膜，红外发射光源与红外探测器分别设于壳体的两侧，电源控制电路连接微处理器，微处理器连接脉冲调制驱动电路，脉冲调制驱动电路连接红外发射光源，红外探测器连接前置放大电路，前置放大电路连接滤波放大电路，滤波放大电路连接信号转换电路，信号转换电路连接微处理器，微处理器分别连接有浓度显示电路、无线传输电路和打印电路，浓度显示电路以图文的形式显示被检测气体浓度的有效值和平均值，直观清楚，无线传输电路连接远端的档案管理中心，打印电路以电子文档或者纸质文件的形式将需要的数据打印出来；该探测系统具有选择性好、分析速度快、稳定性好、不受有毒气体和温度等影响、防爆性好、信噪比高、使用寿命长、测量精度高、应用范围广微型化、低能耗、运行成本低、灵敏度高、循环使用、可控性强的优点。
进一步，壳体的一侧设有安装环，安装环上对称分布有钩型卡条，红外探测器设于钩型卡条之间，壳体与红外探测器之间采用卡接的连接方式，安装时只需扳动对称的钩型卡条卡紧红外探测器的边缘，就可实现稳定安装，结构简单，连接可靠，维修或更换方便。
进一步，微处理器包括信号采样电路、计算处理电路和判断电路，信号采样电路连接计算处理电路，计算处理电路连接判断电路，信号采样电路用于采样信号转换电路发出的信号，由计算处理电路进行运算处理，再由判断电路根据计算后的数据作出数据判断转化。
进一步，信号转换电路与微处理器之间分别连接有第一信号传输电路和第二信号传输电路，第一信号传输电路为传输被检测气体吸收后红外光强减弱的信号，与被检测气体的浓度直接相关，第二信号传输电路为传输红外光强无损失的信号，与被检测气体无直接关系，它反映的是外界环境条件，将对被检测气体测量具有参考和补偿作用，从而提高探测的灵敏度和准确性。
进一步，前置放大电路包括信号输入通道、参考信号通道、信号计算电路和滤波器，信号输入通道和参考信号通道分别连接信号计算电路，信号计算电路连接滤波器，滤波器连接滤波放大电路，信号输入通道将接收的电信号放大，并对电信号中的噪声进行初步吸收处理，同时参考信号通道输出一个参考信号，信号计算电路对输入的电信号和参考信号进行乘法运算，得出输入的电信号与参考信号的和频信号与差频信号，由滤波器过滤掉电信号中的和频信号，输出过滤后的电信号。
进一步，滤波器连接有降噪电路，由于被检测的信号很微弱，而噪声的干扰却很强，降噪电路的设置能够有效抑制噪声的干扰，大大降低噪声的成分，从噪声中提取有用的信号，从而提高测量的准确性。
进一步，信号采样电路连接有时间设定电路，通过时间设定电路可以设置信号采样电路的采样频率，设置采样周期进行采集，在采样周期内完成一次数据采集，当采样点数到达下个采样周期停止采集，合理设置采样频率能够减小采样数据失真，减小数据存储空间和计算量。
进一步，微处理器连接有记录保持电路，记录保持电路能够记录某段时期内测量的数据，记录包括定期的鉴定结果、测量的地理方位和时间、对应测量的人脸图像等，可通过打印电路以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，必要时呈现给辩护律师，提高说服力。
一种呼气酒精红外探测系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
(a)气体收集检测：每隔5min收集一次被测者呼出的气体，总共收集三次，将收集到的气体通入到壳体中，等待1～2min，然后打开电源控制电路，微处理器得到电流信号，驱使脉冲调制驱动电路发出频率信号，控制红外发射光源执行动作，红外发射光源在脉冲调制信号的作用下发射红外光，红外光经过反射镜的反射聚光作用后，进入到光路气室中，与光路气室中的被检测气体混合接触吸收，剩余的红外光经滤光片组的选择性透过，到达红外探测器中，红外探测器测得红外线的光强差值，将它转化为电信号输出，该电信号非常微弱，不能直接用于采样处理；
(b)信号处理：前置放大电路接收红外探测器发出的电信号，信号输入通道将该电信号放大，根据系统预设的频率值，并经选频放大对电信号中伴有的噪声进行初步处理，同时参考信号通道输出一个相同的正弦波信号，作为参考信号，信号计算电路对输入的电信号和参考信号进行计算，得出输入的电信号与参考信号的和频信号与差频信号，由滤波器过滤掉电信号中的和频信号，由降噪电路吸收噪音，最后得到直流信号作为输出，使得噪声成分大大降低，信号更加稳定；
