CN106483098A - 基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于可调谐激光器的酒精气体浓度的遥测方法，包括如下步骤：控制器分别调谐可调谐激光器和光电探测器的工作温度至一预定数值；控制器输出非均匀偏置电流，周期性调谐可调谐激光器的输出波长；控制器记录光电探测器的光电流信号；控制器寻找酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长信号的位置；光电流信号曲线是否同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长，如是，进行下一步，如否，返回步骤1；光电流信号曲线与控制器记录的背景信号曲线相除，得到无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线；根据无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线中酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长处的电流信号值，计算酒精气体浓度，完成检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感、光电子、光谱学技术领域，特别涉及一种基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法。
背景技术
饮酒驾驶引起的道路交通事故在各类交通事故中占有极大的比重。目前，各国普遍采用检测血液、呼气中酒精浓度的方法来判定司机是否存在酒后驾驶行为。血液酒精浓度检测方法需要在医院、法医室等专业机构进行，时间较长，设备昂贵，费用也较高，对道路交通现场和车载使用可操作性不强。因此，在交管部门的实际道路执法过程中一般采用呼气酒精浓度检测方法。但这种方法也有很大的局限性：阻碍交通，浪费时间，成本开销大，只能对选定的车辆进行检查，效率低，并且需要交警的参与和驾驶员的配合。还有一种重要的检测方法是红外激光吸收光谱检测技术，根据所用激光器波长不同有近红外和中红外两种。近红外波段一般采用波长为1392nm的可调谐半导体激光器作为光源，酒精分子在该波段有一个较弱的尖锐特征吸收峰作为甄别特征，但由于酒精分子在该波段的吸收强度较弱，而且该波段附近存在很强水汽特征吸收峰，在应用中，酒精分子的吸收信号受到水汽的干扰，检测灵敏度非常低，无法达到执法检测要求。中红外波段常采用波长为3390nm、3490nm、2740nm的激光器作为光源，酒精分子在这几个波段的吸收强度明显高于1392nm波段，但还不足以达到实际需要的检测灵敏度要求。在3390nm波段，很多有机物分子如甲烷等吸收强度比酒精分子高好几倍，因此受其他分子的交叉吸收干扰很大。为获取酒精分子吸收光强的比对基线，通常还需要另外的激光器和探测器来检测无酒精吸收时的光功率消除大气背景散射反射引入的光强损耗，这种方法大大提高了系统的成本，增加了光路调整的复杂性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种可调谐激光器的酒精气体浓度检测方法，以实现灵敏度高，响应速度快，非接触，非侵入，并且无需人工操作的酒精气体浓度遥测。
为达到上述目的，本发明提供一种基于可调谐激光器的酒精气体浓度的遥测方法，所述的遥测方法采用的硬件结构包括控制器、可调谐激光器、光电探测器、反射镜及显示器，该遥测方法包括如下步骤：
步骤1：控制器分别调谐可调谐激光器和光电探测器的工作温度至一预定数值；
步骤2：控制器输出非均匀偏置电流，周期性调谐可调谐激光器的输出波长，使可调谐激光器的输出波长在一个调谐周期内同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长；
步骤3：控制器记录光电探测器的光电流信号；
步骤4：控制器寻找酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长信号的位置；
步骤5：光电流信号曲线是否同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长，如是，进行下一步，如否，返回步骤1；
步骤6：光电流信号曲线与控制器1记录的背景信号曲线相除，得到无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线；
步骤7：根据无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线中酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长处的电流信号值，计算酒精气体浓度，完成检测。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法采用中心波长为3345nm的中红外可调谐半导体激光器探测酒精特征吸收峰，相比于其他波长的激光器，酒精分子在该波长的特征吸收强度更大，受其他气体分子交叉吸收干扰小，检测灵敏度更高。
2.基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法采用的激光光源可调谐波长范围可同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长，不需要使用另外的激光器和探测器获取对比基线，系统的成本更低，光路结构简单，光路调整更简单方便。
3.基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法采用非均匀扫描电流调制信号，在酒精特征吸收峰波长及平坦吸收区参考波长左右一定范围内减小扫描电流的步长，在其他区域增加电流扫描步长，获得酒精特征吸收峰波长的准确性越高，相比于均匀电流扫描方式，系统资源的利用效率更高，实时检测速度更快。
4.基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法采用信号采集处理器记录背景光电流信号曲线，并通过相除算法，消除了大气背景散射反射及背景气体吸收信号的影响，使酒精气体浓度检测的灵敏度更高。
5.基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法可直接检测光路空间中酒精气体浓度，不需要气室，响应速度快，可以实现非接触式，非侵入式实时遥测，无需人工操作，检测效率更高。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法的硬件结构示意图。
图2是本发明基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法的程序流程图。
图3是本发明基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法的酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长的选择示意图。
