[科普中国]-露点传感器

露点传感器，即露点仪，是一种能直接测出露点温度的仪器，属于温湿度传感器的一种。露点温度是可以直观的表示当前大气环境下湿度的物理量，单位用摄氏度表示。露点传感器的影响因素主要包括制冷方式，露点温度测量方式，结露的检测方法及镜面温度控制技术等。典型的露点传感器有：薄膜电容式、电阻式和冷镜式。

露点的定义大气环境由多种因素组成，例如，风向、风速、湿度、温度等。在气象探测领域，获取的湿度数据不但是了解和分析预报天气变化极其重要的依据，也是气候变化预估等科学研究必不可少的资料。其准确性和实时性直接影响到气候系统的分析和预报。

空气湿度是表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下，一定体积的空气中，如果含有的水汽越少，那么空气越干燥；如果含有的水汽越多，那么空气越潮湿。这种空气的干湿程度叫做“湿度”。空气湿度常用绝对湿度、相对湿度以及露点温度等物理量来表示。其中，露点温度是可以直观的表示当前大气环境下湿度的物理量，单位用摄氏度表示。

如果给定的空气在水汽压不变的情况下逐渐冷却，当大气环境温度达到某一温度值时，空气的水汽压达到了该温度下的饱和蒸汽压，此时空气在相对环境不改变的情况下进行冷却时，同时在当前环境中有一个光洁的平面，水汽就会在这个平面上凝结出露点，此时温度即可称为当前环境下的露点温度。作为表示大气湿度的一个重要物理量，其测量准确性与精确性对于大气气候系统的预报与预测有不可或缺的重要意义，精确测量露点温度不但可用于提高天气预报精度，在气候变化研究领域也尤为重要。

国内外发展国外在露点仪制造方面，起步早，种类多，准确性好，精度高。测量露点温度是一种传统的水汽含量测算方法。根据记载，年在意大利的佛罗伦萨，发明了采用冷凝现象测量水汽含量的露点仪。随着科学技术的发展，露点技术日趋完善，现如今的光电露点仪具备了多方面多学科的尖端技术和先进理论，能够使露点测量达到了相当高的准确度与精度。同时，微处理器在露点仪中的应用，实现了露点测量的自动化，使测量方式更加方便快捷。国外现在主要的露点仪生产厂商典型代表有英国的公司、美国的公司和公司、爱尔兰的公司以及瑞士的公司等。其主要的露点仪产品是以光电技术为基础的高精度、高准确性镜面冷凝式露点仪，露点测量的准确性一直是专业露点仪的典范。

国内在露点仪制造方面起步比较晚。早期对光电镜面冷凝式露点传感器的研制，其精度与准确度与国外的成品露点仪相比略显不足。因此，在一段时间内，国内露点仪的使用者主要针对露点传感器的算法进行研究，注重算法的改进，使露点传感器的测量精度得到一定的提高。在结构和工艺方面，国内与国外相比，差距仍然存在。这就要求露点仪的使用者不仅要针对算法进行不断改进，而且要对传感器的结构进行优化的设计，从两方面共同提高露点传感器的精度与准确度。争取早日实现我国自主生产的露点传感器可以作为行业标准。

露点传感器的影响因素在设计露点仪时，通常要考虑几方面因素，即制冷方式，露点温度测量方式，结露的检测方法及镜面温度控制技术等。只有将以上各种因素考虑周全，才能设计一款性能好、精度高的露点仪。

制冷方式主要有：机械制冷法，压缩空气制冷法，液化气体或干冰制冷法及热电制冷法等。其中，热电制冷相对容易且精确的控制方式，与其它方法相比有更多的优点，是露点仪的发展方向。

露点温度的测量方法包括：热电偶，热敏电阻及销电阻感温元件。热敏电阻与热电偶性能相似，灵敏度高但长期使用稳定性较差。铀电阻感温元件则线性范围宽，精度高，稳定性好，输出信号较强，便于数字显示。目前，所有高精度露点仪均采用销电阻作为感温元件。

露点凝结的检测方法主要有：目视观察法，光电检测法和压电检测法。在露点仪使用者需要获得优于±°的准确度时，露点仪的使用者釆用精度较高的光电测量法，但它存在响应速度慢，易出现滞后现象及露点光学测量灵敏度的调节等问题。压电检测法的优点在于，通过压力检测可以判断过冷现象。