(c)二级放大：滤波放大电路接收上述直流信号，进行二级放大，滤波放大电路中预设有波段频率值，对直流信号中的噪声进行二级过滤吸收处理，将处理后的信号发送给信号转换电路，滤波放大电路的设置完全抑制了噪声的干扰，经过二级放大作用，使得红外探测器输出的微弱电信号变得更稳定，方便微处理器采样、计算处理，从而提高测量的精度；
(d)中央处理：信号转换电路将接收到的信号转化为微处理器所识别的数字信号，微处理器中预存有信号采样的频率范围，信号采样电路根据设定的采样频率采集这些数字信号，由计算处理电路计算数字信号，将计算后的信号发送给判断电路，判断电路作出执行判断，将接收到的信号转化为对应的酒精浓度值，并将该段时间内转化为的酒精浓度值进行统计，作出浓度值变化曲线图，通过浓度显示电路显示在液晶屏上，给执法者和被测者查看；
(e)信息获取：微处理器记录当前时间段测量所得的数据，包括测量的地理方位和时间、被测者的人脸图像、被测者的酒精浓度值、被测者的浓度值变化曲线和酒精浓度判定结果，将这些数据进行分类处理，通过无线传输电路，传输至远端的档案管理中心，统一进行备案管理，通过打印电路的打印功能，将测得的数据以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，作为执法依据。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
探测系统基于红外吸收原理检测气体，由红外发射光源发射红外光，经过光路气室，与待检测气体发生相互作用，部分光线被吸收，被检测气体的浓度大小影响红外光的吸收量，红外探测器测得剩余的红外光，然后发出微弱的电信号，这微弱的电信号经过高精密的前置放大电路和滤波放大电路后，抑制了噪声的干扰，提取出有用、稳定的信号，接着经信号转换电路的转化功能，转化为微处理器所识别的数字信号，被微处理器采样、计算并作出判断，将所得的气体浓度显示在液晶屏上，方便执法者和被测者查看，通过打印电路的打印功能，将测得的数据以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，作为执法依据，提高说服力；探测系统具有选择性好、分析速度快、稳定性好、不受有毒气体和温度等影响、防爆性好、信噪比高、使用寿命长、测量精度高、应用范围广微型化、低能耗、运行成本低、灵敏度高、循环使用、可控性强的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中一种呼气酒精红外探测系统的流程图；
图2为本发明中红外传感装置的结构示意图；
图3为本发明中壳体与红外探测器连接的结构示意图。
图中：1-壳体；2-红外发射光源；3-反射镜；4-滤光片组；5-红外探测器；6-光路气室；7-高光膜；8-安装环；9-钩型卡条。
具体实施方式
如图1至图3所示，为本发明一种呼气酒精红外探测系统，包括红外传感装置、电源控制电路、微处理器、脉冲调制驱动电路、前置放大电路、滤波放大电路和信号转换电路，红外传感装置包括壳体1、红外发射光源2、反射镜3、滤光片组4和红外探测器5，壳体1采用圆柱形结构，反射镜3与滤光片组4均设于壳体1内，反射镜3与滤光片组4之间形成光路气室6，光路气室6内设有高光膜7，高光膜7的设置增加了光路气室6内壁的光洁度，减少红外光在传输过程中的损耗，并且保护了光路气室6不容易污染，延长使用寿命。红外发射光源2设于壳体1的一侧，采用IRL715红外光源，属于热辐射型光源，最大直径3.17mm，波长从可见光到5μm，适合对乙醇气体的测量，具有输出谱线扩展范围大，高可靠性，稳定的输出，长寿命的优点。
壳体1的另一侧设有安装环8，安装环8上对称分布有钩型卡条9，红外探测器5设于钩型卡条9之间，壳体1与红外探测器5之间采用卡接的连接方式，安装时只需扳动对称的钩型卡条9卡紧红外探测器5的边缘，就可实现稳定安装，结构简单，连接可靠，维修或更换方便。红外探测器5采用热探测器，基于中红外光的热效应，热探测器适合多波段红外光的测量，具有探测率高，制作比较简便，无需偏压等优点。红外传感装置体积小，结构简单，拆装方便，具有防尘、防潮、防爆的优点，使用寿命长才，受外界条件影响小，能适应复杂的工作环境。红外光进入光路气室6内，与待检测气体发生相互作用，红外光的辐射能量被吸收，经滤光片组4后达到红外探测器5的光强比初始的弱，剩余的光经滤光片被红外探测器5吸收，转化为电信号输出。
