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按照国际标准化组织（ISO）代号ISO 15839—2006《水质-在线传感器/分析设备的规范及性能检验》标准的定义：“在线分析传感器/设备（on-line sensor/analyzing equipment）是一种自动测量设备，可以连续（或以给定频率）输出与溶液中测量到的一种或多种被测物的数值成比例的信号。”根据定义，在线水质分析仪的分类，除了可以用表1.1的应用行业进行分类，如污水表、环境监测类仪表，还可以有以下3种分类：
①根据核心分析部件的类型，在线水质分析仪可以分为传感器（sensor）和分析仪（analyzer）两类。水质传感器是指能感受溶液中被测量物质并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。一般而言，传感器比较小巧，直接接触待测水样，实现连续测量。早期的在线水质分析仪，大多数属于传感器类，比如pH、电导率、ORP、溶解氧等。为了让测量信号直观显示为待测量物质浓度，并根据输出信号实现自动化控制，在实际应用上配合传感器使用的还会有一个控制器，俗称二次表。但是，随着人们对在线水质分析仪需求的扩展，一方面应用的环境越来越复杂和恶劣，很多时候需要对样品进行预处理，如降温、减压、除油、沉降等；另一方面越来越多的参数涉及复杂的分析过程，简单的传感器无法实现测量这类参数的需求。因此人们开始开发了结构相对复杂在线水质分析仪，其一般具备自动采样、自动预处理、周期性分析、仪器自带显示和信号传输的特点。大多数环境检测领域的在线水质分析仪都属于这一类别，比如TOC、COD、氨氮、总磷、总氮等。
②根据应用目的的不同，在线水质分析仪又可以分为过程型和监测型两大类。过程型分析仪器主要用于水处理工艺过程，所测量的水质参数会用于，甚至直接参与过程控制，以优化水处理工艺、提升水处理效率，在保证末端水质达标的前提下，实现水处理过程节能降耗的目的。过程型分析仪器更多要求原位、实时、连续监测，对仪器的可靠性、测量速度要求较高，这类仪表主要集中在工业和水处理行业。监测型分析仪器主要以获取水质参数数据为目的，以判断水质是否达到法规的要求，不参与水处理工艺过程控制。监测型分析仪器对测量数据的准确度要求较高，数据可以作为有关部门进行执法管理的依据，对检测原理和方法有一定要求，尽可能采用成熟的分析技术，甚至与国际、国内的标准分析仪方法一致。同一台仪表在不同的应用领域可能分属不同类别，比如浊度，在饮用水工艺中属于过程型，但是在地表水监测中属于监测型。
③根据安装方式的不同，在线水质分析仪可以分为原位（in-situ）安装方式和取样式（on line）安装方式两大类。原位安装方式是指采用原位测量分析，分析仪直接安装在待测水样的环境中，这种类型的安装方式主要是传感器类。取样式安装方式是指样品通过主动或被动的方式定量送到安装在现场的在线分析仪的安装方式。采用原位安装方式的传感器，具有分析数据直接反映样品特点、响应速度快等优点，缺点是对传感器的材质要求较高，较难设计自清洗、自校准等功能；后者采样及预处理过程可能会引入误差，分析周期较长，但功能上较为完备，降低后期的运维时间。
作为分析仪器的一个类型，在线水质分析仪的分析技术主要源于实验室分析技术，在实验室方法应用成熟后往往会被开发为在线分析仪。以最早开始应用，范围也最广的在线pH分析仪为例，pH的概念和定义由丹麦学者索伦森教授于1909年提出，世界上第一台商业pH计由美国化学家阿诺德·贝克曼博士于1936年研制生产，其传感器是基于电化学玻璃电极原理的pH电极。20世纪40年代末，随着自动化控制的兴起，基于电化学玻璃电极法的在线pH分析仪诞生了。
由于在线水质分析仪在制造工艺上要兼顾自动化要求和复杂现场工况的要求，并不是所有的实验室方法都适合作为在线水质分析仪器的分析技术。目前主要的分析技术如下。
电化学分析法是仪器分析一个很重要的组成部分，它是基于物质在电化学池中电化学性质及变化规律进行分析的一种方法，通常以电位、电流、电荷量和电导等电化学参数与被测量物质的量之间的关系作为计量基础。目前基于电化学分析法的在线水质分析仪器，有以下四大类：
