CN204832024U - 一种固定式透射型激光的酒驾测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固定式透射型激光的酒驾测试装置，包括依次连接的光电探测器，探测器预处理电路，自相关检测电路，差分放大电路和信号处理单元，以及激光器；所述激光器的出射光从待测车辆一侧窗直接照射进车内，之后透过驾驶室从另一侧车窗穿出并照射至所述光电探测器的光敏端面上。本实用新型解决了传统的酒驾检测装置——“呼吸式酒精检测仪”占用道路、人力资源，并且效率低，针对性差的问题；可有效的对路面过往车辆内的乙醇浓度进行检测，交警可根据检测结果有针对性的排查，提高执法效率，节省警力资源。

Description

一种固定式透射型激光的酒驾测试装置

技术领域

本实用新型属于车内乙醇气体浓度检测技术领域，更具体地，涉及一种固定式透射型激光酒驾测试装置。

背景技术

目前，道路交通事故中有相当一部分是由于驾驶员酒后驾驶造成的，而酒驾屡禁不止很大程度上是由于检测力度小。传统的酒驾检测装置——“呼吸式酒精检测仪”需要驾驶员下车接受吹气测试，不仅占用道路、人力资源，而且效率低，针对性差。

现有的激光酒驾遥测装置大多采用反射式来测量，将激光准直向待测车辆，通过测量反射光吸收谱来判断驾驶员是否酒驾。由于反射光的发散等原因使测量信号很小，因而容易被背景噪声淹没，所以需要昂贵的透镜系统和探测装置来实现对探测信号的收集和处理，其精度不足，价格高。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种固定式透射型激光酒驾测试装置，其目的在于提高检测率的同时还可以降低成本，由此解决现有的酒驾检测装置效率低、准确性差和成本高的技术问题。

本实用新型提供了一种固定式透射型激光的酒驾测试装置，包括依次连接的光电探测器，探测器预处理电路，自相关检测电路，差分放大电路和信号处理单元，以及激光器；激光器的出射光从待测车辆一侧窗直接照射进车内，之后透过驾驶室从另一侧车窗穿出并照射至所述光电探测器的光敏端面上。

更进一步地，所述激光器的出射光的波长在乙醇气体吸收峰上。

优选地，激光器的出射光的波长为980nm。

更进一步地，光电探测器需要加反向偏压，使其工作在光探测状态。光电探测器可以为PIN管，其峰值波长为900nm。

更进一步地，所述探测器预处理电路包括：第一运算放大器U1A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1和第二电容C2；所述第一运算放大器U1A的反相输入端通过所述第一电阻R1与所述光电探测器的输出端连接，所述第一运算放大器U1A的正相输入端通过所述第五电阻R5接地，所述第一运算放大器U1A的输出端通过所述第一电容C1连接至所述第一运算放大器U1A的反相输入端；所述第二电容C2与所述第五电阻R5并联连接；所述第二电阻R2的第一端连接至所述第一运算放大器U1A的反相输入端，所述第二电阻R2的第二端和第三端连接后还通过所述第三电阻R3连接至所述第一运算放大器U1A的输出端，所述第四电阻R4的一端接地，另一端连接至所述第二电阻R2的第二端和第三端的连接端。

第一运算放大器的负极输入光电探测器产生的微弱电流信号，第一运算放大器输出为放大后的电压信号，第一运算放大器的放大部分由T型结构第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4构成。T型电路结构在电路中起到了增强信号转换的线性度和增加电路带宽的作用，并且将决定放大信号的第二电阻R2用电位器代替，可以通过调节电位器来实现信号变化大小的可调。第一运算放大器的正极通过电阻接地并在电阻R5两端并上电容C2，以减小电路中的噪声。

更进一步地，自相关检测电路包括：延时器、乘法器和低通滤波器；所述延时器的输入端连接至所述探测器预处理电路的输出端；所述乘法器的第一输入端连接至所述探测器预处理电路的输出端，所述乘法器的第二输入端连接至所述延时器的输出端，所述低通滤波器的输入端连接至所述乘法器的输出端，所述低通滤波器的输出端作为所述自相关检测电路的输出端。

