CN104062264A - 一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，包括检测传感器探头、检测仪主机，及安装在所述检测仪主机壳体内部的激光器、电路板、供电电池以及设置在所述壳体外部的显示屏、报警器和通信接口。本发明所述可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，采用光强调制技术，并对调制光谱进行小波分析后进行浓度计算，具有检测灵敏度高、检测稳定性好、检测时间短和检测精度高等特点，本发明所述在线检测仪，采用光纤与检测传感器探头相联，距离可达4KM，可固定使用也可便携使用，用于气体检测时，可选用手持、开放、固定式（单个或多个串联）气体探头。

Description

一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪

技术领域

本发明涉及易燃气体检测技术领域，具体地，涉及一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪。

背景技术

我们在工作中经常接触燃料气体，其具有易燃、易爆、易溶于水、易挥发、剧毒，致癌、易通过皮肤吸收、对肝脏的损伤较大等特点。如：偏二甲肼，其是强还原剂，遇四氧化二氮等氧化剂立即着火，甚至爆炸。

常用的检测方法有滴定法、电化学方法、化学发光法、比色法、色谱法等，国标中规定该气体采用固体吸附法，但固体吸附剂的制备和吸附解吸过程繁锁、检测耗时，灵敏度和准确度低，不适合连续在线检测。在此基础上，用气相色谱质谱法提高了对偏二甲肼检测的灵敏度，方法上也相对简单快捷，采样效率也提高很多，但在测定之前也要配制标准储备液、衍生化试剂和采样吸收液，程序相对较多，做不到实时在线检测，国外产品价格非常高，因购入量非常少，无法满足工作上数量需求。

近年来，国内厂商也研制了激光光谱吸收检测气体的设备，经对产品进行测试，我们发现这类产品一是存在检测不稳定，在多次对同一样品气体进行检测时会出现多个值；二是检测时间相对较长；三是检测精度比较差，常规浓度下，一般误差在，有的甚至超过10％，有一些厂商自定标准为6％，远远不能满足我们的需求。

光谱吸收型光纤气体传感技术脱胎于激光光谱分析技术，结合现代光纤技术，将以前主要应用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用于工业现场。同时利用光纤的特点，使激光光谱分析技术在探测灵敏度、远程遥测、多点网络化测量方面有一个飞跃。

与其他的光纤气体传感技术相比，基于气体光谱吸收的光纤气体传感技术有灵敏度较高，响应速度快，抗温度、湿度等环境干扰能力强，气体传感探头结构可靠，安全程度高，易于形成网络等特点，它是目前最有用途和接近于实用化的一种光纤气体传感器。

光谱吸收型光纤气体传感器是应用较为广泛的一类气体传感器。它采用的是普通光纤或多模光纤，这种传感器由光源、气室、双波束或双波长的光路以及信号处理4个环节组成。光源通常采用半导体激光器，包括发光二极管、激光二极管和分布反馈式半导体激光器(DFBLD，Distributed Feedback Laser Diode)，极少数情况采用连续光源和气体激光器(如CO₂激光器)。采用半导体光源的原因是其驱动电路简单、易于光纤耦合、体积小、功耗低、寿命长、成本低等。气体吸收路径是影响检测气体灵敏度的一个重要因素，其结构大致可分为单光程吸收透射检测和反射检测2种，目前反射型(包括怀特腔)的多次反射增加了吸收路径长度，检测灵敏度可以较大幅度地提高，但实际上因多次反射会造成耦合状态易受振动影响的后果，因此无实际意义。

在气体、液体、固体、半固体样品分析中，常用的方法是光谱分析法，设备为光谱仪，根据相关文献分析，基于迈克尔逊干涉仪的傅立叶变换红外光谱仪性能最优，其它类型的光谱仪光谱分辨率较低。

傅立叶变换红外(FTIR)光谱方法是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱图。由于其多通道、高通量、高信噪比和高分辨率等优点，FTIR光谱仪已经成为物质定性鉴别和定量分析中应用最为广泛的仪器。

但是由于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线检测可靠性受到限制。同时仪器结构复杂，每次使用调整准备时间长，检测时间也很长，用于定量分析时还需要专门的计算软件，仪器中机械运动机构的存在，将大大缩短设备的使用寿命。近年来相关企业也研制了光纤式干涉仪，由于技术局限，应用并不广泛，同时价格高昂。作为在线式检测仪器来讲，这类设备并不适用。

能否找到一种替代方法是我们研制的重点，也是能否研制出一款实用的光谱分析型在线式检测仪的关键！

傅立叶变换红外光谱仪原理分析：傅立叶变换红外光谱仪最核心的部件为Michelson干涉仪，其原理如图11所示。它包括两个平面镜、光学分束器、光源和探测器。平面镜中一个固定不动的称定镜，一个沿垂直于定镜的轴线移动的称动镜。两镜中间是分束器，它使入射的单色光50％透射，50％反射。

假设入射光为I(x)，经分束器后，I(x)分成透射光和反射光两部分，它们经各自的平面镜反射后重新到达分束器，再经分束器的反、透射，重新会聚形成干涉光，再到达探测器。当入射光I(x)为单色光源时，射向定镜和动镜的两束光的光程差为2X(OM—OF)，且对所有入射的平行光均相同。当光程差Δl＝2i(λ/2)(i＝0，±1，±2，±3，…)时，两光束相干增强；当光程差Δl＝(2i+1)(λ/2)(i＝0，±1，±2，±3，…)时，两光束相干减弱；写成公式为：

$I\left(\mathrm{\Δl}\right)=0.5I\left(\mathrm{\υ}\right)\{1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\λ}}\}=0.5I\left(\mathrm{\υ}\right)\{1+\cos 2\mathrm{\π\υ\Δl}\}$

其中：υ为波数，Δl为光程差，I(υ)为波数为υ的光源强度

可以看出，干涉光强由常数(直流)部分和调制(交流)部分组成。实际上，经过实际检测、放大之后的干涉图的振幅不仅仅正比于光源的强度，还和分束器效率、探测器响应和放大器特性等有关。对于确定的系统配置，参数保持不变的情况下，所有的这些因素中，只有I(υ)在每次测量时都变化。因此可以上式乘以一个与波数有关的订正因子进行简化。简化后的干涉图，信号表达式为：

