CN111257274A - 基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置 - Google Patents
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Abstract
基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，属于激光探测技术领域，为解决现有的红外光谱酒精浓度测量装置测量精度低的问题，该装置包括泵浦激光器、掺铒光纤放大器、光纤隔离器、第一光纤环行器、掺铥光纤、光子晶体光纤、光纤耦合器、第一准直器、试纸、第二准直器、反射光栅、探测器、数据采集处理模块、检测探测器、报警装置、第二光纤环行器、开关、第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅；该装置采用双波长测量，可以消除其它除波长以外的因素带来的影响，提高测量精度；该装置应用全光纤器件产生1.7μm波段激光，该装置结构紧凑，稳定性强；设备可以集成化为小型，方便携带，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，属于激光探测技术领域。
背景技术
酒后驾驶已成为道路交通致死的主要原因，每年给人类经济社会带来严重的经济损失和大量的人员伤亡。酒精气体浓度检测对于道路监管部门在道路执法中捕获醉酒司机，提高道路执法效率以及监控进入禁酒场所的人员饮酒情况具有重大意义。目前，酒精检测方法主要包括血液化验法(血检)、呼气检测法(气检)、酒精试纸检测法以及红外检测法，交警执法时对驾驶者进行酒精呼气检测，但是由于呼气检测的不精确性，很多时候还需要交警将驾驶员带去医疗机构进行血液酒精检测，这严重影响了道路交通执法的效率。而且很多驾驶者会以用嘴呼气不卫生为理由来拒绝进行呼气酒精检测。为了解决这个问题，急需研制一种测量精度高的便于携带的血液酒精浓度检测装置。
如图1所示，水分子红外吸收光谱图中可以看出，中红外波段(2μm-30μm) 水分子吸收较大，而且其光谱重叠严重且存在干扰的频段。而近红外光谱分析技术由于具有快速、无损、简便等优势可以广泛用于各种酒类、医用或者工业中酒精浓度的测量。
中国专利公开号为“CN 108519350A”，专利名称为“红外光谱酒精浓度测量装置”，其所用激光波长主要集中在中红外3μm附近，由于在该波段水分子吸收的干扰，致使该装置测量精度较低。
如图2所示的酒精吸收谱，在乙醇近红外吸收谱中，可以看出近红外频段 1.7μm波段附近的光在酒精中有较大的吸收损耗，可以有效提高测量精确度。
随着1.7μm波段激光器的研究，由于1.7μm波段的特殊性质，1.7μm波段光源已在生物成像、激光手术、激光加工成型及中红外激光光源等领域得到广泛应用。如图1所示，1.7μm波段为两个水吸收峰(1.45μm和1.8μm)之间的低谷，水在此波段的吸收率较低，可以有效避免液体中水的吸收损耗。同时， 1.7μm处于酒精吸收峰最高值附近，对酒精有明显的吸收损耗，可以根据1.7μm 波段的这个特性来研制精度高的血液酒精测量装置。
发明内容
本发明为解决现有的红外光谱酒精浓度测量装置测量精度低的问题，提出了一种基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，该装置采用双波长测量，可以消除其它除波长以外的因素带来的影响，提高测量精度，适合全光纤、稳定性好、便于携带。
本发明采取以下技术方案：
基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，其特征是，其包括泵浦激光器、掺铒光纤放大器、光纤隔离器、第一光纤环行器、掺铥光纤、光子晶体光纤、光纤耦合器、第一准直器、试纸、第二准直器、反射光栅、探测器、数据采集处理模块、检测探测器、报警装置、第二光纤环行器、开关、第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅；
泵浦激光器、掺铒光纤放大器和光纤隔离器依次光纤连接，光纤隔离器的另一端与第一光纤环行器的a端口连接，第一光纤环行器的c端口、掺铥光纤和光子晶体光纤依次连接，光子晶体光纤的另一端与光纤耦合器的d端口连接，光纤耦合器的e端口与第二光纤环行器的g端口连接，第二光纤环行器的h端口连接光开关，光开关与第一光纤布拉格光栅或第二光纤布拉格光栅连接，第二光纤环行器的i端口与光纤环行器的c端口连接，构成环型腔，光纤耦合器的 f端口作为输出端口，输出光经过由第一准直器准直到试纸，激光经过试纸上的血液后再次通过第二准直器准直到反射光栅，激光经反射光栅反射到达探测器，探测器将信号传输给数据采集处理模块，数据采集处理模块将信号处理后传输给报警控制器，报警控制器根据接收的信号控制报警装置工作。