其中，延时器可以采用型号为74LS240的反相器，将多个反相器连接在一起可以起到延时的作用，低通滤波器作为积分器使用。

更进一步地，所述差分放大电路包括：第二运算放大器U1B、第三运算放大器U1C、第四运算放大器U1D、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；所述第二运算放大器U1B的反相输入端通过所述第六电阻R6连接至所述自相关检测电路的输出端，所述第二运算放大器U1B的正相输入端通过所述第十电阻R10接地，所述第四电容C4与所述第十电阻R10并联连接；所述第八电阻R8的第一端连接基准值Port3，第二端接地，第三端通过所述第七电阻R7连接至所述第二运算放大器U1B的正相输入端；所述第九电阻R9的一端连接至所述第二运算放大器U1B的反相输入端，所述第九电阻R9的另一端连接至所述第二运算放大器U1B的输出端；所述第九电容C9与所述第九电阻R9并联连接；所述第三运算放大器U1C的反相输入端连接至所述第二运算放大器U1B的输出端，所述第三运算放大器U1C的正相输入端接地，所述第三运算放大器U1C的输出端连接至所述第三运算放大器U1C的反相输入端；所述第四运算放大器U1D的反相输入端通过所述第十一电阻R11连接至所述第三运算放大器U1C的输出端，所述第四运算放大器U1D的正相输入端通过所述第十二电阻R12接地，所述第六电容C6与所述第十二电阻R12并联连接；所述第四运算放大器U1D的输出端通过所述第十三电阻R13连接至所述第四运算放大器U1D的反相输入端，所述第五电容C5与所述第十三电阻R13并联连接，所述第四运算放大器U1D的输出端作为所述差分放大电路的输出端。

其中，第二运算放大器U1B负极连接探测器预处理电路产生的放大电压信号，正极连接可调的电压信号。通过调节第八电阻R8，可实现在初始状态下运算放大器正负极两端电压为0，实现初始状态下的调零。当探测器预处理电路产生的放大电压与初始设定不同时，运算放大器的输出为两者的差值。第三运算放大器U1C实现电压跟随的功能，隔绝前后两次的放大之间的影响。第四运算放大器U1D实现差分电压的放大，运算放大器负极接入差分电压，正极接第十二电阻R12并且并上第六电容C6后接地。

更进一步地，酒驾测试装置还包括驱动电源，分别与光电探测器，所述探测器预处理电路，所述自相关检测电路，所述差分放大电路和所述信号处理单元连接。其中，驱动电源均采用电容去噪。

通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用固定式的结构，直接安装在公路两侧，该装置更能节约人力成本，实现更为普遍的检测；由于采取电流电压转换、自相关处理以及放大电路的处理，该装置可以使用灵敏度相对较低的光电探测器，以节约成本，同时获得更为精确的测量结果；由于使用单片机对采集得到的数据进行处理，实现自动记录、报警功能。

附图说明

图1为不同浓度乙醇的红外光谱图；

图2为本实用新型提供的激光酒驾测试装置的模块结构示意图；

图3为本实用新型提供的激光酒驾测试装置中探测器预处理电路的具体电路图；

图4为本实用新型提供的激光酒驾测试装置中自相关检测电路的具体电路图；

图5为本实用新型提供的激光酒驾测试装置中差分放大电路的具体电路图；

图6为AD转换与单片机的具体电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提出一种固定式透射型激光酒驾测试装置，包括激光器，光电探测器，探测器预处理电路，自相关检测电路，差分放大电路，信号处理单元，驱动电源。激光器出射光照通过待测车辆射至光电探测器光敏端面，光电探测器输出与探测器预处理电路输入相连，探测器预处理电路输出与自相关检测电路输入相连，自相关检测电路输出与差分放大电路输入相连，差分放大电路输出与信号处理单元输入相连，驱动电源给以上所述模块供电。

本实用新型工作原理：激光器出射光从待测车辆侧窗直接照射进车内，之后透过驾驶室从另一侧车窗穿出，照射至光电探测器光敏端面上；激光经过固定距离传输强度会有一定的损耗，若车内存在乙醇蒸汽，则乙醇分子会吸收该激光使其强度降低更大；此光信号被PIN管转换为电信号，经过探测器预处理电路，自相关检测电路，差分放大电路，信号处理单元后最终输出驾驶员是否酒驾的结论。

本实用新型的检测手段为近红外光谱分析法：红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析。若红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱，使光强线性减弱。

乙醇气体的吸收峰在本实验中至关重要，一个合适的吸收峰需要与其他的干扰物质的吸收峰不重叠。一般来说，峰位的选取有三个波段，紫外、红外和可见光波段。紫外波段由于会对人体造成危害故不作考虑，而可见光波段的吸收效果没有红外光波段吸收效果明显，故本实用新型中，采用红外光波段；且采用980nm作为乙醇气体的探测波长。

进一步地，因为本实用新型的目标在于实现车内酒精含量的远程监测，因而激光器需要一定的功率，以保证正常传播过程时有一定功率到达探测器。而在系统而言，激光器可靠性要高，能长时间稳定工作，其对电源要求也应尽量低；而且激光器本身体积要小，便于移动。而在常用的三种激光器(固体激光器、气体激光器、半导体激光器)中，半导体激光器兼具以上优点，而且其价格低廉，因此本实用新型优选980nm半导体激光器。

