警用呼气式酒精传感器的研究进展

。该标准 出气体酒精含量探测器 $9-&8 , 5&&’” 中对呼气酒精测试仪的各方面性能作了定量规 定， 其中一些重要性能如示值误差、 重复性、 抗干 扰能力、吹气压力和吹气连续性监视等指标都直 接影响检测精度。该文就此略加分析如下： 示值误差和重复性是直接影响检测精度的 指标，其中示值误差要求在整个工作范围（温度 从 & / 至 :& / ，相对湿度从 5&# %; 至 !&# 都要满足如下要求： %;） （量程： < ’&# &" :&& (= > ? 0 ’" &&& (= > ?） （量程： &" 5&& (= > ? 0 &" :&& < &" &:& (= > ? (= > ?） （量程： @ &" 5&& (= > ?） < &" &5. (= > ? 重复性是反映仪器测量值稳定性的指标，比 较容易理解。该文对市场上比较流行的几种酒精 测试仪按照 $9-&8 , 5&&’ 规定的测试条件作了 示值误差和重复性检测，结果是部分半导体型的 酒精测试仪达不到要求，而燃料电池型的都能够 满足要求， 并且还有比较大的宽余量。 所谓抗干扰能力实际上是仪器对其它气体 敏感度的大小。理想的酒精测试仪应该只对酒精 有反应，而对其它气体不应该有任何反应。半导 体传感器可以利用控制工作温度来使得它对于 酒精具有最高的敏感度。但即使这样，它对某些 气体的敏感度还在对酒精敏感度的 5&# 0 1&# 范围内 （例如一种日本生产的型号为 9AB- 的半 导体酒精传感器对丙酮的响应与对酒精的响应 相差无几 ） 。 $9-&8 , 5&&’ 标准对酒精测试仪抗 干扰能力的要求是： 在 5" && (= > ? 浓度的正己烷
1
化
学
传
感
器
5B 卷
传感器的制备是以纯度为 !!" !!# 的金属锡 为原料，与氯气反应后制成四氯化锡水溶液，加 入高分子分散剂， 用 $% 级氨水作沉淀剂， 充分洗 涤沉淀物，直到用 &" ’ ()* 的硝酸银溶液检验不 到 +* 为止， 再经低温处理、 干燥、 -.& / 0 1&& / （经 6%7 半峰宽法测定 烧结， 制得 2345 超细粉体
作者简介： 岳睿 9 :%"" ; < ， 男， 讲师、 工程师， 南京农业大学硕士研究生， 从事传感器研Hale Waihona Puke Baidu， 2 ; =>?(@ A>BCD%DE F?G>) H’=
$期
岳睿： 警用呼气式酒精传感器的研究进展
2
!
!" #
几种常用酒精传感器
精测试器， 适合于现场使用。 半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这 类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其 敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降 低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理 做成的。这种半导体在不同工作温度时，对不同 的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒 精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一 定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最 高的敏感度。 燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池 酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型， 因此又称为电化学型。燃料电池是当前全世界都 在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气 体转变成电能， 而不产生污染 * - + H , 。 作为酒精传感 器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感 器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满了 特种催化剂，它能使进入燃烧室内的酒精充分燃 烧转变为电能，也就是在二个电极上产生电压， 电能消耗在外接负载上。此电压与进入燃烧室内 气体的酒精浓度成正比，这就是燃料电池型呼气 酒精测试仪的基本工作原理。 