1）离子选择性电极：将一个指示电极和一个参比电极与溶液组成电池，指示电极的电位与溶液中待测物质的浓度直接相关。它又可分为原电极（primary electrode）和敏化电极（sen sitized electrode）。前者是电极敏感膜直接与溶液接触，敏感膜产生的电位与待测离子浓度相关，比如玻璃电极。后者是在原电极的基础上装配了敏化膜，溶液中的待测物质在敏化膜上或敏化膜内改变某个特征量，原电极通过测量这个特征量的变化来得到待测物质的浓度，比如气敏电极和酶电极。离子选择性电极的典型代表是pH电极，可以把它理解为氢离子选择性电极。目前采用离子选择性电极法的在线水质分析仪有pH、氯离子、铵离子、氨氮、硝酸根离子、氟化物、余氯/二氧化氯/臭氧、钠离子、溶解氧等分析仪。
2）电位滴定：在指示电极、参比电极和待测溶液组成的测量系统中，定量加入滴定剂，在化学计量点附近，由于被滴定物质的浓度发生突变，指示电极的电位随之产生突跃，由此即可得到滴定终点。可以认为电位滴定法的电位变化代替了经典手工滴定法指示剂颜色变化确定终点。目前采用电位滴定法的在线水质分析仪有硫酸盐、硫化物、氯离子、高锰酸盐指数、硬度、挥发性脂肪酸（VFA）等。
3）溶出伏安法：先将被测物质以某种方式富集在电极表面，而后借助线性电位扫描或脉冲技术将电极表面富集的物质溶出，根据溶出过程得到电流-电位曲线来进行分析。目前采用阳极溶出法的在线水质分析仪主要用于测定水中重金属，如汞、铅、砷、锑、铜、锌、银等。
4）电导法：通过测量溶液的电导来分析被测物质含量的电化学分析方法。目前采用电导法在线水质分析仪有电导率仪、纯水TOC分析仪。
光学分析仪是基于分析物和电磁辐射相互作用产生辐射信号的变化。光学分析法又可分为光谱法和非光谱法，前者测量信号是物质内部能级跃迁所产生的发射、吸收等光谱的波长和强度；后者不涉及能级跃迁，不以波长为特征信号，如折射、干涉等。基于光学分析法的在线水质分析仪器近年来发展迅猛，是在线水质分析仪器中最大的一类。
目前广泛使用的基于光谱法的在线水质分析仪，根据光谱类型，主要分为3类：
1）紫外-可见吸收光谱法：基于物质对200~400nm紫外光谱区和400~800nm可见光谱区辐射的吸收特性建立起来的分析测定方法，又称为紫外-可见分光光度法。分光光度法的定量基础是Lambert-Beer定律，即在一定波长处被测物质的吸光度与其浓度成线性。目前常见的采用分光光度法的在线水质分析仪有COD，以及总磷、总氮、氨氮、金属离子（铁、铜、铬）、色度等分析仪。
2）红外吸收光谱法：利用物质分子对红外辐射的特征吸收建立起来的方法。该方法的定量分析同样基于Lambert-Beer定律。目前常见的采用红外吸收光谱法的在线水质分析仪有TOC、水中油等分析仪。
3）荧光光谱法：基于原子核外层电子吸收特征频率的光辐射后，发射出荧光进行分析。根据激发光的类型，又可分为紫外荧光、X射线荧光等。目前常见的采用荧光光谱技术的在线水质分析仪有水中油、叶绿素、蓝绿藻等传感器。
非光谱法的在线水质分析仪中的应用主要采用散射光原理，也称比浊法。该方法通过胶体溶液或悬浮液后的散射光强度来进行定量分析。目前常见的采用比浊法的水质在线分析仪有浊度仪、悬浮物浓度计（污泥浓度计）、水中油等。
色谱技术是基于物质在吸附剂、分离介质或分离材料上的物理化学性质差异（如吸附、溶解度、离子交换等）而实现不同物质的分离的一项技术，因此本质上色谱是一种分离技术。但是该分离技术与不同的化学分析技术结合，可实现对多种（性质相近）混合物质的分析。虽然与色谱法结合的化学分析技术就是常用的仪器分析法检测技术，但两者在设计上相差很大，因此色谱分析技术被视为一种独立的分析技术。
色谱技术用于在线仪器已经有很长的时间，工业色谱广泛地应用于石油化工、冶金等行业。在水质分析领域采用色谱技术，主要有两类：
1）气相色谱法：以气体为流动相，利用不同物质在色谱柱中分配系数/吸附能力的不同实现分离技术。目前在水质分析领域采用该方法的在线分析仪器有VOCs（挥发性有机物）分析仪。
2）离子色谱法：利用离子交换原理，对水样中共存的多种阴离子或阳离子进行分离、定性和定量的方法。目前在水质分析领域采用该方法的在线分析仪器，主要用于部分阴阳离子的检测，如氯离子、氯酸盐、亚氯酸盐、溴酸盐、氰化物、钾离子、钠离子等。
在线水质分析仪器是一类专门的自动化在线分析仪表，仪器通过实时、现场操作，实现从水样采集到（水质指标）数据输出的快速分析；在线水质分析仪器一般具有自动诊断、自动校准、自动清洗、故障报警等功能，在保证分析结果准确度的同时，可以实现无人值守自动运行。因此，除了核心的分析技术，仪器还应该具备取样、包含试剂添加的流路系统、化学反应、检测、校准、清洗、计算及信号输出、诊断、报警等功能。
