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1、分类号： 密级：卫坌 ： 编号： 车内酒精气体激光检测方法及系统研究 学位授于单位及代码：量鲞壁工盍堂 ！竖学科争业名称驶代码：熊型蕉丕皇且麴丝莲矍！ 研究方向：超生建捌翌垒生垂熊 申请学位级别：耻指导教师：堂匦墓塾蝗 研 究 生：韭立论文起时叫：垫！：！二垫！ 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，车内酒精气体激光检测方法及系统研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法
2、律结粜由本人承担。 作者签名 翌竺，必酉 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数掘库和系列数据库及其它国家有关部门或机构送变学位论文的复印件和电子版，允许仑文被奁阅和借阕。本人授权长春理：大学以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 张章 坦堡：兰笪 导师箍名 ；立殛蕊 ：塑垒年三月旦 摘 要 针对打击酒后驾车行为的要求，设计了一种基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的车内酒
3、精浓度检测系统系统采用波长调制技术，能够非接触、快速检测车内酒精气体的浓度。 分析了可调谐二极管激光吸收光谱的基本原理指出二次谐波信号与气体浓度成比，次谐波信号与一次谐波信号的比值能够克服激光波动的影响。根据应用的实际要求设训了系统的结构，选择酒精气体位于 处吸收峰作为激光扫描区域。为提高信噪比，设计抛物线集光器增加系统对漫反射光线的接收效率。设计了以双相锁梢放大器电路为中心的信号处理部分，对关键电路进行了仿真研究，选择单片机作为锁相放大电路的运算啦元。控制单元采用单片机，与运算单元构成主从式结构。按照捡测要求对单片机硬件接口和软件程序进行了设计。 在实验室条件下，对系统进行了验证：抛物线集光
4、器可以有效提高系统的接收效率，信号处理电路能够从微弱信号中提取出二次谐波和次谐波信号，系统对浓度大于酒精气体检测效果良好。关键词：酒精 激光 波长调制 ！ （） 】 西髑 一曲 ： “： 目 录摘 要目 录第一章绪论 研究的目的和意义 酒后驾车的危害 研究酒驾检测方法的意义 洒驾检测常用技术 血液化验法 呼气检测法 酒精试纸法 红外检测法 常用方法比较 酒驾激光检测技术国内外发展 主要研究内容 第二章检测原理与系统总体设计 吸收光谱学理论 吸收光谱的成因 谱线强度 吸收谱线 波扫描直接吸收光谱基本原理 波睦调制光谱基本原理 系统总体设计 方案选择 系统结构概述 本章小结 第三章光学部分设计 激
5、光器及其驱动和温度控制电路 激光器的选择 激光器驱动和温度控制电路 接收郭分光学器件 本章小结 一 第四章信号处理电路设计 光电转换部分 微弱信号检测部分 带通滤波器 乘法器 移十电路 低通电路 运算单元 本章小结 第五章系统控制单元设计 系统的硬件设计 单片机简介 单片机外围电路设计 按键电路 液晶显示电路 主从单片机通信接口 串行通信接口 系统软件设计 软件主程序流程 标定子程序 数据处理子程序 串口通信程序 主从通信程序 本章小结 第六章实验结果及分析谐波仿真与实验结果对比 酒精敢度测量 抛物线集光器性能分析 本章小结 第七章总结与展望 总结 展望致 谢 参考文献 第一章绪论 研究的目的