I(Δl)＝B(υ)cos2πυΔl；

在干涉器中，要控制动镜以速度ν(cm/s)匀速运动，因此干涉图的变化是时间t的函数I(t)。经过零光程差位置t秒后的光程差由下式给出：

I(Δl)＝2νt；

I(t)＝B(υ)cos(2πυ.2νt)；

对于频率为f的任何余弦波，经过t时间后的振幅由下式给出：

A(t)＝A₀cos(2πft)；

这里A₀是波的最大振幅。将两式比较可知干涉图I(t)的频率f为：

f＝2νυ；

即，当波数一定时，探测器探测到的单色光干涉图信号是一频率和动镜速度成正比的余弦信号。一般实验情况下，光源的光谱是连续的并且覆盖较宽的波数范围。此时，干涉图由下面这个积分式给出：

$I\left(\mathrm{\Δl}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}B\left(\mathrm{\υ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\υ\Δl}\right).\mathrm{d\υ};$

这是余弦傅立叶变换对的一半，另一半为：

$B\left(\mathrm{\υ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}I\left(\mathrm{\Δl}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\υ\Δl}\right).\mathrm{d\Δl}$

I(Δl)是偶涵数，上式可写为：

$B\left(\mathrm{\υ}\right)=2\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}I\left(\mathrm{\Δl}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\υ\Δl}\right).\mathrm{d\Δl}$

I(Δl)和B(υ)是一对傅立叶变换对，干涉图I(Δl)是光程差的函数，光谱B(υ)是波数υ的函数。由B(υ)进行傅立叶变换得到相应干涉图I(Δl)，对于干涉图I(Δl)作傅立叶变换可以得到相应的光谱B(υ)。理论上，能够以无限宽和分辨率得到从0到+∞的完整光谱。实际上，受各类限制，光谱的分辨率是有限的。

干涉光的替代研究，从 $I\left(\mathrm{\Δl}\right)=0.5I\left(\mathrm{\υ}\right)\{1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\λ}}\}=0.5I\left(\mathrm{\υ}\right)\{1+\cos 2\mathrm{\π\υ\Δl}\}$ 式中可知，傅立叶变换红外光谱仪中干涉光强由常数(直流)部分和调制(交流)部分组成，其中最关键是调制(交流)部分。

我们研究的众多光强调制技术，比较可行的半导体激光器的TDLAS技术。这是缘于我们所要研发的检测仪首选的正是激光光源，而半导体激光器由于其体积小、功耗低、寿命长、驱动控制电路相对简单，其功率虽低但完全可以满足检测的需求。

可调谐半导体激光器波长调制原理当激光的中心频率v_c受到频率为ω的调制波调制时,其瞬时频率可以表示为：

v＝v_c+δvcosωt；

I(v_c,t)＝I₀[1+ηcosωt]；

式中，δv是调制幅度。调制频率用ω表示，以便与光学频率v区分，η为光强调制系数，ω＝2πf,f为电流调制频率，光通过传感器吸收后的强度可以用I(v_c)的余弦傅立叶级数表式，

$I(v_c,t)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\left(v_c\right)\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)$

从I(v_c,t)＝I₀[1+ηcosωt]式中可知，可以通过半导体激光器的TDLAS技术获取类似傅立叶变换红外光谱仪中干涉光的交流调制光。

通过以上分析，完全可用半导体激光器的TDLAS技术调制的交流光作为光谱分析型检测仪的检测光源。通过这种技术可以大大简化仪器结构：

①省去了机械结构，从而省去了机械结构的伺服系统；

②省去了相位过零检测复杂电路及计算；

③通过电路实现光的交流调制，避免了机械结构对光谱分辨率的限制。

半导体激光器的TDLAS技术调制的交流光进行光谱分析的关键技术指标：

①调制幅度δv应与吸收线宽一个量级，略大于吸收线宽；

②光谱分辨率应综合考虑精度要求、检测时长，须低于电器元件处理能力的50％，按精度要求，我们采用的光谱分辨率为：0.1CM-1；

③采样频率，实际测量的光谱一般不是单色谱线，而是占有一定带宽的谱带区域(-υ_max,υ_max)。根据采样定理，采样频率≥2fmax即Δδ为采样间隔；

④采用自平衡电路进行光电转换；

⑤为提高光谱的分析精度采有小波分析替代傅立叶变换。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在操作过程繁琐、检测稳定性差、检测时间长和检测精度低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，首次采用光调制技术生成交流检测光(不同于干涉光，确能与干涉光具有同等的效能)，用交流调制光进行检测形成调制光谱，并对调制光谱进行小波分析后进行浓度计算(传统上使用傅立叶分析的地方都可以用小波分析来取代，而小波分析被称为频谱分析的显微镜，更能精细地进行频谱分析，由于采用调制光，其有别于传统上的干涉光，因此采用小波分析替代傅立叶分析)，具有检测灵敏度高、检测稳定性好、检测时间短和检测精度高等特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，包括配合安装的检测传感器探头和检测仪主机，该检测仪主机的外部具有壳体；在所述检测仪主机的壳体内部配合安装有激光器、电路板、供电电池以及设置在所述壳体外部的显示屏、报警器和通信接口；

通过检测仪主机，将光纤与检测传感器探头相联，采用半导体激光器的TDLAS的光强调制技术进行光调制，用光强交变的调制光进行检测，在检测扫描、采样控制电路的控制下进行数据采集，获得检测调制光谱，并对调制光谱进行小波分析后进行浓度计算。

进一步地，所述检测仪主机，包括中央处理机，依次自待检测光源连接至所述的检测传感器探头、光电传感器、放大及滤波模块和数据采集模块，依次自所述检测扫描、采样控制模块连接至待检测光源的光调制模块、A/D采集模块；依次自所述中央处理机连接至检测扫描、采样控制模块；

和/或，

所述中央处理机对数据采集系统采样得到的数字信号进行数据处理的操作，具体包括：对检测得到的调制光谱信息进行小波分析；依据Lambert-beer定律，使用Marquardt非线性最小二乘法，将标准谱与实际测量得到的测量谱进行拟合，得到实际气体浓度的最优解。

进一步地，所述中央处理机，包括CPU板，以及设置在所述CPU板的外围、且通过DIMM200插槽与CPU板相连接的功能板；所述功能板，能够实现数据采集系统的所用功能的功能板。

进一步地，所述CPU板包括ARM和DSP微处理芯片，以及分别与所述ARM和DSP微处理芯片连接的存储器、时钟电路和供电电源模块；和/或，

所述功能板，包括能够对半导体激光器进行驱动和控制的激光控制器，能够与所述激光控制器连接的激光调制电路，能够与所述激光控制器、数据采集连接的检测扫描采样控制电路，A/D数据采集电路，以及分别与所述供电电源模块、显示屏、报警器和通信接口连接的相应功能接口。