电源控制电路连接微处理器，电源控制电路控制微处理器运行，微处理器连接脉冲调制驱动电路，脉冲调制驱动电路具有适当的功率输出，使用恒流源驱动，做好电源隔离措施和过流保护措施。脉冲调制驱动电路连接红外发射光源2，红外探测器5连接前置放大电路，前置放大电路包括信号输入通道、参考信号通道、信号计算电路和滤波器，信号输入通道和参考信号通道分别连接信号计算电路，信号计算电路连接滤波器，信号输入通道将接收的电信号放大，并对电信号中的噪声进行初步吸收处理，同时参考信号通道输出一个参考信号，信号计算电路对输入的电信号和参考信号进行乘法运算，得出输入的电信号与参考信号的和频信号与差频信号，由滤波器过滤掉电信号中的和频信号，输出过滤后的电信号。滤波器连接有降噪电路，由于被检测的信号很微弱，而噪声的干扰却很强，降噪电路的设置能够有效抑制噪声的干扰，大大降低噪声的成分，从噪声中提取有用的信号，从而提高测量的准确性。由于红外探测器5发出的电信号非常微弱，不用直接用于采样处理，电信号中还伴有噪声，噪声来自电路检测系统的外部，例如市电干扰、温度涨落、以及宇宙射线等，通过前置电路放大微弱的电信号，从噪声中提取有用的信号，信噪比高，从而提高测量精度和准确性。
滤波器连接滤波放大电路，滤波放大电路连接信号转换电路，信号转换电路与微处理器之间分别连接有第一信号传输电路和第二信号传输电路，第一信号传输电路为传输被检测气体吸收后红外光强减弱的信号，与被检测气体的浓度直接相关，第二信号传输电路为传输红外光强无损失的信号，与被检测气体无直接关系，它反映的是外界环境条件，将对被检测气体测量具有参考和补偿作用，从而提高探测的灵敏度和准确性。
微处理器包括信号采样电路、计算处理电路和判断电路，信号采样电路连接计算处理电路，计算处理电路连接判断电路，信号采样电路用于采样信号转换电路发出的信号，由计算处理电路进行运算处理，再由判断电路根据计算后的数据作出数据判断转化。信号采样电路连接有时间设定电路，通过时间设定电路可以设置信号采样电路的采样频率，设置采样周期进行采集，在采样周期内完成一次数据采集，当采样点数到达下个采样周期停止采集，合理设置采样频率能够减小采样数据失真，减小数据存储空间和计算量。采样频率过高，采样点数过多，会占用大量的计算机内存，降低数据处理速度；采样频率过低，又会使采样数据失真而无法恢复原始连续信号。因此，必须根据信号的频率范围来设置采样频率，同时要满足采样定理的要求。采样定理指出：采样信号无失真地恢复原连续信号的条件是f≥2f，即采样频率要大于信号最高频率的两倍；实际信号一般非带限且混有高频噪声，在实际应用中应选取更高的采样频率。当采样频率一定时，增加采样点数可以提高频率分辨率，但数据存储空间和计算量也相应增大。一般可根据实际需要进行采样点数的选取，通常设置为2的整数次幂，以便于进行后续的FFT谱分析。
微处理器分别连接有浓度显示电路、无线传输电路和打印电路，浓度显示电路以图文的形式显示被检测气体浓度的有效值和平均值，直观清楚，无线传输电路连接远端的档案管理中心，打印电路以电子文档或者纸质文件的形式将需要的数据打印出来。微处理器连接有记录保持电路，记录保持电路能够记录某段时期内测量的数据，记录包括定期的鉴定结果、测量的地理方位和时间、对应测量的人脸图像等，可通过打印电路以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，必要时呈现给辩护律师，提高说服力。
一种呼气酒精红外探测系统的方法，包括如下步骤：
(a)气体收集检测：每隔5min收集一次被测者呼出的气体，总共收集三次，求得三次酒精浓度的平均值，作为判断标准，更具说服力。将收集到的气体通入到壳体1中，等待1～2min，然后打开电源控制电路，微处理器得到电流信号，驱使脉冲调制驱动电路发出频率信号，控制红外发射光源2执行动作，红外发射光源2在脉冲调制信号的作用下发射红外光，红外光经过反射镜3的反射聚光作用后，进入到光路气室6中，与光路气室6中的被检测气体混合接触吸收，剩余的红外光经滤光片组4的选择性透过，到达红外探测器5中，红外探测器5测得红外线的光强差值，将它转化为电信号输出，该电信号非常微弱，不能直接用于采样处理。
