CN201803948U - 一种乙醇气体浓度激光遥测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型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；所述激光器控制和发射系统包括调制信号发生器，其与激光控制器、二极管激光器和激光发射装置依次相连接；所述信号接收、分析及显示系统包括锁相放大器、数据采集与分析装置、系统显示与报警装置和激光接收装置，所述锁相放大器分别与所述调制信号发生器、激光发射装置、数据采集与分析装置和激光接收装置相连接；所述数据采集与分析装置的输出端与所述系统显示与报警装置的输入端相连接。本实用新型可远程对车辆内空气的酒精成分进行预检测，从而提高酒驾检查的针对性和准确性，提高执法工作效率，减少警力运用。

Description

一种乙醇气体浓度激光遥测装置 

技术领域

本实用新型涉及一种乙醇气体检测装置，具体涉及一种乙醇气体浓度激光遥测装置。 

背景技术

酒后驾驶机动车是一种不顾自身及他人的人身安全的具有社会危害性的行为。因酒后驾驶导致的惨剧每天都在发生，公安交通管理部门对这与酒后驾驶行为也是投入了大量的警力在重点时间段和地段进行排查，但由于无法判断机动车驾驶人是否是酒后驾驶，只能进行撒网式的排查，这样不仅效率较低，还影响了正常的交通秩序。 

传统的酒精浓度检测仪器——“呼气式酒精检测仪”采用电化学原理，可以准确探测气体酒精含量。具原理是，当具有N型导电性的氧化物暴露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量而使其电阻增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气反应，从而使氧化物内的电子数增加，导致氧化物电阻减小。半导体氧化物传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度。但是这样的检测方法需要设备能够直接接触被测气体，显然不适用于远程检测。 

实用新型内容

针对上述现有技术不能远距离探测气体酒精含量的问题，本实用新型的目的在于提供一种乙醇气体浓度激光遥测装置，利用光谱原理可远程对车辆内空气的酒精成分进行预检测。 

本实用新型所采取的技术方案：一种乙醇气体浓度激光遥测装置，该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；所述激光器控制和发射系统包括调制信号发生器，所述调制信号发生器与激光控制器、二极管激光器和激光发射装置依次相连接；所述信号接收、分析及显示系统包括锁相放大器、数据采集 与分析装置、系统显示与报警装置和激光接收装置，所述锁相放大器分别与所述调制信号发生器、激光发射装置、数据采集与分析装置和激光接收装置相连接；所述数据采集与分析装置的输出端与所述系统显示与报警装置的输入端相连接。 

当本实用新型工作时首先通过激光控制和发射系统控制激光器功率，输出稳定的特定波长的激光，通过光纤传输到手持激光发射装置发射出激光，射到待测的含有乙醇的空气上，乙醇气体会对此波长的激光产生一个吸收光谱，被吸收的激光通过漫反射被激光接收装置接收，通过数据采集分析装置进行一系列的信号采集、分析处理，在液晶屏上显示并报警。 

作为以激光吸收光谱为基础的气体光学探测的激光光源应当具有单模、线宽要远小于分子谱线线宽、激光频率能够扫描通过酒精分子的一条强吸收谱线等特点，才能够获得高灵敏度探测，对于远距离遥测还必须要求有足够大的激光功率。 

为了实现二极管激光器的窄线宽输出，本实用新型采用低功耗二极管激光器、二极管电流控制器和激光温度PID控制器和信号发生器。信号发生器可以同时产生正弦波和锯齿波，经加法器叠加后注入到二极管激光器并利用二极管激光电流控制器进行激光调制和扫描，调制信号分两部分：一部分是锯齿波信号，另一部分是正弦波信号。锯齿波信号叠加在激光器电流的直流上，用来对激光器的波长进行扫描，扫描范围由锯齿波的幅度决定，是相对较慢的调制变化，频率约几十赫兹。正弦波信号叠加在锯齿波上，用来调制激光频率，并作为参考信号对吸收信号进行一次、二次谐波信号进行解调，调制幅度和锯齿波幅度的比值与最佳调制系数有关，这是相对较快的调制变化。 

二极管激光器的输出是通过光纤耦合输出，再通过法兰盘从光纤连接到手持式探测器里的系统光发射端。因为散射物的后向散射光通常很弱，且二极管激光器的发散角较大，如果直接将激光发出则再远处地光斑太大，反射回来的光能量就会太弱而难以测量到泄漏信号。这里使用一个介质折射率透镜(及激光准直器)作为激光的发射端，这个介质折射率透镜是一圆柱型玻璃透镜，长约4.8mm，表面镀有抗反射模，并有一个切角，很好地避免了标准具效应，这种透镜通常称作GRIN透镜，使用该透镜可以有效的减小激光的光斑大小。 