进一步地，所述传感器对检测调制光进行光电转换后的预处理，包括自平衡检测、锁相放大及滤波。

进一步地，所述数据采集对光电传感器且经预处理的信号进行数字化采集(A/D)，并贮存至中央处理机的存贮器中；

和/或，

所述中央处理机对数据采集系统采样得到的数据进行处理的操作，具体包括：对检测得到的调制图谱数据进行小波分析；依据Lambert-beer定律，使用Marquardt非线性最小二乘法，将标准谱与实际测量得到的测量谱进行拟合，得到实际气体浓度的最优解。

进一步地，所述传感器，具体为采用空间反射结构的长光程光谱吸收式气体传感器探头；开放式气体传感器探头；设备标定传感器探头；液体传感器探头。

进一步地，所述采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，包括传感器壳体，安装在所述传感器壳体内部的传感器芯体，安装在所述传感器芯体两端的一对橡胶固定垫，以及套装在所述传感器芯体上的防尘防潮网；安装在所述传感器芯体中的激光发射、接收头、棱镜组(如反射棱镜)、塑料支架(即传感器芯体支架)、薄膜垫片、橡胶垫、金属封板(即金属固定板)；

安装时，通过在所述传感器芯体两端安装一对橡胶固定垫后，再将安装有一对橡胶固定垫的传感器芯体安装在传感器壳体内。

具体地，防尘防潮滤网是套装在传感器芯体支架上的双层柔性材料网，双层柔性材料网中间含有防潮材料，在整体传感器结构中是套装在传感器芯体两端一对橡胶垫之间的位置，只需套装无其它安装需求，维护更换非常方便。

进一步地，所述传感器芯体，包括芯体主构件支架，还包括反射棱镜与激光发射、接收头，用于固定所述反射棱镜与激光发射、接收头的支架、金属固定板、橡胶垫，以及安装在所述反射棱镜与芯体主构件之间的薄膜垫片；

组装时，分为芯体组装和传感器组装两部分；芯体组装时，将激光发射、接收头通过螺纹拧接到激光发射、接收头及小棱镜支架上，在传感器支架的一端放置薄膜垫片及小棱镜组，再安装激光发射、接收头及小棱镜支架，通过所述金属固定板及橡胶垫固定在传感器支架上，在传感器支架的另一端放置薄膜垫片及大棱镜，再安装大棱镜支架，最后通过所述金属固定板及橡胶垫将大棱镜固定在传感器支架上，完成芯体组装；传感器组装时，将防尘防潮滤网套装在芯体上，在芯体两端安装橡胶垫后，安装于传感器的金属罩网内，再安装传感器联接件，用8个小螺钉将传感器联接件与金属罩网固定，捋顺好光纤，将橡胶封头安装于传感器联接件中即完成传感器的组装；

和/或，

所述传感器芯体与传感器壳体之间采用柔性联接；和/或，

所述反射棱镜与芯体结构支架之间采用薄膜垫片联接；薄膜垫片颜色为黑，其作用有二：一是避免棱镜与支架之间的刚性联接；二是减少棱镜反射面的宽度，从而减产杂光干扰；

和/或，

所述反射棱镜的反射面采用空间反射结构；这里，空间反射结构是创新点在我们已调研的所有结构中未见本设计中所述空间反射结构；以俯视平面为水平面说明空间反射，检测激光从发射头发出后经大棱镜水平反射至接收头端的第一个小棱镜，此小棱镜进行向上垂直反射至大棱镜，大棱镜再水平反向反射，再至发射端的第一个小棱镜，该小棱镜再向上垂直反射至大棱镜，此理，经过所有小棱镜反射后，最后经大棱镜反射回激光接收头；以四个小棱镜(根据光程需求可增减小棱镜数量)计算，光程为反射腔距离的10倍；和/或，

所述传感器支架采用高强度光路元器件支架，使光纤探头、反射棱镜和传感器支架形成一个抗震整体；和/或，

所述激光发射、接收头，采用小型渐变折射率透镜；和/或，

所述反射棱镜的数量及大小根据实际需求确定：当光程低于1M时，采用一大两小反射棱镜；当光程大于1M时，采用一大四小反射棱镜，还能够根据光程需求增加反射镜数量。

进一步地，所述检测仪主机的壳体，包括盒状本体，设置在所述盒状本体前部的前面板，设置在所述盒状本体后部的后面板，以及依次设置在所述盒状本体侧部的背带挂钩；所述显示屏、报警器和电源开关分别设置在前面板上，光纤接头可选择性地设置于前面板或后面板上。

本发明各实施例的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，由于包括检测传感器探头、检测仪主机，及安装在所述检测仪主机壳体内部的激光器、电路板、供电电池以及设置在所述壳体外部的显示屏、报警器和通信接口；从而可以克服现有技术中操作过程繁琐、检测稳定性差、检测时间长和检测精度低的缺陷，以实现操作过程简单、检测稳定性好、检测时间短和检测精度高的优点。

本发明的其它特征和优点将在说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪中检测仪前面板设计图；

图2为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪中检测仪后面板设计图；

图3为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪的技术验证样机照片；

图4为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪配套监控系统监控页面；

图5为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪配套监控系统报警事件处理页面图；

图6为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪的结构框图；

图7为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪中硬件接口组成图；

图8为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪中Linux输入/输出各层次结构图；

图9为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪中光谱吸收式长光程气体传感器结构示意图，其中，a为俯视剖面图；b发射头与棱镜组正视剖面图；c接收头与棱镜组正视剖面图；

图10为本发明可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪中偏非线性最小二次拟合流程图；

图11为迈克尔逊干涉仪工作原理示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-显示屏；2-声光报警器(LED+蜂鸣器)；3-背带挂钩；4-光纤接头；5-电源开关；6-光纤接头；7-电源接口；8-电池盖；9-网络模块接口；10-激光发射头；11-激光接收头；12-第一反射棱镜；13-第二反射棱镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

鉴于现有技术中存在的缺陷，因此我们自主研发检测设备。在对市面上相关产品检测方式进行调研的基础上我们确定以调制光谱分析法作为检测设备研制的技术路线，采用光谱吸收型光纤气体探头作为传感器(自研)。

光谱吸收型光纤气体传感技术脱胎于激光光谱分析技术，结合现代光纤技术，将以前主要应用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用于工业现场。同时利用光纤的特点，使激光光谱分析技术在探测灵敏度、远程遥测、多点网络化测量方面有一个飞跃。

