：本發(fā)明屬于環(huán)境氣體檢測領域，具體涉及一種大氣環(huán)境氣體CO和CH4的開放式長光程在線檢測儀器。

背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏的加快，大氣環(huán)境污染越來越嚴重，其中來源于燃煤和機動車尾氣的CO是大氣重要污染物之一，是研究污染物在大氣中轉(zhuǎn)化、輸送與再分布的重要示蹤物；盡管CO本身并不是溫室效應的直接貢獻者，但它與OH自由基的化學反應控制著CO2、CH4、O3等其它溫室氣體的濃度分布與變化，甲烷（CH4）是大氣含量僅次于CO2的溫室氣體，屬于碳氫化合物，化學性質(zhì)較穩(wěn)定，能夠強烈地吸收地球長波輻射而具溫室效應，進而對全球氣候產(chǎn)生重大影響，因此大氣CO和CH4濃度的觀測研究工作非常必要。目前在國內(nèi)進行氣體檢測的方法主要分為電學式氣體檢測法、光學式氣體檢測法、電化學式氣體檢測法、氣相色譜法和高分子材料氣體檢測法等。電學式氣體檢測法是通過檢測與氣體濃度有關(guān)的電學性質(zhì)的變化來獲知氣體的濃度。光學式氣體檢測法是通過對氣體的光學特性的測量，來鑒別氣體并檢測其濃度，根據(jù)所利用光學性質(zhì)的不同，這類光學法的氣體傳感器大致可分為光譜吸收型、光離子化型、光干涉型、熒光型以及化學發(fā)光式等。其中光譜吸收型氣體檢測是根據(jù)氣體的特征吸收光譜來鑒別并分析其濃度的，其原理是：不同氣體的特征吸收光譜不同，且各種氣體在各自不同的特征吸收光譜的吸光度與氣體的濃度成一定的關(guān)系，當有光照射充有被測氣體的氣室時，光源波長處在其特征波長處的氣體組分吸收一部分光，入射光強、反射光強和特征波長氣體組分之間的關(guān)系遵循Lambert-Beer定律。光譜吸收式氣體傳感器的發(fā)展趨勢正朝著智能化、實用化、市場化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)電化學傳感器可分為三種類型：金屬氧化物半導體型、電化學固體電解質(zhì)型和電化學固體高分子電解質(zhì)型等。它們的缺點是輸出信號與氣體體積分數(shù)為線性關(guān)系；不適宜用在高體積分數(shù)的氣體檢測；靈敏度、選擇性較差等。不同的氣體通過色譜柱的速度不同，測量其速度就能獲知氣體濃度信息，這就是氣相色譜法原理。非光學類氣體傳感器均具有穩(wěn)定性差、易中毒、檢測需要進行采樣和預處理的缺點，降低了系統(tǒng)檢測的實時性和準確性，而且干擾成分很多，有時交叉干擾根本無法避免，很難做到在線監(jiān)測，系統(tǒng)維護也比較復雜。與非光學法相比光學法檢測氣體濃度具有許多優(yōu)點，如可以達到遠距離準確測量及在線監(jiān)測、系統(tǒng)穩(wěn)定，不易受到干擾，靈敏度高，響應度快，安全可靠，耐高溫，耐腐蝕，并且維護工作量小等。特別是基于氣體近紅外光譜吸收技術(shù)的氣體傳感器可以實現(xiàn)對氣體的高靈敏度快速檢測，除上述優(yōu)點以外還有選擇性強、使用壽命長、標定簡單、造價低、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。雖然，國外對于氣體檢測技術(shù)的研究和應用，一些發(fā)達國家起步比較早，研究出了很多的氣體檢測方法，并有一些已經(jīng)應用到實踐中。但是考慮到目前國內(nèi)的氣體濃度檢測儀市場，都是一些國外的產(chǎn)品所占據(jù)著，雖然靈敏度高、響應速度快、可連續(xù)監(jiān)測、安全可靠，但其價格相當昂貴，在國內(nèi)研發(fā)氣體檢測儀器還是勢在必行的。