手持探测头前端装有口径为100mm、焦距为18cm的透镜用于收集散射信号，透镜散射体反射回来的激光收集汇聚到焦点处的光电探测器上。探测器将光信号转 换成电信号送入电路系统，由锁相放大器分别进行一次和二次谐波信号解调，解调信号再由数据采集系统进行数据采集并进行实时数据处理和分析，其结果实时地显示在液晶显示器上。 

本实用新型的有益效果：“远程乙醇气体浓度检测装置”则是使用手持设备利用光谱原理远程对车辆内空气的酒精成分进行预检测，交警可根据预检测出的结果对嫌疑车辆驾驶员使用酒精检测仪进行进一步的确认检查。检查出的结果可以直接输入系统并可根据需要现场开出处罚单据。这样可以大大提高酒驾检查的针对性准确性，提高执法工作效率，减少警力运用，并在一定程度上缓解警民关系。 

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。 

图1为本实用新型的总体结构示意框图； 

图2为本实用新型的激光控制和发射系统示意框图； 

图3为本实用新型的信号接收、分析及显示系统示意框图； 

图4为本实用新型的激光发射和接收装置组合在一起构成的手持式探测器示意图； 

图5为介质折射率透镜和光纤准直器组合示意图。 

具体实施方式

如图1、2、3，本实用新型由激光器控制和发射系统1与信号接收、分析及显示系统2两部分组成；激光器控制和发射系统1包括调制信号发生器11、激光控制器12、二极管激光器13和激光发射装置14。所述调制信号发生器11由信号发生器111和加法叠加器112构成；信号发生器111向加法叠加器112发射正弦波和锯齿波。激光控制器12由二极管激光电流控制器121和激光温度PID控制器122构成，两者的输出端均与二极管激光器13的输入端连接，所述二极管激光器13的输出端与激光发射装置14的输入端连接，二极管激光器13的输出端与加法叠加器112的输入端连接。正弦波和锯齿波经加法叠加器112叠加后注入到二极管激光器13并利用二极管激光电流控制器进行激光调制和扫描，调制信号分为两部分：一部分是锯齿波信号，另一部分是正弦波信号；锯齿波信号叠加在激光器电流的直流上，用来对激光器的波长进行扫描；正弦波信号叠加在锯齿波上，用来调制激光频率，并作为参考信号对吸收信号进行一次、二次谐波信号进行解调。所述二极管激光器13的输出是通过光纤耦合输出，再从光纤连接到手持式探测器的激光发射端。所述激光发射端采用介质折射率透镜及激光准直器，所述介质折射率透镜是一圆柱型玻璃透镜，长4.8mm，表面镀有抗反射模，并有一个切角。

信号接收、分析及显示系统2包括锁相放大器22、数据采集与分析装置23、系统显示与报警装置24和激光接收装置21，所述锁相放大器22分别与所述调制信号发生器11、激光发射装置14、数据采集与分析装置23和激光接收装置21相连接；所述数据采集与分析装置23的输出端与所述系统显示与报警装置24的输入端相连接。数据采集与分析装置23由模拟/数字转换器231和数字信号处理器232构成(模拟/数字转换器231简称ADC，数字信号处理器简称DSP)。所述激光接收装置21由光电探测器211和前置放大器212构成，所述光电探测器211接收激光反射信号并把信号传输给所述前置放大器212；所述数据采集与分析装置23包括数/模转换器231和数字信号处理器232；所述锁相放大器22将放大信号传给所述数/模转换器231，并经所述数字信号处理器232进行信号处理通过显示模块241显示或报警装置242报警。 

本实用新型的二极管激光器13由二极管电流控制器和激光温度PID控制器进行控制，信号发生器111产生一个锯齿波和正弦波的叠加信号来对二极管激光器13注入电流进行激光频率扫描和调制，实现激光在分子吸收峰附近的频率调谐，信号发生器111产生的正弦波同时作为解调参考信号输入到锁相放大器22。锯齿波上升沿用于扫描激光频率，下降沿时间很短，用于DSP进行数据采集、分析和处理。首先设置DSP运行时钟的频率并初始化外部端口，然后设置中断程序的中断周期并启动中断程序。中断程序中首先启动外部ADC，获得转换的数据，并对数据进行滤波，然后将结果保存进数组中，同时设置采集标志位。主程序中的主循环程序发现采集标志置位后便开始数据处理进程。数据处理结束后，先判断用于修改阈值等参数的按钮是否被按下，如果按下则处理按键程序并修改系统参数。按键程序结束后，启动液晶和蜂鸣器控制程序，让数据结果和系统参数(阈值)显示在液晶上，同时根据逻辑判断来控制蜂鸣器是否发声。 