与其他的光纤气体传感技术相比，基于气体光谱吸收的光纤气体传感技术有灵敏度较高，响应速度快，抗温度、湿度等环境干扰能力强，易于形成网络等特点，它是目前最有用途和实用化的一种光纤气体传感器。

根据本发明实施例，如图1-图11所示，提供了一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪。

本实施例的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，包括配合安装的检测传感器探头和检测仪主机，该检测仪主机的外部具有壳体；在检测仪主机的壳体内部配合安装有激光器、电路板、供电电池以及设置在壳体外部的显示屏、报警器和通信接口；通过检测仪主机，将光纤与检测传感器探头相联，采用半导体激光器的TDLAS的光强调制技术进行光调制，并对调制光谱进行小波分析后进行浓度计算。

其中，上述检测仪主机，包括中央处理机，依次自待检测光源连接至所述检测传感器探头、光电传感器、放大及滤波模块和数据采集模块，依次自所述中央处理机连接至光调制模块和检测扫描、采样控制模块。这里，光电传感器转换的电信号先进行采集预处理，包括自平衡检测、锁相放大与滤波；然后送A/D采集系统进行采样数字化，并将结果贮存到中央处理机的贮存器中。和/或，中央处理机对采样得到的数据进行小波分析；依据Lambert-beer定律，使用Marquardt非线性最小二乘法，将标准谱与实际测量得到的测量谱进行拟合，得到实际气体浓度的最优解。

上述中央处理机，包括CPU板，以及设置在CPU板的外围、且通过DIMM200插槽与CPU板相连接的功能板；功能板，能够实现数据采集系统的所用功能的功能板。CPU板包括ARM和DSP微处理芯片，以及分别与ARM和DSP微处理芯片连接的存储器、时钟电路和供电电源模块；和/或，

功能板，包括能够对半导体激光器进行驱动和控制的激光控制器，能够与所述激光控制器连接的激光调制电路，能够与所述激光控制器、数据采集连接的检测扫描采样控制电路，A/D数据采集以及分别与所述供电电源模块、显示屏、报警器和通信接口连接的相应功能接口。

通信接口，包括USB接口、串行通信接口、网络通信接口和JTAG接口。

长光程光谱吸收式气体传感器，包括传感器壳体，安装在传感器壳体内部的传感器芯体，安装在传感器芯体两端的一对橡胶固定垫，以及套装在所述传感器芯体上的防尘防潮网；；安装在传感器芯体中的激光发射、接收头(如激光发射头10和激光接收头11)、棱镜组(如反射棱镜)、塑料支架(即传感器芯体支架)、薄膜垫片、橡胶垫、金属封板(即金属固定板)；安装时，通过在传感器芯体两端安装一对橡胶固定垫后，再将安装有一对橡胶固定垫的传感器芯体安装在传感器壳体内。

在上述传感器中，传感器芯体，包括芯体主构件支架，还包括反射棱镜与激光发射、接收头，用于固定所述反射棱镜与激光发射、接收头的支架、金属固定板、橡胶垫，以及安装在反射棱镜与芯体主构件之间的薄膜垫片；组装时，组装时，分为芯体组装和传感器组装两部分；芯体组装时，将激光发射、接收头通过螺纹拧接到激光发射、接收头及小棱镜支架上，在传感器支架的一端放置薄膜垫片及小棱镜组，再安装激光发射、接收头及小棱镜支架，通过所述金属固定板及橡胶垫固定在传感器支架上，在传感器支架的另一端放置薄膜垫片及大棱镜，再安装大棱镜支架，最后通过所述金属固定板及橡胶垫将大棱镜固定在传感器支架上，完成芯体组装；传感器组装时，将防尘防潮滤网套装在芯体上，在芯体两端安装橡胶垫后，安装于传感器的金属罩网内，再安装传感器联接件，用8个小螺钉将传感器联接件与金属罩网固定，捋顺好光纤，将橡胶封头安装于传感器联接件中即完成传感器的组装。

在上述传感器中，传感器芯体与传感器壳体之间采用柔性联接。和/或，反射棱镜与芯体结构支架之间采用薄膜垫片联接；薄膜垫片颜色为黑，其作用有二：一是避免棱镜与支架之间的刚性联接；二是减少棱镜反射面的宽度，从而减产杂光干扰。和/或，反射棱镜的反射面采用空间反射结构；这里，空间反射结构是创新点在我们已调研的所有结构中未见本设计中所述空间反射结构；以俯视平面为水平面说明空间反射，检测激光从发射头发出后经大棱镜水平反射至接收头端的第一个小棱镜，此小棱镜进行向上垂直反射至大棱镜，大棱镜再水平反向反射，再至发射端的第一个小棱镜，该小棱镜再向上垂直反射至大棱镜，此理，经过所有小棱镜反射后，最后经大棱镜反射回激光接收头；以四个小棱镜(根据光程需求可增减小棱镜数量)计算，光程为反射腔距离的10倍。和/或，传感器支架采用高强度光路元器件支架，使光纤探头、反射棱镜和传感器支架形成一个抗震整体；和/或，激光发射、接收头，采用小型渐变折射率透镜；和/或，反射棱镜的数量及大小根据实际需求确定：当光程低于1M时，采用一大两小反射棱镜(如至少可以包括第一反射棱镜12和第二反射棱镜13)；当光程大于1M时，采用一大四小反射棱镜，还能够根据光程需求增加反射镜数量。

上述检测仪主机的壳体，包括盒状本体，设置在盒状本体前部的前面板，设置在盒状本体后部的后面板，以及依次设置在盒状本体侧部的背带挂钩(如背带挂钩3)；显示屏(如显示屏1)、报警器(如由LED和蜂鸣器组成的声光报警器2)和光纤接头(如光纤接头4)分别设置在前面板上。在前面板上还设置有电源开关；和/或，在后面板上，设有电池盖(如电池盖8)、电池接口(如电池接口7)、网络模块接口(如网络模块接口9)、以及光纤接头(如光纤接头4、6)。

本发明技术方案涉及的产品主要技术指标，参见下表：

技术指标表

指标	数值
		气体浓度检测范围	0％——99.9％(可分段检测)
检测精度	全量程误差不超过±1％
		灵敏度	1ppm
工作环境温度	-20—50摄氏度
		工作环境湿度	小于等于99％RH
检测时间	小于等于1s
		报警方式	声光报警
调校周期	12个月
		使用寿命	5年以上
防爆型式	本质安全型