本实用新型给出了适合酒驾检测的激光检测装置，确定了核心光源，并给出了探测电路的具体构造。通过本实用新型可以方便的对车内酒精浓度进行测量，使交警根据测量结果进行有针对性的排查，增加对酒驾的打击力度，保障道路安全。

为了更进一步的说明本实用新型，下面结合附图详述如下：

参见图2所示，本实用新型包括激光器1，光电探测器2，探测器预处理电路3，自相关检测电路4，差分放大电路5，信号处理单元6，驱动电源。所述激光器1出射光照射至光电探测器2光敏端面，光电探测器2的输出通过信号传输线与探测器预处理电路3输入相连，探测器预处理电路3输出通过信号传输线与自相关检测电路4输入相连，自相关检测电路4输出通过信号传输线与差分放大电路5输入相连，差分放大电路5输出通过信号传输线与信号处理单元6输入相连。

本发明实施例中，激光器1可以为核心波长为980nm的半导体激光器，该激光器为连续工作激光器。正常车辆通过时，激光透过驾驶室直接照射到探测器光敏端面，没有乙醇吸收，此时探测器输出为一基准值；在酒驾车辆通过时，驾驶室中乙醇分子对激光的吸收导致额外的光强衰减，此信号即包含驾驶室内的乙醇浓度信息。本实施例中光电探测器2收集激光光强信息，经过自相关检测电路降噪，差分放大电路放大后由信号处理单元处理并最终给出被测乙醇气体浓度信息。

本发明实施例中光电探测器2可以为德国FirstSensor公司的高精度PIN管pc10-6，其峰值相应波长在900nm左右，在980nm处有0.55A/W的转换效率，而且其在可见光波段的灵敏度较低，较好的符合本装置的需求。

本发明实例中，探测器预处理电路3用于将探测器检测的微弱电流信号转换为强度适合的、便于处理的电压信号，其具体电路图如图3所示。自相关检测电路4用于电路的滤波，排除电路中杂波的影响，其具体电路如图4所示。差分放大电路5用于得到所探测的信号与阈值做差，并将所得值放大，便于处理单元处理，而所得差值若在合适的范围内，则判断是否有酒驾，其具体电路如图5所示。

本实施例中，探测器预处理电路3用于将光电探测器采集的电流信号转换为电压信号；光电探测器探测的光电流一般较弱，而且电流信号不便于处理，因此需要对该光电流进行放大并转化为电压信号，以便于后续测量的实现。其结构如图3，包括运算放大器LM324(U1A)，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2组成，运算放大器负极输入光电探测器产生的微弱电流信号，运算放大器输出为放大后的电压信号，其中光电探测器需要加反向偏压，使其工作在光探测状态。运算放大器的放大部分由T型结构R2、R3、R4构成。T型电路结构在电路中起到了增强信号转换的线性度和增加电路带宽的作用，并且将决定放大信号的电阻R2用电位器代替，可以通过调节电位器来实现信号变化大小的可调。运算放大器的正极通过电阻接地并在电阻R5两端并上电容C2，以减小电路中的噪声。

本实施例自相关检测电路4用于将电压信号进行滤波处理；包括延时器、乘法器和低通滤波器，系统在实际测试中由于外界环境干扰等等因素的存在导致探测噪声较大，通过自相关电路可以减小噪声，使结果更为准确。

作为本实用新型的一个实施例，延时器可以采用型号为74LS240的反相器来实现；乘法器可以采用型号为AD835乘法器；可以将多个反相器连接在一起可以起到延时的作用，低通滤波器作为积分器使用。

本实施例所述差分放大电路5主要为差分器、跟随器与放大器，系统在实际测试中光电流的变化往往比较微弱，为了检测出这一微弱的变化信号，我们将正常车辆通过时光电流作为基准，对结果进行差模仿大，以达到足够的灵敏度；其结构如图5所示，差分放大电路5包括LM324(U1B、U1C、U1D)，电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13，电容C3、C4、C5、C6。运算放大器U1B负极连接探测器预处理电路产生的放大电压信号，正极连接可调的电压信号。通过调节R8，可实现在初始状态下运算放大器正负极两端电压为0，实现初始状态下的调零。当探测器预处理电路产生的放大电压与初始设定不同时，运算放大器的输出为两者的差值。运算放大器U1C实现电压跟随的功能，隔绝前后两次的放大之间的影响。运算放大器U1D实现差分电压的放大，运算放大器负极接入差分电压，正极接电阻R12并且并上电容C6后接地。

