露點傳感器

大氣環境由多種因素組成，例如，風向、風速、濕度、温度等。在氣象探測領域，獲取的濕度數據不但是瞭解和分析預報天氣變化極其重要的依據，也是氣候變化預估等科學研究必不可少的資料。其準確性和實時性直接影響到氣候系統的分析和預報。

空氣濕度是表示大氣乾燥程度的物理量。在一定的温度下，一定體積的空氣中，如果含有的水汽越少，那麼空氣越乾燥；如果含有的水汽越多，那麼空氣越潮濕。這種空氣的乾濕程度叫做“濕度”。空氣濕度常用絕對濕度、相對濕度以及露點温度等物理量來表示。其中，露點温度是可以直觀的表示當前大氣環境下濕度的物理量，單位用攝氏度表示。

如果給定的空氣在水汽壓不變的情況下逐漸冷卻，當大氣環境温度達到某一温度值時，空氣的水汽壓達到了該温度下的飽和蒸汽壓，此時空氣在相對環境不改變的情況下進行冷卻時，同時在當前環境中有一個光潔的平面，水汽就會在這個平面上凝結出露點，此時温度即可稱為當前環境下的露點温度。作為表示大氣濕度的一個重要物理量，其測量準確性與精確性對於大氣氣候系統的預報與預測有不可或缺的重要意義，精確測量露點温度不但可用於提高天氣預報精度，在氣候變化研究領域也尤為重要。

在露點儀制造方面，起步早，種類多，準確性好，精度高。測量露點温度是一種傳統的水汽含量測算方法。根據記載，年在意大利的佛羅倫薩，發明了採用冷凝現象測量水汽含量的露點儀。隨着科學技術的發展，露點技術日趨完善，現如今的光電露點儀具備了多方面多學科的尖端技術和先進理論，能夠使露點測量達到了相當高的準確度與精度。同時，微處理器在露點儀中的應用，實現了露點測量的自動化，使測量方式更加方便快捷。國外主要的露點儀生產廠商典型代表有英國的公司、美國的公司和公司、愛爾蘭的公司以及瑞士的公司等。其主要的露點儀產品是以光電技術為基礎的高精度、高準確性鏡面冷凝式露點儀，露點測量的準確性一直是專業露點儀的典範。

在露點儀制造方面起步比較晚。早期對光電鏡面冷凝式露點傳感器的研製，其精度與準確度與國外的成品露點儀相比略顯不足。因此，在一段時間內，國內露點儀的使用者主要針對露點傳感器的算法進行研究，注重算法的改進，使露點傳感器的測量精度得到一定的提高。在結構和工藝方面，國內與國外相比，差距仍然存在。這就要求露點儀的使用者不僅要針對算法進行不斷改進，而且要對傳感器的結構進行優化的設計，從兩方面共同提高露點傳感器的精度與準確度。爭取早日實現我國自主生產的露點傳感器可以作為行業標準。

在設計露點儀時，通常要考慮幾方面因素，即製冷方式，露點温度測量方式，結露的檢測方法及鏡面温度控制技術等。只有將以上各種因素考慮周全，才能設計一款性能好、精度高的露點儀。

製冷方式主要有：機械製冷法，壓縮空氣製冷法，液化氣體或乾冰製冷法及熱電製冷法等。其中，熱電製冷相對容易且精確的控制方式，與其它方法相比有更多的優點，是露點儀的發展方向。

露點温度的測量方法包括：熱電偶，熱敏電阻及銷電阻感温元件。熱敏電阻與熱電偶性能相似，靈敏度高但長期使用穩定性較差。鈾電阻感温元件則線性範圍寬，精度高，穩定性好，輸出信號較強，便於數字顯示。所有高精度露點儀均採用銷電阻作為感温元件。

露點凝結的檢測方法主要有：目視觀察法，光電檢測法和壓電檢測法。在露點儀使用者需要獲得優於±°的準確度時，露點儀的使用者釆用精度較高的光電測量法，但它存在響應速度慢，易出現滯後現象及露點光學測量靈敏度的調節等問題。壓電檢測法的優點在於，通過壓力檢測可以判斷過冷現象。

一個良好的傳感器應該具有以下特點：

（1）在寬範圍內的濕度和温度條件下具有良好的靈敏度；

（2）響應時間短；

（3）具有良好的重複性；

（4）遲滯小；

（4）抗惡劣環境（如污染物，磁場，福射）；

（5）成本低；

（6）體積小，容易集成。

露點儀作為一種專業用於測量露點温度的傳感器，也應該具有傳感器基本的特點。露點儀在可被控制的情況下，需要在複雜的大氣氣象環境中正常準確的工作，需要實時準確精確傳遞露點温度的相關信息，方便使用者對露點温度進行分析總結，根據其得出的各項數據能夠對大氣氣候變化作出準確的判斷和預測預報。