本发明技术方案的主要特点如下：

☆首次采用调制光进行检测，对调制检测谱进行小波分析，大大提高了信噪比，提高了计算精度；

☆自主研发吸收式光纤传感器，解决了反射型光纤传感器耦合状态易受振动影响的难题，大幅度地提高了检测灵敏度，使光谱吸收式反射型光纤传感器真正实用化；

☆探头多样化，有手持，悬挂、固定、发射和接收端开放式等多种方式；

☆仪器主体与探头分离安装，距离可达4000米，更适用于特种环境的检测要求，属绝对本质安全型；

☆探头可多个串联，可扩大检测区域又无需增加多台设备；

☆不受光纤长度影响；

☆不受背景气体的影响；

☆微小的粉尘影响。

本发明技术方案的产品实体介绍如下：

检测仪只有一个电源开关，加电即可使用，未加按键等可对检测仪做任何设置的接口，从而阻拦了人为因素对检测仪工作态式的影响。参见图1、图2。

检测仪可自行诊断联接的传感器是否工作正常，联接光纤是否断裂，及其自身是否工作正常，通过屏显和声音报警通知使用者。

检测仪可单台使用，也可联网使用，仪器可设定报警阀值与网络上传数据间隔(当出现报警数据时会自动上传不再依据此设定的时间间隔)。这两项设定必须通过网络，使用专用软件及由专人进行设定。

检测仪的检定维护也非常的方便，传感器易于拆卸，清洗和更换防尘网非常方便，由于粉尘对检测仪的影响很小，维护期可为12月。检定工作也非常方便，专门设计的检定传感器只需联接到检测仪的光纤接口即可完成检测仪的检定。参见图3。

当仪器作为监控系统的节点时，可通过为检测仪配套的监控软件系统进行整体监控，该软件主要有两项工作：⑴接收检测仪的检测数据；⑵检查检测仪的联网状态。

这两项功能与检测仪的自检功能，基本上保证了对设备运行情况的监控。这是缘于：⑴检测仪的自检功能可以判断检测仪与传感器的联接及检测仪自身是否工作正常；⑵监控软件系统定时获取检测仪的检测数据，从另一个角度对检测仪的工作状态进行判定；⑶由于检测仪可以在专网上使用，也可以在公网上使用，失联报警的监控也可对检测仪的工作状态进行辅助判定。

本发明技术方案涉及监控系统软件的主要功能：

☆可设置检测仪失联报警时间间隔；

☆实时监测各分布式站点的监测数据，并记录各站点的数据，根据数据和通讯情况及时进行报警；

☆对报警原因、事件处理安排、事件处理过程及结果进行全程记录；

☆对仪器的定期检定维进行工作计划安排，并进行实施跟踪，确保检测仪的正常功效；

☆对设备维修、更换进行全程记录；

☆对监测数据报警、通讯报警，设备维修更换、检定维护情况、设备运行时间进行定期统计，以便分析运行态式，为完善工作管理提供依据；

☆联网计算机及上网手机无论何处，都可登录系统查询信息，自然要受用户权限的限定。

本发明技术方案中，光谱分析检测仪结构设计如下：

光谱分析检测仪系统结构

我们基于ARM和DSP双核微处理器来设计光谱分析型检测仪，包括硬件系统及软件系统两大部分。

⑴硬件系统

主要由光源及驱动控制、传感探头、半导激光器调制控制器、检测扫描采样控制器、光电传感器、锁相放大及滤波、数据采集、数据处理和显示报警、数据通讯系统等部分构成，其原理框图如图6所示。

从图6中可以看出，由光源产生的单色光，经过光纤探头对气体进行测量，测量光经光电传感器转为电信号，经放大滤波处理后进入A/D转换器进行数据采集，采样后的数字信号送给微处理器，最后由软件完成数据的分析处理，显示检测数据。

⑵软件系统

软件系统主要有中央处理机的操作系统、各模块的设备驱动程序、检测仪的应用系统(检测软件)。

其中，检测仪的应用系统分为两大功能，一是对各模块工作流程进行控制；二是对采集数据进行计算处理。

操作系统：采用嵌入式Linux。

检测仪的应用系统(检测软件)：C语言开发。

本发明技术方案中，数据处理的相关说明如下：

数据处理的主要工作是对检测得到的光谱信息进行信噪分离与提取弱信号。最后依据Lambert-beer定律，使用Marquardt非线性最小二乘法，将标准谱与实际测量得到的测量谱进行拟合，最后得到实际气体浓度的最优解。

⑴小波分析

运用小波分析进行一维信号的消噪处理是小波分析的一个重要应用，尤其是在光谱数据预处理去噪中有着广泛的应用。主要有基于小波分析的局部极大值点去噪和基于阈值去噪的两种技术。

①连续小波分析的基本概念

小波分析方法是一种窗口大小(即窗口面积)固定但其形状可变，时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。正是这种特性，使小波分析具有对信号的自适应性。

小波分析被看成调和分析这一数学领域半个世纪以来的工作结晶，已经广泛地应用于信号处理，图像处理，量子场论，地震勘探，语音合成与识别，音乐，雷达，CT成像，彩色复印，流体湍流，天体识别，机器视觉，机械故障诊断与监控，分形及数字电视等领域。原则上讲，传统上使用傅立叶分析的地方都可以用小波分析来取代。小波分析优于傅立叶分析的地方是，它在时域和频域同时具有良好的局部化性质。

设ψ(t)∈L²(R)，L²(R)表示平方可积的实数空间，即能量有限的信号空间，其傅立叶分析为当满足允许性条件(Admissiable Condition)：

当满足允许性条件(Admissiable Condition)式(1)时，我们称ψ(t)为基本小波或者小波母函数(Mother Wavelet)。将母函数ψ(t)经伸缩和平移后，就可以得到一个小波序列。对于连续的情况，小波序列为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)a,b\∈R,a\≠0$

其中，a为伸缩因子，b为平移因子。一般归一化ψ(t)，令||ψ(t)||。由于 $\∫{\left|\mathrm{\ψ}\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}=1\⇒{\∫\left|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}=\∫\mathrm{sgn}\left(a\right){\left|\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)\right|}^{2}d\left(\frac{t}{a}\right)=1,$ 所以ψ_ab(t)也单位化了。对于任意的函数f(t)∈L²(R)的连续小波分析为：

$W_f(a,b)\≤f,{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\≥\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}f\left(t\right)\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)}\mathrm{dt}---\left(3\right);$