本发明的有益效果是：
本发明提出1.7μm波段双波长激光光源用于酒精测量，本发明采用的1.7μm 光源处于水分子吸收低谷，该区域也属于酒精分子的吸收区。可以用来测量水溶液(例如血液)中低浓度的酒精溶剂。相比于酒精在其他波长，1.7μm波段对酒精有着极高的吸收。并且本发明提出利用双波长进行测量，可以消除其它除波长以外的因素造成的影响，有效提高测量精准度和准确性。
本发明应用全光纤器件产生1.7μm波段激光，该装置结构紧凑，稳定性强；设备可以集成化为小型，方便携带，应用广泛。
附图说明
图1为水分子红外吸收光谱图。
图2为酒精近红外吸收光谱图。
图3为本发明基于1.7μm波段双波长激光光源血液酒精测试装置结构示意图。
图4为本发明基于1.7μm波段双波长激光光源血液酒精测试装置的连续光输出光谱图。
图5为本发明基于1.7μm波段双波长激光光源血液酒精测试装置产生的 1.7μm激光在不同酒精浓度下的吸收损耗图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图3所示，本发明基于1.7μm波段双波长激光光源血液酒精测试装置，其包括泵浦激光器1、掺铒光纤放大器2、光纤隔离器3、第一光纤环行器4、掺铥光纤5、光子晶体光纤6、光纤耦合器7、第一准直器8、、试纸9、第二准直器10、反射光栅11、探测器12、数据采集处理模块13、检测探测器14、报警装置15、第二光纤环行器16、开关17、第一光纤布拉格光栅18和第二光纤布拉格光栅19。
泵浦激光器1、掺铒光纤放大器2和光纤隔离器3依次光纤连接，光纤隔离器3的另一端与第一光纤环行器4的a端口连接，第一光纤环行器4的c端口、掺铥光纤5和光子晶体光纤6依次连接，光子晶体光纤6的另一端与光纤耦合器7的d端口连接，光纤耦合器7的e端口与第二光纤环行器16的g端口连接，第二光纤环行器16的h端口连接光开关17，光开关17与第一光纤布拉格光栅 18或第二光纤布拉格光栅19连接，第二光纤环行器16的i端口与光纤环行器4 的c端口连接，构成环型腔，光纤耦合器7的f端口作为输出端口，输出光经过准直器8到达试纸9，激光经过试纸9上的血液后再次通过第二准直器10准直到反射光栅11，激光经反射光栅11反射到达探测器12，探测器12将信号传输给数据采集处理模块13，数据采集处理模块13将信号处理后传输给报警控制器 14，报警控制器14根据接收的信号控制报警装置15工作。
所述泵浦激光器1为1550nm波段的激光器。
所述掺铒光纤放大器2最大输出功率为33dBm。
所述光纤隔离器3用于光单向通过。
所述第一光纤环行器4用于输出背向增益光。
所述掺铥光纤5为增益介质。
所述光子晶体光纤6用于抑制掺铥光纤5的ASE中心波长，提高光转换效率。
所述光纤耦合器7，其端口e为90％功率输出，端口f为10％功率输出。
所述试纸9为透射式试纸。
所述数据采集处理模块13由微波放大器，模数转换器ADC和FPGA由电缆连接组成。其中微波放大器将信号放大通过电缆输出给模数转换器ADC，ADC 将信号转换为数字信号通过电缆传输到FPGA，由FPGA做数字信号处理。
所述探测器12为铟镓砷探测器，带放大，固定增益，900-2600nm，带宽 25MHz，0.8平方毫米，通用的8-32/M4螺孔。
所述第二光纤环行器16与光纤布拉格光栅连接。
所述第一光纤布拉格光栅18为1.7μm波段均匀性反射式布拉格光栅，其中心波长为1727nm。
所述第二光纤布拉格光栅19为1.7μm波段均匀性反射式布拉格光栅，其中心波长为1659nm。
基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，其工作过程如下：
1550nm泵浦激光器1发射泵浦光经过掺铒光纤放大器2放大到瓦级，再经过光纤隔离器3后注入光纤环行器4的a端口，放大后的泵浦光经由光纤环行器4后注入掺铥光纤5中，铥离子从3H6能级跃迁到3F4能级，产生了宽带增益谱。通过光子晶体光纤6抑制增益谱中心部分，抑制增益饱和，从而提高1.7μm 波段增益转换效率。从第一光环行器4的b端口输出背向增益谱(因其背向增益谱的短波长转换效率相对于正向增益谱效率较高)，并进入第二光环行器16，通过开关17的控制分别进入第一光纤布拉格光栅18和第二光纤布拉格光栅19进行1.7μm波段波长选择，第一光纤布拉格光栅18和第二光纤布拉格光栅19 将1.7μm波段的光反射回环型腔内，在环型腔中进行增益振荡后从光纤耦合器7 的f端口输出，剩余90％的光用于腔内循环振荡。产生的1.7μm波段的激光经过准直器8准直到达装有采集血液的试纸9上，试纸9出射的激光经过透镜10 到达反射光栅11，经反射光栅11反射后到达探测器12，探测器12根据接收到的光功率变化将其转换为电信号传递到数据采集处理模块13，数据采集处理模块13经过采集并放大电信号下降量，根据事先标定的电信号与酒精量转换规律演算出每单位酒精含量数值，当演算值大于20mg/100mL时，报警控制器14根据接收到的信号来控制警报装置15发出警报。
