酒精探测器文献综述

文献综述

题目酒精测试仪的设计与制作学生姓名

专业班级电子科学与技术05-1 学号

院（系）技术物理系

指导教师(职称)

完成时间 2009 年 6月 10日

酒精测试仪的设计与制作

1 引言

近年来，人民生活的提高，随着交通事业的发展，私家车的占有率直线上升，各式各样的汽车已进人千家万户，成为人们的运输工具和代步工具。而因为中华民族所特有的酒文化的影响，人们逢年过节，亲朋聚会必然要饮酒。违反交通规则，酒后驾车已不是什么新鲜事，据交通部门不完全统计，每年因酒后驾车而造成的人身伤亡事故数以万计，由此给社会带来的经济损失更是难以计算，不知多少家庭深受其害。为方便快捷地判定交通事故的性质和原因，交通执法部门迫切需要一种携带方便、监测快捷的小型酒后驾车监测设备。

2 几种常用酒精传感器

2.1 HS一3A型传感器HS一3A

该敏感元件由纳米级Sn0:及适当掺杂混合剂烧结而成，具微珠式结构，应用电路简单，可将电阻变化改变为一个输出信号，与酒精浓度相对应。HS一3A型传感器对空气中的低浓度酒精有极高的灵敏度。采用微处理程序及专门软件来处理传感器的控制信号。应用:呼出酒精测试仪。特点:无需加热、功耗极低、检测范围广、灵敏度高、反应快、寿命长、价格低、应用电路简单、体积小。

2.2 HS一3C型传感器

应用:用于机动车驾驶人员及其他风险作业人员的酗酒检测和其他场所乙醇蒸汽的探测。特色:快速响应恢复、受温湿度的影响小、功耗低、微型化设计。

2.3紫外传感器UV350D

特性:350nm波长紫外线测量，工作温度:一25℃一+75℃，储存温度:一25℃一+100℃，功耗:100mw，专业、高品质UV传感器元素，带补正滤光镜。规格:2一1一般规格。波长范围:300一400入。视角:120度。响应时间:巧}Ls，静态电流:100nA，工作电流:0.05mA，工作电压:0.2一100V，线性:土1%探头专用光二极管、彩色补正滤光器。探头尺寸:5.0mmx5.1mmx9.4mm,电气规格(23士5)℃。量程、解析度、精度分别为100mW/cm2,0.18mA/mm2、土I%UVI。测试环境:电磁场强度小于3V/M,频率小于30MHz,(推荐焊接温度<距传感器5毫米>260℃，焊接小于5s)

2.4燃料电池型呼气酒精测试仪和半导体型呼气酒精测试仪

可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，分别是:1.燃料电池型(电化学);2.半导体型;3.红外线型;4.气体色谱分析型;5.比色型。由于价格和使用是否方便等因素所决定，目前普遍使用的只有燃料电池型(电化学型)和半导体型二种。这二种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用。半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染。作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满了特种催化剂，它能使进人燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在二个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上。此电压与进人燃烧室内气体的酒精浓度成正比，这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理。与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好、精度高、抗干扰性好的明显优点。但遗憾的是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前世界上只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产。因其材料成本高(相当于半导体酒精传感器的几十倍)，所以价格相当昂贵，导致燃料电池型酒精测试仪的价格是半导体型酒精测试仪好几倍的事实。

2.5金属氛化物传感器

目前呼出气体中酒精含量检测一般采用酒精传感器，国外使用燃料电池型较多，精度高但价格昂贵，国内普遍采用半导体型酒精传感器。根据我国公安部标准GA307"-2001“呼出气体酒精含量探测器”的要求，酒精探测器对2.00mg/L正己烷的输出值必须小于0.04mg/L酒精输出值，目前国内市场上半导体型传感器一般无法达到这一要求。下面介绍了一种新型的金属氧化物半导体型酒精传感器，该传感器对正己烷、汽油等干扰性气氛不敏感，对低浓度酒精的灵敏度高。

传感器的制备是以纯度为99.99%的金属锡为原料，与氯气反应后制成四氯化锡水溶液，加人高分子分散剂，用GR级氨水作沉淀剂，充分洗涤沉淀物，直到用0.1mol

的硝酸银溶液检验不到C1一为止，再经低温处理、干燥、350℃一800T烧结，制得5n0:超细粉体(经XRD半峰宽法测定已烧结的粉体颗粒直径为25.3nm)。粉体中掺人贵金属化合物作催化剂和其它多种添加剂，经处理，制备出气敏浆料。元件采用旁热式的管状结构，老化7一10天后测试。