其中，当1/a相当于频率，b相当于位移。

其逆分析为：当g,f∈L²(R)∩C(R)，

②离散小波分析

在计算机上实现小波分析，连续小波必须加以离散化。所以针对连续小波ψ_ab(t)和连续小波分析W_f(a,b)的离散化。这一离散化都是针对连续的尺度函数a和连续平移参数b的，而不是针对时间变量t的，这与以前习惯的时间离散化不同，需要加以注意区别。

在连续小波中，考虑函数：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)a,b\∈R,a\≠0---\left(5\right);$

为方便起见，在离散化中，总是限制a只取正值，这样相容性条件就变为：

通常，把连续小波分析中的尺度参数a和平移参数b的离散化公式分别取做这里j∈Z，扩展步长a₀≠1是固定值，为方便起见，总是假定a₀＞1，所以对应的离散小波函数ψ_j,k(t)就写作：

${\mathrm{\ψ}}_{j,k}\left(t\right)=a_0^{-j/2}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-k{a}_0^j{b}_0}{a_0^j}\right)=a_0^{-j/2}\mathrm{\ψ}(a_0^{-j}t-k{b}_0)---\left(7\right);$

而离散化小波分析系数则可以表示为：

$C_{j,k}=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}f\left(t\right){\mathrm{\ψ}}_{j,k}\left(t\right)d=\⟨f,{\mathrm{\ψ}}_{j,k}\⟩t---\left(8\right);$

其重构公式为：

$f\left(t\right)=C\underset{j=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{i,k}{\mathrm{\ψ}}_{j,k}\left(\text{t}\right)---\left(9\right);$

其中，C是一个与信号无关的常数。

然而，怎样选择a₀和b₀才能保证重构信号的精度呢？显然，网格点应该尽可能地密(即a₀和b₀尽可能地小)，因为如果网格点越稀疏，使用的小波函数，ψ_j,k(t)和离散小波系数C_j,k就越少，信号重构的精确度也就会越低。

为了使小波分析具有可变化的时间和频率分辨率，适应待分析信号的的非平稳性，需要改变a和b的大小，以使小波分析具有“变焦距”的功能。在实际应用中采用的是动态的采样网格，最常用的是二进制的动态采样网格：a₀＝2,b₀＝1，每个网格点对应的尺度为2^j，而平移为2^jk。由此得到的小波：

ψ_j,k(t)＝2^-j/2ψ(2^jt-k),j,k∈Z (10)；

称为二进小波(Dyadic Wavelet)。

二进小波对信号的分析具有变焦功能。假定一开始选择一个放大倍数2^-j，它对应为观测信号的某部分内容。如果想进一步观看信号更小的细节，就需要增加放大倍数，即减小j的值；反之，如果想了解信号更宏观的内容，则可以减小放大的倍数，即增大j的值，在这个意义上，小波分析被称作数学显微镜。

③多分辨率分析

Meyer于1986年创造性地构造出具有一定衰减性的光滑函数，其二进制伸缩与平移构成L²(R)的规范正交基，才使小波得到真正的发展。1988年S.Mallat在构造正交小波基时提出了多分辨分析MRA(Multi-Resolution Analysis)的概念，从空间的概念上形象地说明了小波的多分辨率特性，将此之前的所有正交小波基的构造法统一起来，给出了正交小波的构造方法以及正交小波分析的快速算法，即Mallat算法。Mallat算法在小波分析中的地位相似于快速傅立叶分析算法在经典傅立叶分析中的地位。

关于多分辨分析的原理，我们以一个三层的分解进行说明。

多分辨率分析只是对低频部分进行一步分解，而高频部分则不予考虑。分解的关系为S＝A₃+D₃+D₂+D₁。另外强调一点，这里只是以一个层分解进行说明，如果要进一步的分解，则可以把低频部分A₃分解成低频部分A₄和高频部分D₄，以下分解则类推可得。

在多分辨分析中，分解的最终目的是力求构造一个在频率上高度逼近L²(R)空间的正交小波基，这些频率分辨率不同的正交小波基相当于带宽各异的带通滤波器。从上面的多分辨分析树结构图可以看出，多分辨率分析只对低频空间进行进一步的分解，使得频率的分辨率变得越来越高。

我们称满足下列条件的L²(R)中的一列子空间{V_m}_m∈Z及一个函数为一个正交Multi-resolution Analysis(MRA)(多尺度/多分辨分析)：

a、 $V_m\⋐V_{m+1},\∀m\∈Z;$

B、 $f\left(t\right)\∈V_m\⇔f\left(2t\right)\∈V_{m+1};$

c、 $\underset{m\∈Z}{\mathrm{\∩}}{V}_m=\left\{0\right\};$

d、 $\stackrel{\‾}{\underset{m\∈Z}{\mathrm{\∪}}{V}_m}=L^2\left(R\right);$

e、且{ψ(t-n)}_n∈Z是V₀的标准正交基，称为此MRA的尺度函数/父函数。

④基于阈值的小波分析去噪方法

小波阈值去噪方法认为对于小波系数包含有信号的重要信息，其幅值较大，但数目较少，而噪声对于的小波系数是一致分布的，个数较多，但幅值小。基于这一思想，Donoho等人提出软阈值和硬阈值去噪方法[22]，即在众多小波系数中，把绝对值较小的系数置为零，而让绝对值较大的系数保留或收缩，分别对应于硬阈值和软阈值方法，得到估计小波系数(Estimated Wavelet Coefficients，简记为EWC)，然后利用估计小波系数直接进行信号重构，即可达到去噪的目的。

1995年，Donoho提出一种新的基于阀值处理思想的小波域去噪技术。它也是对信号先求小波分析值。再对小波分析值进行去噪处理。最后反分析得到去噪后的信号。去噪处理中阈值的选取是基于近似极大极小化思想，以处理后的信号与原信号以最大概率逼近为约束条件。然后考虑采用软阈值，并以此对小波分析系数做处理，能获得较好的去噪效果，有效提高信噪比。

⑤含噪声信号的小波分析特性

运用小波分析进行信号消噪处理是小波分析的一个重要应用。一个含噪声的一维信号的模型可以表示成如下形式：

S(i)＝f(i)+σ·e(i),i＝0,1,…,n-1 (11)；

其中，f(i)为真实信号，e(i)为噪声信号，σ是噪声的系数，S(i)为含噪声的信号。

本发明中以一个最简单的噪声模型加以说明，即认为e(i)为高斯白噪声N(0,1)，噪声级(noise level)为1。在实际的工程应用中，有用信号通常是表现为低频部分或是一些比较平稳的信号，而噪声通常表现为高频的信号，所以消噪的过程可以按以下方法进行：首先对信号进行小波分解，则噪声部分通常包含在cD₁,cD₂,cD₃里，因而，可以以阈值形式对小波系数进行处理，然后对信号进行重构即可以达到消噪的目的。对信号S(i)消噪的目的就是要抑制信号中的噪声部分，从而在S(i)中恢复出真实信号f(i)。