6、和意义 酒后驾车的危害 目前，我国汽车数量正在随着经济的发展而迅速增长，越来越便捷的交通促进了生产，提高了人们的生话品质，但同时由交通事故造成的生命财产损失也在不断增加。交通事故是由多方面因素造成的在人为因素中，酒后驾车占有较大比例。我国每年由于酒后驾车引起的交通事故多达数万起，据统计，年第一季度北京市酒后驾车致死率达。酒后驾车问题在世界范围内引起了广泛关注。世界卫生组织（）于年对各个国家洒后驾车现象进行了调查研究统计结果如图 所示。从图中可以看出，在西方主要国家中，超过的致死性交通事故是由酒后驾车造成的。酒后驾车极易引发严重交通事故，同时部分人缺乏自觉性，饮酒后驾驶车辆上路。据欧洲道路交通安
7、全委员会的专家评估，在欧洲约有的司机是在酒后状态下驾车。在俄罗斯，每起交通事故中就有一起是由酒后驾车造成，在美国的严重交通事故中至少有一名司机为醉洒状态，而在中国，自从年起酒后驾车造成的死亡人数一直位于世界首位。因此必须严厉打击酒后驾车现象，通过严格的法规和有效的措施来创造 安全的交通出行环境。 ￥要与，龌导藉曩限龋匝雄性抖莉怛呼 幽酒后弼年住各国致死性事故中所一比例 酒是餐桌的常见饮料，对人体具有一定毒性，人体吸收酒精的速度很快。饮酒后，人体肠胃直接吸收酒精酒精在分钟内就能进入血液， 小时就可通过血液循?废低成傅交甯鞲霾课弧凭匀颂甯鞲銎鞴倬杏跋欤阅圆康淖饔糜任飨浴诰凭淖饔茫疲吮涞寐楸浴枷牖炻
8、摇形！窕秀保谷说纳砘芊罚瘫浠凭胙汉笕司突岢鱿侄模簦梢欢鞠衷担菅芯浚焯迥冢保埃埃保褐泻凭课常啊担埃恚缡保嘶岣械骄裼淇欤泳醯雀芯蹩急渎薹既吠瓿勺既返募记尚栽硕担啊欤希希恚缡保嘶崃澈欤镅赞泳惺啾涞茫埽灰卓刂魄樾鳎保埃耙唬保担埃恚缡保说挠镅阅芰髂芰约芭卸夏芰嵫现叵陆担保担啊玻埃埃恚缡保嘶岣械蕉裥模煌拢硪饷飨裕玻埃啊常埃埃恚缡保说囊馐痘炻摇鱿致樽硐窒螅常埃啊矗埃埃恚缡保嘶峤牖杳宰刺橛猩硖逦露冉档汀蝼认窒螅矗埃埃恚缫陨鲜保讼萑肷疃然杳灾小馐丁惺嗌窬宦楸裕兴劳鑫铡啊雹蟆?酒精对生理的影响仅仅威胁个人的健康，但是在许多多的情况中，人们要控制巨大的能量用于交通、生产，酒精麻痹作用的危险会被这些机器成倍放大。以交
9、通安全为例在酒精的作用下，人的感觉、知觉灵敏度下降，判断力和控制力减弱，无法对快速变化的环境做出反应失去有效控制的快速运动车辆给驾驶员自身和其它交通参与者带来巨大风险。酒后驾车的危害主要表现在： 视觉下降：对于颜色和图形的分辨能力降低，不易分辨出信号灯和各种交通标志；视觉的立体感出现误差，反应时州延长至倍。 控制力下降；大脑对身体的控制能力下降，难以对方向盘、油门、刹车实施及时有效操作，手脚动作不协调。 酒精影响人的注意、判断。由于酒精的作用，人会感知模糊，注意力不集中，无法进行正常判断。交通环境变化迅速，饮酒后注意力减弱，驾驶员容易忽视其他交通参与者和各种信号无法做出正确判断而发生危险。 驾
10、驶员对交通情况做出有效反应、保证行车安全包括个环节“，首先要看清楚变通状况包括车辆、行人、道路、交通信号，而后驾驶员对各种情况做出迅速判断，最后协调手脚完成驾驶动作。酒精会麻痹人的神经系统使人变得视觉模糊，思维迟钝，动作缓慢而不协调，严重威胁交通安全。我国规定，酒驾的标准为血液中酒精含量大于，醉驾标准为每血液中含有酒精。在人的每百毫升血液中酒精台量达到时人的注意力就会明显降，无法协调手脚运动酒精含量大于时。就会激动或者瞌睡，在这样的情况下发生交通事故的概率大大增加。综合分析酒后驾车发生事故的概率是正常行车的倍。 研究酒驾检测方法的意义 为了保护人民群众的生命财产安全，必须加大对酒后驾车行为的治