電容式水蒸氣傳感器是最廣泛的商業化濕度傳感器，在今天的市場中，主要是用於針對衡量對象的相對濕度。其核心元件是薄膜電容式濕度傳感器。薄膜電容式濕度傳感器通常是採用聚胺鹽或者是醋酸纖維聚合物的薄膜，沉積在兩個導電電極上構成電容。在薄膜層吸收空氣中的水分子，亦或者失去水分子後，兩個電極之間的介電常數會發生改變。如今，還有另一種技術是使用耐高温的熱固性聚合物，能夠讓薄膜電容式露點傳感器在的情況下進行連續測量，有一定的穩定性。

（1）傳感器一般採用玻璃原料作為底座，主要作用起到支撐傳感器其餘部分的作用。穩定的結構式傳感器正常工作的基礎。

（2）在兩個電極之中，底部電極由導電材料做成。

（3）薄膜層，是整個傳感器的核心，其厚度一般為。薄膜吸收水分子的數量與周圍大氣環境的相對濕度存在密切的聯繫。

（4）在兩個電極之中，頂部電極也是由導電性材料做成，對於整個傳感器的性能同樣起着重要作用。為了得到快速響應，必須有較高的水的滲透性。因此，頂部聚合物電容是一種多孔性的結構，實際上充當一個微型濾網的功能，用以防止污染物，濾除灰塵和污拒。同時，確保水分子的快速滲透，保證傳感器的效率。

如圖1所示，電容式露點儀主要的傳感器模塊結構。圖中為底部平行板電容的結構示意，其中在A與B是電極層，採用叉指式結構設計。

圖2中為頂部薄膜電容，依賴於其上的多孔結構，在使用時可以充當濾網的功能，濾除可能沾染的各種灰塵污拒等。

薄膜電容式露點傳感器其優點是測量響應速度快，線性好，温度測定範圍廣，穩定性與重複性較好，遲滯較低，温度係數較低，材料成本低。缺點在於其長期工作時，需要做定期校準，對於某些污染物較敏感，不可以在腐燭性的環境下工作；存在一定的温度依賴性。

與電容式露點儀相比，將傳感器部分以電阻式傳感器替代，其敏感材料是以季銨鹽的聚合物溶液作基體，將這種功能基與樹脂聚合物進行反應，可以產生具有立體三維的熱固性樹脂，具有較好的穩定性。其基本原理為，相對濕度的變化可以導致陰極與陽極之間的電阻發生變化，通過測量電阻傳感器的導電率變化，來確定相對濕度和露點温度。

電阻式露點儀優點在於温度係數較小，功耗低，成本低。其缺點是在長期使用中，需要進行定期校準與維護，不適用於某些污染物存在的環境，對污染物較為敏感。如果在較寬的温度範圍內使用，由於比電容式傳感器響應速度慢，需要進行有效的温度補償控制，否則傳感器將難以正常工作。因此，這類傳感器的應用受到較多的限制，在氣象領域尚未見到使用電阻式露點儀進行觀測的公開報道。

冷鏡式露點儀是一種基於光學技術測定露點温度儀器。它被稱為是最準確、最可靠的測定露點温度的方法。如今冷鏡式露點儀測得的露點温度，一般作為測量校準的參考。在較為理想的測量環境下，冷鏡式露點儀的測量精度可達到±0.1^。C。

現今的冷鏡式露點儀工作原理都頗為相似，主要依賴於光電傳感器與温度傳感器的互相配合，其工作原理如圖3所示，在光電檢測露點的裝置中，待測氣體在進入露點檢測位置之後，當冷鏡的温度高於此時氣體的露點温度時，此時鏡面將處於乾燥狀態，與此同時，光電傳感器中檢露裝置發射出來的光源在冷鏡面上幾乎完全反射。在此之後，由光電傳感器感應接收到相應的信號，並同時反饋輸出光電信號，在經過處理器的分析，輸出給驅動電路，然後控制製冷器進入工作狀態，對鏡面進行降温製冷。冷鏡表面的温度在製冷器的製冷作用會持續下降，當冷鏡表面温度降低至待測氣體露點温度時，冷鏡表面上開始逐漸結露。此時之前的入射光源照射在冷鏡表面上，就會出現漫反射的現象，因此接收到的反射信號隨之減少。出現這種變化後，控制系統即時將製冷器切換為較大功率的製冷模式，在這種製冷模式的控制之下，冷鏡表面的温度將達到一種動態平衡的狀態。我們判斷此時的冷鏡表面的温度就是待測氣體的露點温度。通過緊貼在冷鏡表面的怕電阻傳感器，與測温電路的配合，即可將冷鏡表面的温度採集到模數轉換器中，在輸出到上位機軟件中，露點儀的使用者就可以直觀的對待測氣體的露點温度進行觀察分析 ^[1]  。