一般来说，一维信号的消噪处理过程分为以下三个步骤进行：

a、一维信号的小波分解。选择一个小波并确定一个小波分解的层次N，然后对信号s进行N层小波分解。

b、小波分解高频系数的阈值量化。从第一层到第N层的每一层高频系数选择一个阈值进行软阈值量化处理。

c、一维小波的重建。根据小波分解的第N层的低频系数和经过量化处理后的第一层到第N层的高频系数，进行一维信号的小波重构。

⑥小波消噪阈值的选取规则

a、通用阈值T₁(Sqtwolog规则)

设含噪信号f(t)在尺度1到m(1<m<J)上通过小波分解得到小波系数的个数总和为n，J为二进尺度，附加噪声信号的标准差是σ，则通用阈值为：

$T_1=\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\ln \left(n\right)}---\left(12\right);$

该方法的依据为N个具有独立同分布的标准高斯变量中的最大值小于T₁的概率随着N的增大而趋于1。若被测信号含有独立同分布的噪声时，经小波分析后，其噪声部分的小波系数也是独立同分布的。如果具有独立同分布的噪声经小波分解后，它的系数序列长度N很大，则可知：该小波系数中最大值小于T₁的概率接近于1，即存在一个阈值T₁，使得该序列所有的小波系数都小于它。小波系数随着分解层次的加深，其长度也越来越短，根据T₁的计算公式，可知该阈值也越来越小，因此在假定噪声具有独立同分布特性的情况下，可通过设置简单的阈值来去除噪声。

b、Stein无偏风险阈值T₂(rigrsure规则)

这是一种基于stein的无偏似然估计原理的自适应阈值选择。对于一个给定的阈值t，得到它的似然估计，再将非似然t最小化，就得到所选的阈值。具体的选择规则为：设W为一向量，其元素为小波系数的平方并按照有大到小的顺序排列，即T₃、n的含义同上。再设一风险向量R，其元素为：

$r_i=[n-2i-(n-i)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_k]/n,i=\mathrm{1,2}....,n;$

以R元素中的最小值r_b作为风险值，有r_b的下标变量b求出对应的ω_n，则阈值T₂为：

$T_2=\mathrm{\&sigma;}\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_b}---\left(13\right).$

c、试探法的Stein无偏风险阈值T₃(heursure规则)

是前两种阈值的综合，是最优预测变量阈值选择。如果信噪比很小，SURE估计有很大的噪声，适合采用这种固定的阈值。具体的阈值选择规则为：

设W为n个小波系数的平方和，令：

σ＝middle(W_1,k,0≤k≤2^J-1-1)/0.6745，η＝(W-n)/n以及 $\mathrm{\&mu;}={\left(\mathrm{lo}{g}_{2}n\right)}^{3/2}\sqrt{n},$ 则有：

T₃＝T₁,η＜μ；T₃＝min(T₁,T₂),η＞μ (14)。

d、最大最小准则阈值T₄(minmax规则)

这种方法采用的也是固定阈值，产生一个最小均方误差的极值，而不是误差。这种极值原理在统计学上常备用来设计估计器。被去噪的信号可以被看作与未知回归函数的估计式相似，这种极值估计器可以在一个给定的函数集中实现最大均方误差最小化。具体的阈值选取规则为：

T₄＝0,n＜32；T₄＝σ(0.3936)+0.1829log₂n,n＞32 (15)；

σ＝middle(W_1,k,0≤k≤2^J-1-1)/0.6745；

在式(15)中，n作为小波系数的个数，σ为噪声信号的标准差，W_1,k表示尺度为1的小波系数，式中的σ的分子部分表示对分解出的第一级小波系数取绝对值后再取中值。

⑦小波基的选择

对应于特定的含噪图像，不同的小波基会产生不同的消噪效果，这是小波方法进行图像消噪中的一个关键问题。

小波基的选择涉及小波基的类型方面的问题。在同一幅图像中，既有平滑的区域，又有突变的区域。在平滑区域中，一般采用高正则阶、高消失矩的光滑小波基函数。因为选择具有较高阶消失矩的小波函数，能检测图像信号中更精细的奇异性，在重构时，图像中的细节才能得以更多的恢复。在突变区域中，要采用紧支撑的小波基。Daubechies基是具有紧支集的光滑正交小波基，和没有显示的解析式。Daubechies小波的光滑性由其支集的长度N来确定，通过合理选择N值的大小，既可以保证计算的复杂程度相对较小，又保证了图像信号分析中的空间局部化要求。Daubechies小波基函数兼顾了内积计算快速，基函数的叠加快速，良好的空间局部化和良好的频率局部化，保证了图像信号展开和重构的低复杂度，保证了图像信号中主要成分和模式的识别。

⑵校正标准谱的建立

现代近红外光谱是一种间接分析技术，是通过校正模型的建立，实现定量分析。建立光谱与待测参数之间的对应关系(称为分析模型)，依据检测光谱与校正标准谱的对应关系，就能很快得到所需要的质量参数数据。校正标准谱的建立是通过化学计量学软件实现的，严格依据ASTM-6500标准。

校正标准谱的建立依据实际检测浓度范围和检测精度来合理建立，在用于低浓度检测时，我们采用50PPM的标准气体进行标定测试来建立校正标准谱，当然也可根据系统内存的大小建立多个校正标准谱。

为工厂化生产，我们将传感器探头进行改进，将标准气瓶嵌入到传感器中，大大简化了标定工作，便于工厂流水线作业。

⑶偏非线性最小二次拟合计算(浓度计算)

气体浓度反演的理论基础是Lambert-beer定律。光源发出的光在大气传输时被气体分子吸收，我们假设积分路径上的大气各向同性且处于热平衡状态，则有下式：

I(λ)＝I0(λ)exp[－A(λ)] (16)；

A(λ)＝σ(λ)CL (17)；

式(16)和(17)中：

I0(λ)是光源发出的光未经过气体吸收的光强度，称作背景光谱；

I(λ)是经过气体吸收后的光强度，称为测量光谱；

I(λ)/I0(λ)称为透过率谱，记为τ(λ)；A(λ)称为吸光度；

L表示光程长度；C是路径上吸收分子的浓度；

σ(λ)为标准气体状态下，与测量仪器无关的气体碰撞展宽吸收光谱的分子吸收系数，不同分子具有不同的特征σ(λ)，因此可以通过对吸光度(或者透过率)的测量来获得吸收分子的浓度。