開放式長光程CO和CH4在線監(jiān)測儀就是基于可調(diào)諧半導體激光光譜技術(shù)(TDLAS)，非接觸式在線自動監(jiān)測大氣污染物CO和CH4的分析儀器，具有實時在線、同時監(jiān)測等特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：為克服現(xiàn)有技術(shù)的一些弊端和市場上氣體檢測儀器的的缺陷，本發(fā)明提出一種開放式長光程CO和CH4監(jiān)測儀器，基于開放光路的長光程吸收光譜技術(shù)，采用可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)和DFB激光器波長鎖定技術(shù)，利用一臺激光器全波段掃描CO、CH4兩種氣體吸收，通過對CO和CH4氣體分子的吸收光譜進行多參數(shù)擬合算法實現(xiàn)對目標氣體的定性或者定量分析。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種開放式長光程CO和CH4監(jiān)測儀器，包括主機箱以及開放式長光程光路，所述的主機箱內(nèi)安裝有中心波長為2344mm的近紅外DFB半導體激光器以及相應的激光器電流控制和溫度控制模塊，還安裝有信號發(fā)生電路，所述的激光器溫度控制模塊的輸出端與所述的DFB半導體激光器的溫度控制端的輸入端電相連，所述的信號發(fā)生電路的輸出端和所述激光器電流控制和溫度控制模塊的輸入端電相連；所述的信號發(fā)生電路的輸入端與電子硬件控制電路相連，所述的主機箱內(nèi)還安裝有離軸拋物面鏡，所述的近紅外DFB半導體激光器和所述的離軸拋物面之間的光路上安裝有位置高度可調(diào)的標氣池，所述的離軸拋物面鏡焦點上安裝有位置高度可調(diào)的光電探測器，將DFB近紅外半導體激光器輸出激光中心波長調(diào)諧到2344nm作為CO和CH4的檢測激光光源，同時，將信號發(fā)生電路產(chǎn)生的調(diào)制信號疊加在激光器電流控制和溫度控制模塊上，所述的DFB近紅外半導體激光器發(fā)射的2344nm波長的激光經(jīng)反射式光纖準直耦合器耦合為準直激光，所述的準直激光經(jīng)離軸拋物面鏡的中心孔進入開放式長光程光路，并被開放式長光程光路的角發(fā)射鏡反射后沿原光路返回，獲得CO和CH4氣體的吸收光譜信息，反射回來的激光被主機箱內(nèi)的離軸拋物面鏡聚集到到光電探測器上，光電探測器光纖連接信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路電連接電子硬件控制電路，所述的電子硬件控制電路和上位機之間數(shù)據(jù)通信；所述電子硬件控制電路基于單片機，所述的單片機結(jié)合多光譜擬合算法計算CO和CH4氣體的吸收光譜信息反演出CO和CH4氣體的柱濃度，在上位機的開放式長光程氣體監(jiān)測儀在線監(jiān)測軟件上顯示管理。所述的主機箱包括上蓋、下蓋、前面板、后面板組成，所述的后面板中間連接有延伸到主機箱內(nèi)的連接桿，所述反射式光纖準直耦合器、離軸拋物面鏡、都和連接桿同高度，所述的標氣池工作時位置調(diào)節(jié)和連接桿同高度；所述的主機箱上還設置有電源、電源開關(guān)以及和上位機之間連接的串口。所述的前面板上，安裝楔形窗片一，楔形窗片一傾斜角度為8°；所述的后面板上還安裝有后面板安裝電源開關(guān)，串口通訊接口，以及電源輸入接頭；沿所述的離拋物面鏡光路主軸方向，內(nèi)部固定安裝一個直徑略大于離拋物面鏡鏡片直徑的套筒，表面發(fā)黑；所述的調(diào)整架可進行水平角度和俯仰的調(diào)節(jié)；所述的的標氣池和光電探測器位置可調(diào)通過其螺紋安裝在下蓋上的支撐架實現(xiàn)；所述的主機箱上面固定有調(diào)節(jié)光路的望遠鏡系統(tǒng)，所述的反射式光纖準直耦合器和離軸拋物面鏡上分別有連接下蓋的支撐架支撐。所述的開放式長光程光路由楔形窗片一、楔形窗片二以及角反射鏡構(gòu)成，所述的楔形窗片一安裝在所述的主機箱激光出射窗口上，所述的楔形窗片二安裝在角反射鏡前端，所述的楔形窗片一、楔形窗片二以及角反射鏡均在激光器的主光路上，所述的楔形窗片一、楔形窗片二與激光器主光路不垂直。