本实例中的阈值可以通过如下方式确定：如果正常车辆通过时，可以得到此时PORT2的电压值，此电压值为基准值，通过调节差分放大电路5的电阻R8，使此时PORT4输出的值为0，此时调零工作完成，而通过实验室测量可以得出充有酒精的气室内酒精的浓度与电压的关系，此关系还与激光器与探测器的距离有关。通过推算出酒驾时气室的浓度，可以找出酒驾条件下PORT4的电压强度，此电压强度即为阈值。例如，当激光器与探测器的距离为1.5米时，所测的基准值为7.405V，阈值为0.4V。

本实施例所述信号处理单元6主要为AD转换模块和单片机，这一模块视线里从模拟测量结果到数字的转换，便于更好的进行信号处理；其结构如图6所示，包括8位AD转换模块PCF8591和单片机STC90C51RD+。

我们选择的单片机是以STC90C51RD+。这款单片机具有超强抗干扰、高速。这款单片机具有超强抗干扰、高速低功耗等特性，指令代码完全兼容8051单片机，其工作电压可选择5V或3.3V，有35/39通用I/0口，片上集成256字节RAM，共有3个16位定时器/计数器。

显然，本实用新型的上述实施例仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种固定式透射型激光的酒驾测试装置，其特征在于，包括依次连接的光电探测器(2)，探测器预处理电路(3)，自相关检测电路(4)，差分放大电路(5)和信号处理单元(6)，以及激光器(1)；

所述激光器(1)的出射光从待测车辆一侧窗直接照射进车内，之后透过驾驶室从另一侧车窗穿出并照射至所述光电探测器(2)的光敏端面上。

2.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述激光器(1)的出射光的波长在乙醇气体吸收峰上。

3.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述激光器(1)的出射光的波长为980nm。

4.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述光电探测器(2)为PIN管，其峰值波长为900nm。

5.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述探测器预处理电路(3)包括：第一运算放大器U1A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1和第二电容C2；

所述第一运算放大器U1A的反相输入端通过所述第一电阻R1与所述光电探测器(2)的输出端连接，所述第一运算放大器U1A的正相输入端通过所述第五电阻R5接地，所述第一运算放大器U1A的输出端通过所述第一电容C1连接至所述第一运算放大器U1A的反相输入端；

所述第二电容C2与所述第五电阻R5并联连接；

所述第二电阻R2的第一端连接至所述第一运算放大器U1A的反相输入端，所述第二电阻R2的第二端和第三端连接后还通过所述第三电阻R3连接至所述第一运算放大器U1A的输出端，

所述第四电阻R4的一端接地，另一端连接至所述第二电阻R2的第二端和第三端的连接端。

6.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述自相关检测电路(4)包括：延时器、乘法器和低通滤波器；

所述延时器的输入端连接至所述探测器预处理电路(3)的输出端；

所述乘法器的第一输入端连接至所述探测器预处理电路(3)的输出端，所述乘法器的第二输入端连接至所述延时器的输出端，所述低通滤波器的输入端连接至所述乘法器的输出端，所述低通滤波器的输出端作为所述自相关检测电路(4)的输出端。

7.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述差分放大电路(5)包括：第二运算放大器U1B、第三运算放大器U1C、第四运算放大器U1D、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；

所述第二运算放大器U1B的反相输入端通过所述第六电阻R6连接至所述自相关检测电路(4)的输出端，所述第二运算放大器U1B的正相输入端通过所述第十电阻R10接地，所述第四电容C4与所述第十电阻R10并联连接；

所述第八电阻R8的第一端连接基准值Port3，第二端接地，第三端通过所述第七电阻R7连接至所述第二运算放大器U1B的正相输入端；

所述第九电阻R9的一端连接至所述第二运算放大器U1B的反相输入端，所述第九电阻R9的另一端连接至所述第二运算放大器U1B的输出端；

所述第九电容C9与所述第九电阻R9并联连接；

所述第三运算放大器U1C的反相输入端连接至所述第二运算放大器U1B的输出端，所述第三运算放大器U1C的正相输入端接地，所述第三运算放大器U1C的输出端连接至所述第三运算放大器U1C的反相输入端；

所述第四运算放大器U1D的反相输入端通过所述第十一电阻R11连接至所述第三运算放大器U1C的输出端，所述第四运算放大器U1D的正相输入端通过所述第十二电阻R12接地，所述第六电容C6与所述第十二电阻R12并联连接；所述第四运算放大器U1D的输出端通过所述第十三电阻R13连接至所述第四运算放大器U1D的反相输入端，所述第五电容C5与所述第十三电阻R13并联连接，所述第四运算放大器U1D的输出端作为所述差分放大电路(5)的输出端。

8.如权利要求1所述的酒驾测试装置，其特征在于，所述酒驾测试装置还包括驱动电源，分别与光电探测器(2)，所述探测器预处理电路(3)，所述自相关检测电路(4)，所述差分放大电路(5)和所述信号处理单元(6)连接。