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的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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C02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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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！
[0012] 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。
[0013] 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(0M - 0F)，且 对所有入射的平行光均相同。当光程差八1 = 21(入/2)(1 = 0，±1，±2，±3，?）时，两 光束相干增强；当光程差Δ 1 = (2i+l) (λ /2) (i = 0，±1，±2，±3，…）时，两光束相干 减弱；写成公式为：
[0014]
【权利要求】
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。
【文档编号】G01N21/39GK104062264SQ201410329332
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】刘颖东, 樊忠泽 申请人:刘颖东, 樊忠泽