在測量時，激光器發(fā)射的激光經(jīng)光纖傳輸至反射式光纖準直耦合器，準直后的激光依次經(jīng)過離軸拋物面反射鏡的中心孔、楔形窗片一、大氣、楔形窗片二到角反射鏡，再經(jīng)角反射鏡反射后經(jīng)過楔形窗片二、大氣、楔形窗片一至離軸拋物面反射鏡，再由離軸拋物面反射鏡反射至探測器進行光信號的采集。所述的離軸拋物面后設有位置高度可調(diào)的反射鏡一，在校準時，將標氣池和反射鏡自動升到激光所在的主光路上，激光器發(fā)射的激光經(jīng)光纖傳輸至反射式光纖準直耦合器，準直后的激光經(jīng)過通有標氣的標氣池，再經(jīng)過離軸拋物面反射鏡的中心孔后至反射鏡，再由反射鏡將光反射至探測器上，進行光信號的探測，反射鏡和探測器均可調(diào)節(jié)。所述的電子硬件控制板電路通過采用單片機實現(xiàn)，所述的單片機程序可以實現(xiàn)向上位機傳送信息、控制產(chǎn)生調(diào)制信號、采集調(diào)理后的信號、進行譜線擬合各柱濃度的計算四大功能，所述的上位機上有自主研發(fā)的開放式長光程氣體監(jiān)測儀在線監(jiān)測軟件，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)自檢、采集、處理、顯示、數(shù)據(jù)管理功能；本系統(tǒng)的設計原理在于：本系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，利用空氣中開放長光程CO在紅外可見波段（2334nm）的吸收，結(jié)合CH4氣體分子在此激光掃描頻率下的特征吸收線，采用光譜擬合算法，得到CO和CH4兩種氣體分子的吸光度，再進行反演計算，得到空氣中的CO和CH4兩種氣體的柱濃度，實時將柱濃度結(jié)果和光強參數(shù)通過串口輸出到上位機。本系統(tǒng)采用具有發(fā)射紅外可見波段（2334nm）的激光光源，激光光源所發(fā)射的激光經(jīng)開放的長光程大氣中的吸收后傳輸至角鏡，所述的角鏡反射激光后進入儀器的光學系統(tǒng)，通過儀器光學系統(tǒng)的聚焦，進入探測器，所述的探測器將光譜信號轉(zhuǎn)為電信號并進行信號的調(diào)理，數(shù)字化之后，經(jīng)反演、分析以后就能得到此開放光路下CO和CH4氣體的吸光度，計算得柱濃度并傳到上位機。（1）基于開放光路的長光程吸收光譜技術(shù)。根據(jù)Beer－Lambert吸收定律知，系統(tǒng)的檢測靈敏度與光程L有關(guān)，光程越長，檢測的靈敏度越高。開放光路可以在大范圍內(nèi)獲得污染氣體濃度，所以減小了局部濃度波動的影響；長光程吸收光譜技術(shù)通過增加吸收光程，從而提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度。（2）基于可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)和DFB激光器波長鎖定技術(shù)。將先進的電流和溫度的閉環(huán)控制技術(shù)應用于DFB激光器波長的鎖定，使用在可調(diào)諧半導體激光的氣體吸收光譜技術(shù)中，能大幅度提高DFB激光器波長的穩(wěn)定性。（3）基于光譜的多參數(shù)擬合技術(shù)?；贑O和CH4氣體分子吸收光譜的多參數(shù)擬合技術(shù)，采用了洛倫茲線型擬合CO吸收峰和多個CH4吸收峰，算法使用多個參數(shù)進行光譜的擬合，使得算法本身非常的穩(wěn)定，修正了溫度和氣壓的影響，大大提高氣體吸收光譜的精度和分辨率。本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：（1）基于DFB激光器波長鎖定電流和溫度的閉環(huán)控制技術(shù)，采用一臺激光器全波段可以掃描到CO、CH4兩種氣體吸收，并采用開放光路檢測，具有較高靈敏度和分辨率，適合于常規(guī)空氣質(zhì)量中CO和CH4的在線監(jiān)測。