3 TGS813气体传感器的介绍

气体浓度测试仪采用的费加罗TGS813气体传感器,是一种n型半导体气体传感器。传感器为二氧化锡烧结体,由高纯度的锡经过酸溶解、碱沉淀得出氢氧化亚锡后烘干、经煅烧得到纯二氧化锡粉末、再与氧化铝混和加蒸馏水成型、风干、外包加热丝和电极最后封装制成的二氧化锡多晶粉末烧结体(Joseph et a.l,1993)。氧化锡气体传感器的工作机理可简单解释为它吸附可燃性气体引起电阻下降。首先在典型工作温度200～400℃范围内,传感器表面吸附氧气,然后氧分子从晶格中获取电子形成氧离子,由于氧化锡是n型半导体,吸附氧以后电导率下降,电阻增加;当传感器处于可燃性气体氛围中,氧离子又释放电子,这时半导体电导率上升,电阻明显下降。实际上,常温下清洁空气中氧化锡的高电阻主要由氧离子类型决定。但在可燃性气体氛围中,气体到达氧化锡表面也可先发生氧化使吸附的氧离子被替换,进而产生更多的气体氧化,因而气体氧化和离子替换相互作用达到一个吸附氧的平衡浓度,这就解释了传感器对不同气体有不同灵敏度的问题。从微观机制上看,氧化锡晶体烧结体是n型半导体,由氧原子缺陷提供施主电子,当氧原子离解成离子吸附在晶体表面,氧化锡中电子被移走形成空间电荷层和势垒,势垒高度由吸附的氧浓度决定(Jo seph et al,1993;Mosley 1997)。上述三种机制的共同作用,使得即使在很低的浓度下减少气体浓度,也会引起传感器电导率的显著变化,将这种电导率的变化以输出电压的形式取样,就可检测出气体的浓度

4 基于单片机的酒精测试仪的国内应用

资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由酒后驾车引起的。因此，对驾驶员饮酒程度的检测越来越受到重视，酒精浓度检测器逐渐得到了广泛的应用。酒精浓度检测器不仅可以作为交警快速准确地判断驾驶员是否酒后驾车的取证工具，同时也可以用于驾驶员自测是否饮酒过量。此外，也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。由此可见，酒精浓度检测器具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。

综观现有的酒精检测器，系统实现方案上大部分以传统的单片机(如Microchip 公司的PIC系列)为基础，并借助相应的外围电路，将检测结果通过ELD、LCD等显示方式告知使用者。考虑到技术先进性和人性化设计的需要，如果能在上述方案中加人语音提示、语音播报检测结果等新功能，将是非常有益的。从技术的角度看，在现有方案中加人专用的语音处理芯片(如AC48los)，从而实现语音功能，并不是非常复杂，但是这样会使原有的系统结构上变得不够精简，且导致性价比下降。如果选用的单片机本身就方便地处理语音信号，那么实现语音功能就将变得相对简单。现在介绍一种新型的、低成本的酒精浓度检测及安全控制系统，该系统安装在汽车上，不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车，以确保了司机的安全，又减少了交警等人员的工作量。同时根据检测到酒精含量是否超标进行自主判断，能够控制汽车点火器开关，使饮酒驾驶员无法启动汽车。而且该系统成本比呼气酒精测试仪低，实现和使用更加简单、可靠，能够更为普遍的控制酒后驾车现象的发生。此系统采用驾驶员主动呼气方法，以判断驾驶员是否是酒后开车。该系统可放置在汽车仪表盘位置，当司机发动汽车时，报警装置将会响起，提醒驾驶员使用酒精探测及安全控制系统，此时发动机处于被锁状态，汽车无法启动。酒精传感器加热后，系统指示模块绿灯亮起，提示驾驶员呼气。为防止驾驶员逃避检测，设置一个话筒作为呼气判断装置。当呼气确认后，单片机发送触发信号，开始对酒精传感器探测的气体信号进行检测。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测信号经过放大、检波电路，进行信号放大和滤波之后，通过IAD转换电路转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，指示灯亮起，控制继电器不起作用，汽车可以启动;反之，超标指示灯亮起，报警装置同时响起，说明不能行驶，若司机强行启动，控制继电器切断点火装置电源，使汽车无法行驶，从而实现控制酒后驾车的功能。