图4是本发明基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法的操作示意图。
具体实施方案
首先参阅图1，图1是本发明基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法的硬件结构示意图，其中包括：控制器1、可调谐激光器2、光电探测器3、反射镜4及显示器5。其中，控制器1为一程控电路，提供对可调谐激光器2和光电探测器3的驱动和温度控制，同时采集光电探测器3输出的光电流信号，并对数据进行分析处理；可调谐激光器2在控制器1的驱动控制下输出周期性调谐的光功率信号；光电探测器3用于将接收到的光功率信号转化为电流信号；反射镜4将可调谐激光器2的输出光束反射到光电探测器3；显示器5用于实时显示光路空间中酒精气体浓度。
请再参阅图1及图2，本发明提供一种基于可调谐激光器的酒精气体浓度的遥测方法，包括如下步骤：
步骤1：控制器1分别调谐可调谐激光器2和光电探测器3的工作温度至一预定数值，该可调谐激光器2的输出波长位于酒精特征吸收峰的3345nm处，且输出波长的调谐范围包含整个酒精气体的特征吸收峰或部分酒精气体的特征吸收峰，该可调谐激光器2的波长调谐范围包含酒精特征吸收峰附近平坦吸收区参考波长，该平坦吸收区参考波长为计算酒精气体浓度的参考点，该控制器1输出非均匀偏置电流信号，该非均匀偏置电流信号在酒精特征吸收峰波长及平坦吸收区参考波长的附近电流的扫描步长小，远离酒精特征吸收峰波长及平坦吸收区参考波长的电流扫描步长大；
步骤2：控制器1输出非均匀偏置电流，周期性调谐可调谐激光器2的输出波长，使可调谐激光器2的输出波长在一个调谐周期内同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长；
步骤3：控制器1记录光电探测器3的光电流信号；
步骤4：控制器1寻找酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长信号的位置；
步骤5：光电流信号曲线是否同时包含酒精特征波长和平坦吸收区参考波长，如是，进行下一步，如否，返回步骤1；
步骤6：光电流信号曲线与控制器1记录的背景信号曲线相除，得到无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线，该背景光电流信号曲线是光路中无酒精气体时的扫描获得的光电流信号曲线，该背景光电流信号曲线包含了光路中背景吸收光强损耗及非吸收光强损耗的信息，在计算中通过原始光电流信号曲线与背景光电流信号曲线相除，消除原始光电流信号曲线中光路中背景吸收光强损耗及非吸收光强损耗的影响，提高酒精气体浓度遥测灵敏度；
步骤7：根据无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线中酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长处的电流信号值，计算酒精气体浓度，完成检测。
其中控制器1集成了电源模块、温度控制模块、激光器驱动模块、探测器驱动模块、信号发生模块、信号采集模块和信号处理模块。
控制器1的信号处理模块对信号采集模块采集到的信号曲线进行了放大滤波处理，去除系统背景噪声的干扰。
控制器1产生的非均匀偏置电流信号作用于可调谐激光器2。
可调谐激光器2的输出光束经过准直聚焦透镜准直，输出光束为平行光，空间传播距离更远。
图3为酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长的选择示意图，酒精特征峰吸收波长如a所示为3345nm，平坦吸收区参考波长如b所示为3340nm(也可以选为其他波长)。
可调谐激光器2的波长调谐范围至少大于6nm，若电流调谐无法满足调谐范围要求，则需要再加入温度调谐；可调谐激光器2温度调谐系数略大于电流调谐系数，激光器工作温度越高，输出波长越长；工作温度越低，输出波长越短。
参阅图4，背景光电流信号曲线如c所示包含了背景气体吸收光损耗及大气散射、光路准直失配等因素造成的非吸收光功率损耗。原始光电流信号曲线如d所示为光电探测3的输出信号，控制器1的信号采集处理模块对其进行放大采集滤波处理后，通过寻峰方式得到酒精特征吸收峰波长位置a，并通过该位置获得平坦吸收区参考波长位置b。酒精气体分子在3345nm附近的特征吸收峰尖峰区域半高宽约为1.4nm，为减小寻峰尖峰误差，该区域电流扫描步长需设置的小一些。信号采集处理模块在获得酒精特征吸收峰波长a所处扫描电流点位置及平坦吸收区参考波长b所处扫描电流点位置后，结合背景光电流信号曲线c，根据Beer-Lambert定律，
可计算出光路中酒精气体浓度正比于
I0和Iref0分别为光路上无酒精气体时酒精特征吸收峰波长处a的透射光功率及平坦吸收区参考波长b点处的透射光功率，It和Ireft分别为光路上有酒精气体时酒精特征吸收峰波长a点处的透射光功率及平坦吸收区参考波长b点处的透射光功率，I0、Iref、It、Ireft正比于对应点的光电流信号幅度，Ti，Tr分别为酒精特征吸收峰波长a和平坦吸收区参考波长b的大气透射率，由于两波长相差很小，所以Ti，Tr基本相等。
在光路中酒精气体的浓度较低时，可采用谐波调制算法，既在非均匀偏置电流的基础上加入高频调制信号，然后通过进行数据采集处理，去除背景干扰信号，校准修正后可计算获得开放空间中酒精气体浓度。
本发明基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法采用的中心波长为3345nm的可调谐半导体激光器输出光束受大气背景气体分子交叉吸收干扰小，酒精分子吸收强度大，酒精气体浓度检测极限更低；偏置电流采用非均匀电流周期扫描方式，提高了酒精特征吸收峰寻峰的准确性和稳定性，缩短了大范围电流扫描的时间，检测的实时性更好；背景信号消除了大气散射等非吸收光强损耗及背景气体吸收光强损耗的影响，检测灵敏度更高。
因此，本发明提出的基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法，灵敏度高，准确好，实时响应速度快，可以实现非接触式，非侵入式实时遥测，无需气室，无需人工操作，大大提高了空间酒精气体浓度检测效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于可调谐激光器的酒精气体浓度的遥测方法，所述的遥测方法采用的硬件结构包括控制器、可调谐激光器、光电探测器、反射镜及显示器，该遥测方法包括如下步骤：
步骤1：控制器分别调谐可调谐激光器和光电探测器的工作温度至一预定数值；
步骤2：控制器输出非均匀偏置电流，周期性调谐可调谐激光器的输出波长，使可调谐激光器的输出波长在一个调谐周期内同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长；