(b)信号处理：前置放大电路接收红外探测器5发出的电信号，信号输入通道将该电信号放大，根据系统预设的频率值，并经选频放大对电信号中伴有的噪声进行初步处理，同时参考信号通道输出一个相同的正弦波信号，作为参考信号，信号计算电路对输入的电信号和参考信号完成乘法运算，得出输入的电信号与参考信号的和频信号与差频信号，参考信号与输入的电信号具有相关性，而参考信号与噪声相互独立、互不相关，可以使之通过互相关运算削弱噪声的影响，由滤波器过滤掉电信号中的和频信号，这时的等效噪声带宽很窄，由降噪电路吸收噪音，最后得到直流信号作为输出，使得噪声成分大大降低，信号更加稳定。
(c)二级放大：滤波放大电路是一种对某一窄带频率范围内具有最佳的放大性能的高增益和选频功能的放大电路，滤波放大电路接收上述直流信号，进行二级放大，滤波放大电路中预设有波段频率值，对直流信号中的噪声进行二级过滤吸收处理，将处理后的信号发送给信号转换电路，滤波放大电路的设置完全抑制了噪声的干扰，经过二级放大作用，使得红外探测器5输出的微弱电信号变得更稳定，方便微处理器采样、计算处理，从而提高测量的精度。
(d)中央处理：信号转换电路将接收到的信号转化为微处理器所识别的数字信号，微处理器中预存有信号采样的频率范围，信号采样电路根据设定的采样频率采集这些数字信号，由计算处理电路计算数字信号，将计算后的信号发送给判断电路，判断电路作出执行判断，将接收到的信号转化为对应的酒精浓度值，并将该段时间内转化为的酒精浓度值进行统计，算出浓度平均值，并作出浓度值变化曲线图，通过浓度显示电路显示在液晶屏上，给执法者和被测者查看。
(e)信息获取：由纪录保持电路记录当前时间段测量所得的数据，包括测量的地理方位和时间、被测者的人脸图像、被测者的酒精浓度值、被测者的浓度值变化曲线和酒精浓度判定结果，将这些数据进行分类处理，通过无线传输电路，传输至远端的档案管理中心，统一进行备案管理，可方便后期查询对照，通过打印电路的打印功能，将测得的数据以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，让被测者签字画押，作为执法依据。
探测系统基于红外吸收原理检测气体，由红外发射光源2发射红外光，经过光路气室6，与待检测气体发生相互作用，部分光线被吸收，被检测气体的浓度大小影响红外光的吸收量，红外探测器5测得剩余的红外光，然后发出微弱的电信号，这微弱的电信号经过高精密的前置放大电路和滤波放大电路后，抑制了噪声的干扰，提取出有用、稳定的信号，接着经信号转换电路的转化功能，转化为微处理器所识别的数字信号，被微处理采样、计算并作出判断，将所得的气体浓度显示在液晶屏上，方便执法者和被测者查看，通过打印电路的打印功能，将测得的数据以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，作为执法依据，提高说服力；探测系统具有选择性好、分析速度快、稳定性好、不受有毒气体和温度等影响、防爆性好、信噪比高、使用寿命长、测量精度高、应用范围广微型化、低能耗、运行成本低、灵敏度高、循环使用、可控性强的优点。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：包括红外传感装置、电源控制电路、微处理器、脉冲调制驱动电路、前置放大电路、滤波放大电路和信号转换电路，所述红外传感装置包括壳体、红外发射光源、反射镜、滤光片组和红外探测器，所述反射镜与所述滤光片组均设于所述壳体内，所述反射镜与所述滤光片组之间形成光路气室，所述光路气室内设有高光膜，所述红外发射光源与所述红外探测器分别设于所述壳体的两侧，所述电源控制电路连接所述微处理器，所述微处理器连接所述脉冲调制驱动电路，所述脉冲调制驱动电路连接所述红外发射光源，所述红外探测器连接所述前置放大电路，所述前置放大电路连接所述滤波放大电路，所述滤波放大电路连接所述信号转换电路，所述信号转换电路连接所述微处理器，所述微处理器分别连接有浓度显示电路、无线传输电路和打印电路。