5 国外酒精探测的先进技术

美国专利5907407 –基于仪表着陆系统的酒精检测系统涉及一般检测酒精蒸汽的传感器，与其他发明不同地方的是，该设计采用腔内激光光谱（仪表着陆系统）来检测驾车的司机是否酗酒。基于腔内激光光谱（仪表着陆系统）的酒精传感器可以满足响应速度快，灵敏度高，并能连续监测移动中的车辆的要求，并可能延长在酒精检测方面国家目前最先进的检测技术的寿命。用来检测乙醇浓度的车载检测仪表着陆系

统被强制安装在驾驶室，它由以下部分构成：

（一）激光增益介质有两个方面组成，反激光谐振腔和腔内光谱装置。

（二）一个反射性或分散性光学元件（如镜子或衍射光栅）和一个确定激光谐振腔波带宽长的光学元件，两个末端之间的一台宽频波长激光谐振器。

（三）外腔接收空气样本，代表车辆内部的气体，以使任何乙醇分子进入。

（四）第一个末端和提供产品探测器信号间隔的探测器;。

（五）用来测量和分析检测信号的适当的电子;

（六）包含有激光、漫反射表面和光学元件的一个外壳，配置的外壳防止辐射进入客舱壳外和允许壳外的空气与腔内连续地流通。

（七）方法就是使用激光（即，电或光学）。

用来产生射线的聚焦光学元件(即透镜)可以安置在外腔。

这里提供了一种方法来使用上述机载传感器衡量在车辆中的乙醇蒸汽浓度。该方法包括：

（ 1 ）探测在车辆中的酒精蒸汽的传感器;

（ 2 ）提供了一个信号表明存在酒精蒸汽。

参考目前该发明正在体现的具体的作用，这是目前所实践的最佳模式的发明。另外该发明最大的优势在于适用。

该发明在技术方法有可以利用于交通上酒精检测的三个重要特征：（一）灵敏度高; （二）体积小，所需气体样品少，性能好；（三）连续运行。这一新概念可以由一个安装于车内司机前方的一个小型和廉价的用来监测车内空气的酒精浓度的车载酒精传感器来体现。

仪表着陆系统酒精传感器的传感器在几秒钟内可以对变化的酒精浓度作出反应，，从而可以对移动中的车进行长期的监测，而无需中断交通流程。一个车载的酒精传感器也可以反映车内的酒精含量。一旦发现了车内有酒精，就可以从中提取各种各样的信息。在这个系统的影响下，司机将无法启动车辆，或者由传感器发出一个信号至该车辆以外的远程检测单位。如果需要的，可以参考传感器的输出值来决定是否禁止该车辆继续行驶驾驶。

该发明的运用将替代常规清醒检查站。在汽车经常行驶的道路上，通常可以通过手持监测“酒精枪”，或将自动遥控监测地点设在关键地点。确定一个醉酒司机的话可以通过无线电向一个中心地点或就近行动的巡逻车发出信号。

使用这一新技术并不需要司机的合作，就可以测量其体内酒精浓度。车辆不需通过一套特别测试装置减速，司机需要做的只是呼吸正常。

该传感器使用的激光波长是在对人眼安全的范围内的，对车辆中人的皮肤和眼睛并没有潜在的危险。由于车载仪表着陆系统酒精传感器是完全依靠由传感器部分发出的激光的，所以完全可以打消人们对它可能带来的辐射伤害的忧虑。

总之，预期以仪表着陆系统为基础的酒精检测传感器用于车辆可以大大促进和改善使用常规的做法在酒精气体检测方面遇到的困难。在减少酒精引起的交通事件方面车载仪表酒精传感器具有很大潜力，因此，它的价值在于不再需要目前使用的“在意外发生的事实后”方法。

下面的列表概述了车载仪表着陆系统酒精传感器的最重要的优势，：

对酒精蒸气的高灵敏度;

传感器响应快速（秒） ;

只有小样本量要求;

当车移动时(没有必要停下来车确定酒精的存在)的连续，实时监视 ;

重量轻，体积小，坚固耐用的设计方案;

全波段信号，因此，对人类的眼睛和组织安全;

由于设计简单，成本低廉，低维修成本;

兼容几乎所有的车辆类型;

如果需要的话，传感器能将信息反馈给司机;

使遥控监测每个通过检测地点的车辆成为可能；

无需司机配合和警察的要求;

被检测的车辆窗户关闭或开启不会影响监测结果（不同范围的灵敏度会被用来处理因窗口不同程度打开造成的稀释）;

没有必要设置清醒检查站;

降低对可疑车辆调查的成本。

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