步骤3：控制器记录光电探测器的光电流信号；
步骤4：控制器寻找酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长信号的位置；
步骤5：光电流信号曲线是否同时包含酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长，如是，进行下一步，如否，返回步骤1；
步骤6：光电流信号曲线与控制器1记录的背景信号曲线相除，得到无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线；
步骤7：根据无背景信号干扰的酒精信号吸收曲线中酒精特征吸收峰波长和平坦吸收区参考波长处的电流信号值，计算酒精气体浓度，完成检测。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法，其中该可调谐激光器的输出波长位于酒精特征吸收峰的3345nm处，且输出波长的调谐范围包含整个酒精气体的特征吸收峰或部分酒精气体的特征吸收峰。
3.根据权利要求2所述的基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法，其中该可调谐激光器的波长调谐范围包含酒精特征吸收峰附近平坦吸收区参考波长，该平坦吸收区参考波长为计算酒精气体浓度的参考点。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法，其中该控制器产生的非均匀偏置电流信号作用于可调谐激光器。
5.根据权利要求4所述的基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法，其中该控制器输出非均匀偏置电流信号，该非均匀偏置电流信号在酒精特征吸收峰波长及平坦吸收区参考波长的附近电流的扫描步长小，远离酒精特征吸收峰波长及平坦吸收区参考波长的电流扫描步长大。
6.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的酒精气体浓度遥测方法，其中该背景光电流信号曲线是光路中无酒精气体时扫描获得的光电流信号曲线，该背景光电流信号曲线包含了光路中背景吸收光强损耗及非吸收光强损耗的信息，在计算中通过原始光电流信号曲线与背景光电流信号曲线相除，消除原始光电流信号曲线中光路中背景吸收光强损耗及非吸收光强损耗的影响，提高酒精气体浓度遥测灵敏度。
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|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108519350A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-09-11 | 中国科学院半导体研究所 | 酒精浓度遥测装置 |
| CN109799211A (zh) * | 2019-03-12 | 2019-05-24 | 长春理工大学 | 基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置与方法 |
| CN114441477A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-05-06 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 基于宽吸收谱线气体的浓度检测方法及装置 |
| CN114460023A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-05-10 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 一种用于同时测量多种气体浓度的检测方法、系统和装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105954229A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-21 | 中国科学院半导体研究所 | 基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105954229A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-21 | 中国科学院半导体研究所 | 基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JANA JÁGERSKÁ等: "Highly sensitive and fast detection of propane–butane using a 3 μm quantum cascade laser", 《APPLIED OPTICS》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108519350A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-09-11 | 中国科学院半导体研究所 | 酒精浓度遥测装置 |
| CN109799211A (zh) * | 2019-03-12 | 2019-05-24 | 长春理工大学 | 基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置与方法 |
| CN114441477A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-05-06 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 基于宽吸收谱线气体的浓度检测方法及装置 |
| CN114441477B (zh) * | 2022-04-11 | 2022-07-01 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 基于宽吸收谱线气体的浓度检测方法及装置 |
| CN114460023A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-05-10 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 一种用于同时测量多种气体浓度的检测方法、系统和装置 |
| CN114460023B (zh) * | 2022-04-14 | 2022-08-05 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 一种用于同时测量多种气体浓度的检测方法、系统和装置 |
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