与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试 仪具有稳定性好、精度高、抗干扰性好的明显优 点。但遗憾的是由于燃料电池酒精传感器的结构 要求非常精密，制造难度相当大，目前世界上只 有美国、 英国、 德国等少数几个国家能够生产。因 （ 其材料成本高 相当于半导体酒精传感器的几十 倍） ， 所以价格相当昂贵， 导致燃料电池型酒精测试 仪的价格是半导体型酒精测试仪好几倍的事实。 !" , 金属氧化物传感器 目前呼出气体中酒精含量检测一般采用酒 精传感器，国外使用燃料电池型较多，精度高但 价格昂贵，国内普遍采用半导体型酒精传感器。 “呼出气体酒 根据我国公安部标准 I%$.2 # (..3 精含量探测器” 的要求， 酒精探测器对 (9 .. /J ? K 正己烷的输出值必须小于 .9 .7 /J ? K 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 * 2 , 。
$% & ’( 型传感器 !" # $% 该敏感元件由纳米级 "&’( 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。 !" # $% 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 *( + $ , 。 !" ! $% & ’) 型传感器 应用：用于机动车驾驶人员及其他风险作业
已烧结的粉体颗粒直径为 5." - 3(） 。 粉体中掺入 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 8 0 ’& 天后测试。 !" # $%&’( ) !’’* 标准看几种酒精测试仪 为了规范警用呼气酒精测试仪的性能，5&&’ 年我国公安部制定了国家公共安全行业标准“呼
学型燃料电池作酒精传感器的呼气式酒精传感器的工作原理、 设计及实现方法。 关键词：酒精传感器I 电化学燃料电池 I 证据性呼气酒精测试
&’()*+, -* ./, 01,)./ )2+3/32 4,*431 531 632-+,7)*
JK- 8K? 9 +>GL?GM >MC?HK(/KC- KG?N-CF?/B MC>OK>/- FHA’’(， +>GL?GM !:$$%P* 0A?G> < &04.1)+.8 4G /A?F .>.-C* >G >(H’A’( F-GF’C KF-O ?G /-F/?GM Q(’’O >(H’A’( H’GH-G/C>/?’G ’R /A- OC?N-C S?/A A?MA .C-H?F?’G ?F C-N?-S-O) TA- UC?GH?.(-* O-F?MG >GO C->(?V>/?’G ’R /A- -(-H/C’HA-=?H>( RK-( H-(( QC->/A W F >(H’A’( F-GF’C >C- ?G/C’OKH-O ?G O-/>?() 9,: ;31’48 >(H’A’( F-GF’CI -(-H/C’HA-=?H>( RK-( H-((I -N?O-G/?>( QC->/A >(H’A’( /-F/?GM
,
气 体 作 用 下 ， 测 试 仪 的 示 值 应 不 大 于 &" &: (= > ?。按照这个条件对市场上比较流行的几种 酒精测试仪作了检测，结果所有的半导体酒精测 试仪的测试结果都大于 &" ’ (= > ?， 有些甚至达到 &" 5. (= > ?， 远 远 超 过 $9-&8 , 5&&’ 标 准 的 要 求。而所有的燃料电池型酒精测试仪都没有超过 符合标准要求。 &" &5 (= > ?， 实验表明，让一个抽烟者抽完一支烟后五分 钟用各种酒精测试仪进行测试，结果半导体型酒 精测试仪显示的读数是燃料电池型显示读数的 1 0 ’& 倍。这是因为燃料电池传感器可以精确地 控制特种催化剂的成分，使得它对其它气体的敏 感度远远小于对酒精的敏感度；而半导体酒精传 感器就做不到这一点。可见， 在抗干扰能力方面， 半导体型酒精测试仪与燃料电池型有很大 差别， 而抗干扰能力差往往会直接造成难以容忍的测 试误差，因为被测者很可能抽过烟不久，测试现 场往往会有少量的汽油或正己烷等气体存在。 前面说过，呼气酒精浓度能够与血液中的酒 精浓度建立直接关系的前提条件是被测者要以 中等力度呼气并且持续三秒钟以上。为了保证这 一点，$9-&8 , 5&&’ 标准对吹气压力和吹气连续 性作了规定。半导体型酒精测试仪几乎都没有对 吹气压力和吹气连续性进行监视的装置，这可能 是出于降低成本的考虑。那些没有考虑对吹气压 力和吹气连续性进行监视的酒精测试仪的检测 结果就不一定能准确反映被测者体内的酒精含 量， 当然也不可能通过 $9-&8 , 5&&’ 标准对该项 指标的检测。