（2）結(jié)合多光擬合算法，對CO和CH4吸收光譜進行多參數(shù)擬合，進而計算反演出CO和CH4的柱濃度，具有選擇性好、靈敏度高、精度高的特點。（3）采用控制位置可調(diào)的標氣池、光電探測器以及反射鏡，增加了儀器的靈活性，為儀器小型化、便捷化發(fā)展提供了基礎。本發(fā)明采用中心波長2334nm的DFB半導體紅外激光器，研制完成的高精度開放式長光程CO和CH4在線監(jiān)測儀器，具有快速在線非接觸測量、操作簡單、線性誤差的特點，其最小檢測限、響應時間等關(guān)鍵指標達到或優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。附圖說明：圖1為本發(fā)明原理圖；圖2為本發(fā)明的實物圖；圖3為本發(fā)明的測量示意圖；圖4為本發(fā)明的氣體校準示意圖；其中，1、激光器，4離軸拋物面反射鏡，5楔形窗片一，6楔形窗片二，7角反射鏡，探測器3，標氣池8和反射鏡9；圖5為本發(fā)明的工作流程圖；圖6為本發(fā)明的上位機上的監(jiān)測儀軟件界面；圖7為本發(fā)明的上位機上的監(jiān)測儀軟件工作流程圖。具體實施方式如圖1所示，一種開放式長光程CO和CH4監(jiān)測儀器，包括主機箱以及開放式長光程光路，所述的主機箱內(nèi)安裝有中心波長為2344mm的近紅外DFB半導體激光器以及相應的激光器電路控制和溫度控制模塊，以及與所述的激光器電流控制和溫度控制模塊電連接的信號發(fā)生電路，所述的激光器溫度控制模塊的輸出端與所述的DFB半導體激光器的溫度控制端的輸入端電相連，所述的信號發(fā)生電路的輸出端和所述激光器電流控制和溫度控制模塊的輸入端電相連；所述的信號發(fā)生電路的輸入端與電子硬件控制電路板相連，所述的主機箱內(nèi)還安裝有離軸拋物面鏡，所述的近紅外DFB半導體激光器和所述的離軸拋物面之間的光路上安裝有位置可調(diào)的標氣池，所述的離軸拋物面鏡焦點上安裝有位置可調(diào)的光電探測器，將DFB近紅外半導體激光器輸出中心波長調(diào)諧到2344nm作為CO和CH4的檢測激光光源，同時，將信號發(fā)生電路產(chǎn)生的500Hz的鋸齒波調(diào)制信號疊加在激光器的激光器電流控制和溫度控制模塊上，所述的DFB近紅外半導體激光器發(fā)射的2344nm波長的激光經(jīng)反射式光纖準直耦合器為準直激光，所述的準直激光經(jīng)離軸拋物面鏡的中心孔進入開放式長光程光路對開放式長光程光路中的CO和CH4氣體進行吸收光譜的掃描，并被開放式長光程光路的角發(fā)射鏡反射后沿原光路返回，反射回來的激光被主機箱內(nèi)的離軸拋物面鏡聚集到到光電探測器上，光電探測器光纖連接信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路電連接電子硬件控制電路，所述的電子硬件控制板電路和上位機之間數(shù)據(jù)通信；所述電子硬件電路基于單片機，所述的單片機結(jié)合多光譜擬合算法計算反演出CO和CH4氣體的柱濃度，在上位機自主研發(fā)的開放式長光程氣體監(jiān)測儀在線監(jiān)測軟件上顯示管理。如圖2所示為為儀器的整體圖，包括調(diào)整支架以及安裝在調(diào)整支架上主機箱，所述的主機箱采用多邊形外形結(jié)構(gòu)，所述的主機箱有上蓋、下蓋、前面板、后面板拼接而成，前后面板采用10mm厚鋁板車銑，上下蓋板由2mm厚鈑金件折彎而成。上蓋板前沿做防雜散光處理，望遠鏡固定在儀器正上方，用于調(diào)節(jié)光路。所述的前面板上，安裝石英玻璃窗片，窗片傾斜角度為8°；所述的后面板上還安裝有后面板安裝電源開關(guān)，串口通訊接口，以及電源輸入接頭；沿所述的離拋物面鏡光路主軸方向，內(nèi)部固定安裝一個直徑略大于離拋物面鏡鏡片直徑的套筒，表面發(fā)黑，消除雜散光對光學系統(tǒng)的影響；所述的調(diào)整架可進行水平角度和俯仰的調(diào)節(jié)；所述的的標氣池和光電探測器位置可調(diào)通過其螺紋安裝在下蓋上的支撐架實現(xiàn)；所述的主機箱上面固定有調(diào)節(jié)的光路望遠鏡。