我们使用Marquardt非线性最小二乘法，将标准谱与实际测量得到的测量谱进行拟合，最后得到实际气体浓度的最优解。非线性最小二乘法是一个迭代过程，输入初始浓度值，通过迭代计算，直接完成标准光谱和测量光谱的拟合，直到标准光谱和测量光谱之间的残差接近到可接受的最小量为止，优值函数的表达式如下：

${\mathrm{\&chi;}}^2\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[{\mathrm{\&tau;}}_j-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{cal}}({\mathrm{\&upsi;}}_j,\mathrm{\&alpha;})]}^2---\left(18\right);$

式(18)中：

τ_j表示透过率光谱；

τ_cal(υ_j，α)表示计算的透过率谱；

j对应于光谱中第j数据点；

α为浓度参数，包括各条谱线的位置、线强S和压力展宽系数γL0，它们影响透过率τ_cal(υ_j，α)的计算。参见图10。

Claims (7)

1.一种可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，包括配合安装的多类型检测传感器探头和检测仪主机，该检测仪主机的外部具有壳体；在所述检测仪主机的壳体内部配合安装有激光器、电路板、供电电池以及设置在所述壳体外部的显示屏、报警器和通信接口；

通过检测仪主机，连接检测传感器探头，采用半导体激光器的光调制技术进行光调制，用调制光检测，再经光谱分析后进行浓度计算。

2.根据权利要求1所述的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，所述检测仪主机，包括中央处理机，可进行光调制的激光器，依次自待检测光源连接至所述检测传感器探头、传感器、放大及滤波模块和数据采集模块；

依次自所述检测扫描、采样控制模块，接至所述光调制模块、激光器控制模块、A/D采集模块；

依次自所述中央处理机连接至检测扫描、采样控制模块；

所述光电传感器对检测调制光进行光电转换后的预处理，包括自平衡检测、锁相放大及滤波；

所述数据采集对光电传感器且经预处理的信号进行数字化采集，并贮存至中央处理机的存贮器中；

和/或，

所述中央处理机对数据采集系统采样得到的数据进行处理的操作，具体包括：对检测得到的调制图谱数据进行小波分析；依据Lambert-beer定律，使用Marquardt非线性最小二乘法，将标准谱与实际测量得到的测量谱进行拟合，得到实际气体浓度的最优解。

3.根据权利要求2所述的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，所述中央处理机，包括CPU板，以及设置在CPU外围、且通过DIMM200插槽与CPU板相连接的功能板；所述功能板，能够实现检测光控制及数据采集系统的所用功能的功能板。

4.根据权利要求3所述的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，所述CPU板包括ARM和DSP微处理芯片，以及分别与所述ARM和DSP微处理芯片连接的存储器、时钟电路和供电电源模块；

和/或，

所述功能板，包括能够对半导体激光器进行驱动和控制的激光控制器，能够与所述激光控制器连接的激光调制电路，能够与所述激光控制器、数据采集连接的检测扫描采样控制电路，A/D数据采集电路，以及分别与所述供电电源模块、显示屏、报警器和通信接口连接的相应功能接口。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，所述传感器，具体为采用空间反射结构的长光程光谱吸收式气体传感器探头；开放式气体传感器探头；设备标定传感器探头；液体传感器探头。

6.根据权利要求5所述的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，所述采用空间反射结构的长光程光谱吸收式气体传感器，包括传感器壳体，安装在所述传感器壳体内部的传感器芯体，安装在所述传感器芯体两端的一对橡胶固定垫，以及套装在所述传感器芯体上的防尘防潮网；在所述传感器芯体内安装有激光发射、接收头、反射棱镜组及薄膜遮光片；所述防尘防潮滤网，具体是套装在传感器支架上的双层柔性材料网，两层中间含有防潮材料，在整体传感器结构中是套装在芯体两端橡胶垫之间的位置；

安装时，通过在所述传感器芯体两端安装一对橡胶固定垫后，再将安装有一对橡胶固定垫的传感器芯体安装在传感器壳体内。

7.根据权利要求6所述的可用于气体及液体检测的光谱分析型高精度在线检测仪，其特征在于，所述传感器芯体，包括芯体主构件支架，还包括反射棱镜与激光发射、接收头，用于固定所述反射棱镜与激光发射、接收头的支架、金属固定板、橡胶垫，以及安装在所述反射棱镜与芯体主构件之间的薄膜垫片；

组装时，分为芯体组装和传感器组装两部分；芯体组装时，将激光发射、接收头通过螺纹拧接到激光发射、接收头及小棱镜支架上，在传感器支架的一端放置薄膜垫片及小棱镜组，再安装激光发射、接收头及小棱镜支架，通过所述金属固定板及橡胶垫固定在传感器支架上，在传感器支架的另一端放置薄膜垫片及大棱镜，再安装大棱镜支架，最后通过所述金属固定板及橡胶垫将大棱镜固定在传感器支架上，完成芯体组装；传感器组装时，将防尘防潮滤网套装在芯体上，在芯体两端安装橡胶垫后，安装于传感器的金属罩网内，再安装传感器联接件，用8个小螺钉将传感器联接件与金属罩网固定，捋顺好光纤，将橡胶封头安装于传感器联接件中即完成传感器的组装；和/或，

所述传感器芯体与传感器壳体之间采用柔性联接；和/或，

所述反射棱镜与芯体结构支架之间采用薄膜垫片联接；和/或，

所述反射棱镜的反射面采用空间反射结构，所述空间反射结构，具体为：以俯视平面为水平面说明空间反射，检测激光从发射头发出后经大棱镜水平反射至接收头端的第一个小棱镜，此小棱镜进行向上垂直反射至大棱镜，大棱镜再水平反向反射，再至发射端的第一个小棱镜，该小棱镜再向上垂直反射至大棱镜，此理，经过所有小棱镜反射后，最后经大棱镜反射回激光接收头；以四个小棱镜计算，光程为反射腔距离的10倍；根据光程需求能够增减小棱镜数量；和/或，

所述传感器支架采用高强度光路元器件支架，使光纤探头、反射棱镜和传感器支架形成一个抗震整体；和/或，

所述激光发射、接收头，采用小型渐变折射率透镜；和/或，

所述反射棱镜的数量及大小根据实际需求确定：当光程低于1M时，采用一大两小反射棱镜；当光程大于1M时，采用一大四小反射棱镜，还能够根据光程需求增加反射镜数量。