极易发生道路交通事故，严重危害了道路交通安 全和人民生命财产安全。人饮酒后，酒精通过消 化系统被人体吸收，经过血液循环，约有 %$X 的 酒精通过肺部呼气排出 * 因此测量呼气中的酒精 含量， 就可判断其醉酒程度。
" 呼气酒精浓度和人体的血液酒精浓度 的研究
从理论上说， 要判断是否是酒后驾驶， 最准 确的方法应该是检查驾驶人员血液中的酒精含 量。血液中的酒精含量可以通过检查血液、呼 气、 唾液和小便得到。在违章处理或者公路交通 例行检查中，要在现场抽取血液往往是不现实 的，而送到医院再抽取血液则会因为路上花去 的时间使血液中的酒精浓度与在现场时有所不 同。最简单可行的方法是现场检测驾驶人员呼 气中的酒精含量。在美国国家公路交通安全管
第 !" 卷第 # 期 !$$"年%月
化学传感器
01234056 ,2+,78,
&’() !"* +’) # ,-./) ! $ $ "
警用呼气式酒精传感器的研究进展
岳 睿
（南京农业大学研究生院，江苏南京 !"##$% ） 摘 要：该文评述了一种可用于准确测量驾驶人员体内血液酒精浓度的酒精传感器。详细介绍了采用电化
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、 温湿度影响小、 功耗低、 微型 化设计。 !" ’ 紫外传感器 *+’,-. 特性： $-. &/ 波长紫外线测量， 工作温度 ) 储存温度 ) # (- 0 + 1 3.. 0 ， # (- 0 + 1 2- 0 ， 功耗) 3.. /4， 专业、 高品质 56 传感器元素， 带 补正滤光镜。规格：( # 3 一般规格。波长范围 ) 视角) 3(. 度。 响应时间 ) 3- "8， 静态 $.. + 7.. !。 电流) 3.. &%，工作电流 ) .9 .- /%，工作电压 ) .9 ( + 3.. 6，线性： : 3; 探头专用光二极管、彩 色补正滤光器。 探头尺寸 ) -9 . // < -9 3 // < =9 7 //。( # ( （($ : - > 0 。量程、 电气规格 解析度、 精度分别为 3.. /4 ? @/( 、 .9 3A /% ? //( 、 : 3; 56B。测试环 境： 电磁场强度小于 $ 6 ? C， 频率小于 $. C!D。 E 推荐焊接温度 F 距传感器 - 毫米 G (H. 0 ，焊 接小于 - 8 > !" / 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：39 燃料电池型 （ 电化 学） ； (9 半导体型； $9 红外线型； 79 气体色谱分析 型； -9 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 * 7 , 。这二种能够制造成便携型呼气酒
#
引言
机动车驾驶人员“酒后驾车” 及“醉酒驾车”
理局与国家安全委员会联合编制的名为 “,2TT4+Y 6434T,* ,5&4+Y 64&2,”的宣传册中 明确指出， 呼气酒精浓度测试是法律执行机构采 用的主要方法 Z : [ 。 大量的统计研究结果表明，如果被测者深吸 气后以中等力度呼气达三秒钟以上，这时呼出的 气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含 量与血液中的酒精含量有如下关系： \50 9 ?G =M ] 6 < ^ \C50 9 ?G =M ] 6 < _ ! !$$ 上式中， \50 是血液酒精浓度的英文缩写， \C50 则 是 呼 气 酒 精 浓 度 的 缩 写 ， 括 号 中 的 ?G 也就是说， =M ] 6 表示以每升中多少毫克为单位。 以毫克 ] 升为单位的血液酒精浓度在数值上相当 于以毫克 ] 升为单位的呼气酒精浓度乘上系数 （由于各国的情况不同， 在美国此系数采用 ! !$$ 。 基于此， 目前 而欧洲很多国家采用 ! :$$） ! $$$， 全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对 驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒 精含量的多少。