2.根据权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述壳体的一侧设有安装环，所述安装环上对称分布有钩型卡条，所述红外探测器设于所述钩型卡条之间。
3.根据权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述微处理器包括信号采样电路、计算处理电路和判断电路，所述信号采样电路连接所述计算处理电路，所述计算处理电路连接所述判断电路。
4.根据权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述信号转换电路与所述微处理器之间分别连接有第一信号传输电路和第二信号传输电路。
5.根据权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述前置放大电路包括信号输入通道、参考信号通道、信号计算电路和滤波器，所述信号输入通道和所述参考信号通道分别连接所述信号计算电路，所述信号计算电路连接所述滤波器，所述滤波器连接所述滤波放大电路。
6.根据权利要求5所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述滤波器连接有降噪电路。
7.根据权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述信号采样电路连接有时间设定电路。
8.根据权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统，其特征在于：所述微处理器连接有记录保持电路。
9.如权利要求1所述的一种呼气酒精红外探测系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
(a)气体收集检测：每隔5min收集一次被测者呼出的气体，总共收集三次，将收集到的气体通入到所述壳体中，等待1～2min，然后打开所述电源控制电路，所述微处理器得到电流信号，驱使所述脉冲调制驱动电路发出频率信号，控制所述红外发射光源执行动作，所述红外发射光源在脉冲调制信号的作用下发射红外光，红外光经过所述反射镜的反射聚光作用后，进入到所述光路气室中，与所述光路气室中的被检测气体混合接触吸收，剩余的红外光经所述滤光片组的选择性透过，到达所述红外探测器中，所述红外探测器测得红外线的光强差值，将它转化为电信号输出；
(b)信号处理：所述前置放大电路接收所述红外探测器发出的电信号，所述信号输入通道将该电信号放大，根据系统预设的频率值，并经选频放大对电信号中伴有的噪声进行初步处理，同时所述参考信号通道输出一个相同的正弦波信号，作为参考信号，所述信号计算电路对输入的电信号和参考信号进行计算，得出输入的电信号与参考信号的和频信号与差频信号，
由所述滤波器过滤掉电信号中的和频信号，由所述降噪电路吸收噪音，最后得到直流信号作为输出；
(c)二级放大：所述滤波放大电路接收上述直流信号，进行二级放大，所述滤波放大电路中预设有波段频率值，对直流信号中的噪声进行二级过滤吸收处理，将处理后的信号发送给所述信号转换电路；
(d)中央处理：所述信号转换电路将接收到的信号转化为所述微处理器所识别的数字信号，所述微处理器中预存有信号采样的频率范围，所述信号采样电路根据设定的采样频率采集这些数字信号，由所述计算处理电路计算数字信号，将计算后的信号发送给所述判断电路，所述判断电路作出执行判断，将接收到的信号转化为对应的酒精浓度值，并将该段时间内转化为的酒精浓度值进行统计，作出浓度值变化曲线图，通过所述浓度显示电路显示在液晶屏上，给执法者和被测者查看；
(e)信息获取：所述微处理器记录当前时间段测量所得的数据，包括测量的地理方位和时间、被测者的人脸图像、被测者的酒精浓度值、被测者的浓度值变化曲线和酒精浓度判定结果，将这些数据进行分类处理，通过所述无线传输电路，传输至远端的档案管理中心，统一进行备案管理，通过所述打印电路的打印功能，将测得的数据以电子文档或者纸质文件的形式打印出来，作为执法依据。
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