所述的后面板中間連接有延伸到主機箱內(nèi)的連接桿，和連接桿同高度的位置上，還依次設置有反射式光纖準直耦合器，離軸拋物面鏡，所述的反射式光纖準直耦合器和離軸拋物面鏡分別有連接下蓋的支撐架支撐，所述的主機箱內(nèi)還設置有中心波長2334nm的DFB半導體紅外激光器，以及相應的電流控制模塊和信號發(fā)生電路；還包括與離軸拋物面鏡主軸光線對應的角反射鏡；以及離軸拋物面鏡斜下方的光電探測器；所述的離軸拋物面鏡中心開設有激光通過孔；所述的反射式光纖耦合器的反射鏡的焦距在一個寬的波長范圍內(nèi)保持不變。如圖3所示，在測量時，激光器發(fā)射的激光經(jīng)光纖傳輸至反射式光纖準直耦合器，準直后的激光依次經(jīng)過離軸拋物面反射鏡的中心孔、楔形窗片一、大氣、楔形窗片二到角反射鏡，再經(jīng)角反射鏡反射后經(jīng)過楔形窗片二、大氣、楔形窗片一至離軸拋物面反射鏡，再由離軸拋物面反射鏡反射至探測器進行光信號的采集，其中，楔形窗片一和楔形窗片二安裝時與激光器主光路不垂直，而是成一個不等于90度的角，探測器可調(diào)節(jié)。如圖4所示，在校準時，將標氣池和反射鏡自動升到激光所在的主光路上，如圖所示，其工作原理是：激光器發(fā)射的激光經(jīng)光纖傳輸至反射式光纖準直耦合器，準直后的激光經(jīng)過通有標氣的標氣池，再經(jīng)過離軸拋物面反射鏡的中心孔后至反射鏡，再由反射鏡將光反射至探測器上，進行光信號的探測，反射鏡9和探測器3均可調(diào)節(jié)。所述的電子硬件控制板電路通過采用單片機實現(xiàn)，如所述的單片機程序可以實現(xiàn)控制產(chǎn)生調(diào)制信號、采集調(diào)理后的信號、進行譜線擬合各柱濃度、向上位機傳送信息的計算四大功能，所述的上位機上有自主研發(fā)的開放式長光程氣體監(jiān)測儀在線監(jiān)測軟件，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)自檢、采集、處理、顯示、數(shù)據(jù)管理功能；其中，電子硬件電路板控制信號發(fā)生電路產(chǎn)生激光器的掃描波形信號，產(chǎn)生的是約500Hz的鋸齒波，該鋸齒波信號加載到激光器電路和溫度控制模塊上，實現(xiàn)波形的幅值和偏移調(diào)節(jié)，以得到合適的激光器掃描波長范圍。選用的電流模塊控制精度為0.1%，溫度控制精度為0.01℃，滿足濃度反演所需的精度要求。所述的數(shù)據(jù)采集模塊采用DMA模式，減輕了單片機運算壓力，使之有更多能力進行光譜的擬合，所述的數(shù)據(jù)采集電路連接的信號調(diào)理電路為集成的低噪聲電路，實現(xiàn)探測器的弱電流到電壓的轉(zhuǎn)換和信號濾波調(diào)理等功能。所述的單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊單元將處理后的數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議格式(#CO濃度值|CH4濃度值|光強值|)，由USB線直接傳到上位機。如圖5所示為，本發(fā)明工作流程圖，開機，運行激光器至波長穩(wěn)定，開始數(shù)據(jù)采集及處理和輸送，直至完成測量，關(guān)閉激光器及相關(guān)電供設備。如圖6所示為開放式長光程CO監(jiān)測儀在線監(jiān)測軟件的界面，該軟件可以完成對CO監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)系統(tǒng)自檢、采集、處理、顯示、數(shù)據(jù)管理功能。圖7為開放式長光程CO監(jiān)測儀在線監(jiān)測軟件流程圖。