11、理力度，对酒驾处以重罚，提高酒驾的成本。在美国。酒后驾车行为会被记录在个人档案中，并町被判个徒刑。在南非，第一次酒驾会被处以万美元蹄款，第一次酒驾则会被判年徒刑。严厉的惩罚措施减少了酒驾现象但是有部分司机存在侥幸心理，在饮酒后驾驶机动车辆。提高法规对酒后驾牟行为的治理效果需要多方面的努力，其中的一个关键问题就是对驾驶嶷是古饮酒进行有效检测，作为判断的依据。经常性的酒驾检查与严厉的惩罚措施帽配台，能够打击酒驾者的侥幸心理，有效制酒驾现象。因此，研究洒驾检测技术，提高检测的精度和速度，对保障交通安全，促进社会和谐具有重要意义。 酒驾检测常用技术 国内和国际上均以人体内血液中酒精的浓度作为判断酒后驾
12、车醉酒驾车的标准，因此检测酒精的目的是直接或者间接得到血液中酒精浓度值，将此值与酒驾和醉驾标准相比较，作为交通执法的重要依掘。目前酒精的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。下面对各种方法逐一加以介绍： 血液化验法 血液化验法利用气相色谱技术直接测量血液中酒精的浓度，精度高，已经成为各地交警及执法部门检测酒驾的标准和权威方法“。按照规定，如果驾驶员对气检结果有异议，就需要进行血液化验检测。气相色谱的原理是利用物质之问在相同气压的沸点、极性以及对同一物质的吸附性的差异，实现复杂混合物的分离和每一组分浓度的测量。样品在待测池中被汽化，之后运动的惰性气体
13、（载气也称为流动相）进入待测池，汽化的样品在惰性气体的带动下也丌始运动并进入色谱柱。色谱柱是检测的中心设备其内含有一定物质作为固相，与惰性气体相对应，每种物质都倾向于在固帽吸收和液相吸收之问达到动态的平衡。但是由于流动相是运动的，这种平衡很难建立样品在气相和液相之间不断转换，这带柬的结果是在气相中浓度大的组分先于浓度小的组分流出色谱柱。样品的不同组分流出色谱柱后会被送入检测装罱。检测装置的作用是将某一组分气体的浓度信息转换为电信息。样品组分进入检测装置后，检测装置的输出与气体浓度成讵比根据检测装置的输出信号便可得出相应气体的浓度值。血液检测法流程图如下所示： 血液样品 载气流量调节阀塾芝 信
14、息 载 流 色 检 处 气 鼍 谱 测 理 钢 计 柱 器 盟 瓶 凹 血液检测法流群图 呼气检测法 呼气检测法是通过测量人呼出的气体中酒精含量间接获得血液中酒精浓度的酒驾检测方法。此方法的依据是血液在肺泡处与空气完成气体交换，血液中的酒精会进入肺泡而被呼出体外，呼出气体中所含的酒精量与血液中的酒精量存在比例关系。呼气检测法的敏感器件是酒精气体传感器。气体传感器也被称为气体敏感元件，能够将空气中某种特定气体的浓度转换为电信号。根据传感器的不同呼气检测法可分为半导体酒精检测技术和燃料电池酒精检测技术。半导体型传感器由跃迁型金属氧化物半导体构成，在摄氏度条件下，若对传感器施加一定电压便会产生一定的
15、电流。半导体表面的导电性能决定电流的强度。半导体表面吸附物质的浓度影响其表面的导电性能当酒精气体与半导体接触，会被吸附于半导体表面改变半导体表面的导电能力，从而改变流过半导体表面的电流的大小，电流的改变量与呼气样品中酒精浓度存在比例关系山此可得出待测浓度。半导体式传感器的缺点是其它吸附于半导体表面的物质也会引起电流的变化，造成测量的误差。同时，此类传感器的使用寿命较短，一般为年。传感器的灵敏度会随着大气中的氧分压的变化而变化，这种变化在高海拔地区尤为明显。燃料电池型酒精传感器利用电化学原理，使其电极周围的酒精气体在催化剂的作用下发生氧化还原反应在电极上产生微弱的电压输出。根据电压输出便可得到酒精气体的浓度。相对于半导体型酒精传感器，其优点是对待测气体有高度的选择性，不会受其它气体的干扰，使用寿命长，环境适应性好。不足之处是燃料电池型酒精传感器结构精密成本较高。高昂的价格对其广泛使用造成了不利的影响。 酒精试纸法 酒精试纸检测法利用某些化合物与酒精的化学反应实现对酒精浓度的检测，其原理是酒精氧化酶加速酒精的氧化过程，促进酒精分解为乙醛和过氧化氢，酒精试纸上附着有还原性的色素，酒精分解.