其中所用双波长的选择为：一束激光波长与酒精光谱吸收峰值波长重合(主波长1728nm)，一束激光波长与酒精吸收峰波长接近但对酒精的吸收比较低(参考波长1659nm)，利用主波长与酒精气体分子吸收而衰减的特性，通过测量其衰减程度得到气体浓度信息，利用参考波长来消除大气中的其它物质及光学仪器对该波长的吸收和仪器参量等因素对测量精度的影响。
光子晶体光纤6的“光子带隙”效应抑制掺铥光纤产生的ASE光谱中心部分，可以提高掺铥光纤光纤在1.7μm波段的光转换效率。同时利用光纤环行器4输出背向增益谱，相比于铥离子的正向增益，铥离子从3H6能级跃迁到3F4能级，产生的背向增益的增益饱和现象较弱，其背向增益谱的1.7μm波段光转换效率相对于正向增益谱效率较高。
图4为本发明1.7μm波段双波长其中一个波长连续光输出光谱图，所显示的峰值波长为1727.74nm，3dB带宽为0.18nm，边模抑制比为62dB。
图5为本发明实验装置产生的1.7μm激光在不同酒精浓度液体中的吸收损耗图。
Claims (9)
1.基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，其特征是，其包括泵浦激光器(1)、掺铒光纤放大器(2)、光纤隔离器(3)、第一光纤环行器(4)、掺铥光纤(5)、光子晶体光纤(6)、光纤耦合器(7)、第一准直器(8)、试纸(9)、第二准直器(10)、反射光栅(11)、探测器(12)、数据采集处理模块(13)、检测探测器(14)、报警装置(15)、第二光纤环行器(16)、开关(17)、第一光纤布拉格光栅(18)和第二光纤布拉格光栅(19)；
泵浦激光器(1)、掺铒光纤放大器(2)和光纤隔离器(3)依次光纤连接，光纤隔离器(3)的另一端与第一光纤环行器(4)的a端口连接，第一光纤环行器(4)的c端口、掺铥光纤(5)和光子晶体光纤(6)依次连接，光子晶体光纤(6)的另一端与光纤耦合器(7)的d端口连接，光纤耦合器(7)的e端口与第二光纤环行器(16)的g端口连接，第二光纤环行器(16)的h端口连接光开关(17)，光开关(17)与第一光纤布拉格光栅(18)或第二光纤布拉格光栅(19)连接，第二光纤环行器(16)的i端口与光纤环行器(4)的c端口连接，构成环型腔，光纤耦合器(7)的f端口作为输出端口，输出光经过第一准直器(8)准直到达试纸(9)，激光经过试纸(9)上的血液后再次通过第二准直器(10)准直到反射光栅(11)，激光经反射光栅(11)反射到达探测器(12)，探测器(12)将信号传输给数据采集处理模块(13)，数据采集处理模块(13)将信号处理后传输给报警控制器(14)，报警控制器(14)根据接收的信号控制报警装置(15)工作。
2.根据权利要求1所述的基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，其特征在于，所述泵浦源(1)为1550nm波段的光源。
3.根据权利要求1所述的基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置，其特征在于，所述掺铒光纤放大器(2)输出功率为33dBm。
4.根据权利要求1所述的基1.7μm波段的血液酒精测试装置，其特征在于，所述光纤环行器(4)用于输出背向增益光。
5.根据权利要求1所述的基1.7μm波段的血液酒精测试装置，其特征在于，所述光纤耦合器(7)的端口g为90％功率输出，端口h为10％功率输出。
6.根据权利要求1所述的基1.7μm波段的血液酒精测试装置，其特征在于，所述试纸(9)为透射式试纸。
7.根据权利要求1所述的基1.7μm波段的血液酒精测试装置，其特征在于，所述第二光纤环行器(16)与光纤布拉格光栅连接。
8.根据权利要求1所述的基1.7μm波段的血液酒精测试装置，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅(18)为1.7μm波段均匀性反射式布拉格光栅，其中心波长为1727nm。
9.根据权利要求1所述的基1.7μm波段的血液酒精测试装置，其特征在于，所述第二光纤布拉格光栅(19)为1.7μm波段均匀性反射式布拉格光栅，其中心波长为1659nm。
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