除了原位安装（in-situ）方式安装的在线水质分析仪，其余的均需考虑取样，即将样品采集到分析仪系统中。目前主流的技术是采用计量泵或蠕动泵进行定量采样。
不仅是溶液样品的分析，而且待测样品和试剂在取样系统、化学反应系统、检测器等模块间的转移均是通过流路系统来完成的。目前主要的流路系统包括以下3类：
1）流通池：采用非原位安装的传感器类在线水质分析仪，一般采用流通池式流路设计。流通池式流路是指样品通过本身压力（如带压管道）或者输送泵持续稳定的流过装配有传感器的管路，传感器连续测定样品。常见的传感器类分析仪，如pH、电导率、溶解氧等，均有采用流通池式流路的设计。其基本样式如图1.1（a）所示。
2）间隔注射技术（interval injection analysis）：通过传动装置（如蠕动泵、定量注射阀），配以阀的切换，间隔将样品及试剂注射到仪器的反应容器中进行化学反应的流路设计。这种流路设计，其过程类似于实验室分析方法，具有很高的可靠性。目前大多数在线水质分析仪采用该流路设计。其基本样式如图1.1（b）所示。
3）顺序注射技术（sequential injection analysis,SIA）：核心是一个多通道阀，阀的各通道分别与检测器、样品、试剂等通道相连，公共通道与一个可以正反抽吸的泵相连。通过泵从不同通道顺序吸入一定体积的溶液，送到泵与阀的储存管中，样品和试剂相互渗透和混合，发生化学反应，反应产物被推送到检测器进行检测。这种流路设计，结构简单，成本低，具有通用性。其基本样式如图1.1（c）所示。
图1.1 在线水质分析仪常用流路设计
基于传感器技术的在线水质分析仪，传感器能直接感受水中待测物质并转化为可探测的信号，故一般不需要额外的化学反应步骤。但目前大多数在线水质分析仪，是将待测物质转化为某种利用现有技术能够检测到的信号物质，比如分光光度法，是将待测物质转化为某种颜色的物质，通过检测颜色深浅的仪器（分光光度计）来实现分析目的。这一类在线水质分析仪都需要通过化学反应对样品进行预处理和转化。
目前，一些通用的预处理方法，比如降温、减压、稀释等，都会有专用的预处理设备配套，搭载于在线水质分析仪之前，只有与分析方法相关的预处理及化学反应，才会由在线水质分析仪实现。比如图1.1（b）中，在反应容器中可以实现显色反应；图1.1（c）中，通过电加热丝加热实现总氮样品的消解。
校准曲线是待测物质浓度与所测量仪器响应值的函数关系，样品测得信号值后，在校准曲线上查得其含量，因此制作好校准曲线是取得准确测量结果的前提。最普通的方法是用一组含待测组分量不同的标准试样或基准物质配制成浓度不同的溶液做出校准曲线。校准曲线的斜率常随着环境温度、试剂批次和使用时间、仪器电子元器件老化等实验条件的变化而变化，通常需要每隔一段时间后重新制作校准曲线。
在线水质分析仪是一种安装在现场的连续自动检测的分析仪，相比于实验室条件，环境多变，试剂质量变化快，仪器损耗大，导致其校准曲线斜率发生偏移的速度一般要快于实验室仪器。因此在线水质分析仪器均需考虑设计方便、快捷的校准方式，甚至全自动的校准模式。
除了传感器类原位安装的仪器大都采用手工校准，其他类型的在线水质分析仪器均可以实现定时自动校准功能。
原位安装的传感器，由于直接接触待测样品，会出现传感器表面结垢、污物附着等问题，导致测量精度下降甚至彻底失去检测能力；在线安装的水质分析仪，除了有原位安装传感器的问题，同时由于内部流路会受样品及试剂的污染，下一次测量的结果易受上次测量周期的样品和试剂的污染。为了解决这些问题，在线水质分析仪还必须考虑分析仪/传感器的清洗功能。
分析仪类的在线水质分析仪会在一个测量周期结束后，让清洗溶液（有时是纯水）流过整个流路系统，确保无样品和试剂的残留，实现自动清洗的功能。
原位安装的传感器清洗方式有机械刷洗、超声波清洗、水喷射清洗、化学溶液喷射清洗等多种方式。机械刷洗是指通过传感器内置刮刷或外置机械刮刷，以一定周期刷洗传感器表面，实现清洗目的。超声波清洗、空气/水喷射清洗、化学溶剂清洗等一般都需要通过外置机械结构来实现清洗目的。它们的常见样式如图1.2所示。由于传感器与样品直接接触，采用水喷射清洗、化学溶液喷射清洗会污染样品，因此应用上受限。机械刷洗和超声波清洗不污染样品，在实际应用中使用较多，尤其是传感器内置式刮刷，不需要外置机械结构，不污染样品，最为用户接受。
图1.2 传感器类在线水质分析自动化仪器清洗方式
在线水质分析仪的迅速发展，离不开电子技术的贡献。电子技术帮助分析仪器实现自动化，包括自动取样、分析、计算、统计、显示和数据传输。