图4所示本实用新型激光发射和接收装置组合在一起构成的手持式探测器示意图。手持式探测器包括外壳3，在外壳3的前端设介质直射率透镜4，介质直射率透 镜4中间有一圆孔放置光纤准直器5，参见图5。探测器后端即透镜的焦点处放置光电探测器211，光电信号探测器通过光纤7与二极管激光器相连，指示灯6位于探测器下端。二极管激光器13的输出是通过光纤7耦合输出，再通过光纤连接到手持式探测器中的光发射端。因为散射物的后向散射光通常很弱，且二极管激光器的发散角较大，如果直接将激光发出则再远处地光斑太大，反射回来的光能量就会太弱而难以测量到信号。这里使用一个介质折射率透镜4及光纤准直器5作为激光的发射端，这个介质折射率透镜是一玻璃透镜厚约4.8mm，表面镀有抗反射模，这种透镜通常称作GRIN透镜，使用该透镜可以有效的减小激光的光斑大小。 

手持探测头前端所装的介质折射率透镜4口径为100mm、焦距为18cm，用于收集散射信号，介质直射率透镜将散射体反射回来的激光收集汇聚到焦点处的光电探测器上。探测器将光信号转换成电信号送入电路系统，由锁相放大器分别进行一次和二次谐波信号解调，解调信号再由数据采集系统进行数据采集并进行实时数据处理和分析，其结果实时地显示在液晶显示器上。 

当仪器工作时首先通过激光控制和发射系统控制激光器功率，输出稳定的特定波长的激光，通过光纤传输到手持激光发射/接收装置发射出激光，射到待测的含有乙醇的空气上，乙醇气体会对此波长的激光产生一个吸收光谱，被吸收的激光通过漫反射被激光接收装置接收，通过数据采集和分析子系统进行一系列的信号采集、分析处理，在液晶屏上显示并报警。 

Claims (6)

1.一种乙醇气体浓度激光遥测装置，其特征在于：该装置由激光器控制和发射系统(1)与信号接收、分析及显示系统(2)组成；所述激光器控制和发射系统(1)包括调制信号发生器(11)，其与激光控制器(12)、二极管激光器(13)和激光发射装置(14)依次相连接；所述信号接收、分析及显示系统(2)包括锁相放大器(22)、数据采集与分析装置(23)、系统显示与报警装置(24)和激光接收装置(21)，所述锁相放大器(22)分别与所述调制信号发生器(11)、激光发射装置(14)、数据采集与分析装置(23)和激光接收装置(21)相连接；所述数据采集与分析装置(23)的输出端与所述系统显示与报警装置(24)的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的乙醇气体浓度激光遥测装置，其特征在于：所述调制信号发生器(11)由信号发生器(111)和加法叠加器(112)构成；所述信号发生器(111)向加法叠加器(112)发射正弦波和锯齿波；所述激光控制器(12)由二极管激光电流控制器(121)和激光温度PID控制器(122)构成，两者的输出端均与所述二极管激光器(13)的输入端连接，所述二极管激光器(13)的输出端与所述激光发射装置(14)的输入端连接，所述加法叠加器(112)的输出端与所述二极管激光电流控制器(121)的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的乙醇气体浓度激光遥测装置，其特征在于：所述正弦波和锯齿波经加法叠加器(112)叠加后注入到二极管激光器(12)并利用二极管激光电流控制器(121)进行激光调制和扫描，调制信号分为两部分：一部分是锯齿波信号，另一部分是正弦波信号；锯齿波信号叠加在二极管激光器电流的直流上，用来对激光器的波长进行扫描；正弦波信号叠加在锯齿波上，用来调制激光频率，并作为参考信号对吸收信号进行一次、二次谐波信号进行解调。

4.根据权利要求1或2所述的乙醇气体浓度激光遥测装置，其特征在于：所述二极管激光器(13)的输出是通过光纤耦合输出，从光纤连接到手持式探测器的激光装置的发射端。

5.根据权利要求4所述的乙醇气体浓度激光遥测装置，其特征在于：所述激光装置的发射端采用介质折射率透镜及光纤准直器，所述介质折射率透镜厚4.5-5.5mm，表面镀有抗反射模。

6.根据权利要求1所述的乙醇气体浓度激光遥测装置，其特征在于：所述激光 接收装置(21)由光电探测器(211)和前置放大器(212)构成，所述光电探测器(211)接收激光反射信号并把信号传输给所述前置放大器(212)；所述数据采集与分析装置(23)包括数/模转换器(231)和数字信号处理器(232)；所述锁相放大器(22)将放大信号传给所述数/模转换器(231)，并经所述数字信号处理器(232)进行信号处理通过显示模块(241)显示或报警装置(242)报警。 

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