一个良好的传感器应该具有以下特点：

（1）在宽范围内的湿度和温度条件下具有良好的灵敏度；

（2）响应时间短；

（3）具有良好的重复性；

（4）迟滞小；

（4）抗恶劣环境（如污染物，磁场，福射）；

（5）成本低；

（6）体积小，容易集成。

露点仪作为一种专业用于测量露点温度的传感器，也应该具有传感器基本的特点。露点仪在可被控制的情况下，需要在复杂的大气气象环境中正常准确的工作，需要实时准确精确传递露点温度的相关信息，方便使用者对露点温度进行分析总结，根据其得出的各项数据能够对大气气候变化作出准确的判断和预测预报。

分类薄膜电容式电容式水蒸气传感器是最广泛的商业化湿度传感器，在今天的市场中，主要是用于针对衡量对象的相对湿度。其核心元件是薄膜电容式湿度传感器。薄膜电容式湿度传感器通常是采用聚胺盐或者是醋酸纤维聚合物的薄膜，沉积在两个导电电极上构成电容。在薄膜层吸收空气中的水分子，亦或者失去水分子后，两个电极之间的介电常数会发生改变。如今，还有另一种技术是使用耐高温的热固性聚合物，能够让薄膜电容式露点传感器在的情况下进行连续测量，有一定的稳定性。

（1）传感器一般采用玻璃原料作为底座，主要作用起到支撑传感器其余部分的作用。稳定的结构式传感器正常工作的基础。

（2）在两个电极之中，底部电极由导电材料做成。

（3）薄膜层，是整个传感器的核心，其厚度一般为。薄膜吸收水分子的数量与周围大气环境的相对湿度存在密切的联系。

（4）在两个电极之中，顶部电极也是由导电性材料做成，对于整个传感器的性能同样起着重要作用。为了得到快速响应，必须有较高的水的渗透性。因此，顶部聚合物电容是一种多孔性的结构，实际上充当一个微型滤网的功能，用以防止污染物，滤除灰尘和污拒。同时，确保水分子的快速渗透，保证传感器的效率。

如图1所示，电容式露点仪主要的传感器模块结构。图中为底部平行板电容的结构示意，其中在A与B是电极层，采用叉指式结构设计。

图2中为顶部薄膜电容，依赖于其上的多孔结构，在使用时可以充当滤网的功能，滤除可能沾染的各种灰尘污拒等。

薄膜电容式露点传感器其优点是测量响应速度快，线性好，温度测定范围广，稳定性与重复性较好，迟滞较低，温度系数较低，材料成本低。缺点在于其长期工作时，需要做定期校准，对于某些污染物较敏感，不可以在腐烛性的环境下工作；存在一定的温度依赖性。

电阻式与电容式露点仪相比，将传感器部分以电阻式传感器替代，其敏感材料是以季铵盐的聚合物溶液作基体，将这种功能基与树脂聚合物进行反应，可以产生具有立体三维的热固性树脂，具有较好的稳定性。其基本原理为，相对湿度的变化可以导致阴极与阳极之间的电阻发生变化，通过测量电阻传感器的导电率变化，来确定相对湿度和露点温度。

电阻式露点仪优点在于温度系数较小，功耗低，成本低。其缺点是在长期使用中，需要进行定期校准与维护，不适用于某些污染物存在的环境，对污染物较为敏感。如果在较宽的温度范围内使用，由于比电容式传感器响应速度慢，需要进行有效的温度补偿控制，否则传感器将难以正常工作。因此，这类传感器的应用受到较多的限制，在气象领域尚未见到使用电阻式露点仪进行观测的公开报道。

冷镜式冷镜式露点仪是一种基于光学技术测定露点温度仪器。到现在为止，它被称为是最准确、最可靠的测定露点温度的方法。如今冷镜式露点仪测得的露点温度，一般作为测量校准的参考。在较为理想的测量环境下，冷镜式露点仪的测量精度可达到±0.1。C。

现今的冷镜式露点仪工作原理都颇为相似，主要依赖于光电传感器与温度传感器的互相配合，其工作原理如图3所示，在光电检测露点的装置中，待测气体在进入露点检测位置之后，当冷镜的温度高于此时气体的露点温度时，此时镜面将处于干燥状态，与此同时，光电传感器中检露装置发射出来的光源在冷镜面上几乎完全反射。在此之后，由光电传感器感应接收到相应的信号，并同时反馈输出光电信号，在经过处理器的分析，输出给驱动电路，然后控制制冷器进入工作状态，对镜面进行降温制冷。冷镜表面的温度在制冷器的制冷作用会持续下降，当冷镜表面温度降低至待测气体露点温度时，冷镜表面上开始逐渐结露。此时之前的入射光源照射在冷镜表面上，就会出现漫反射的现象，因此接收到的反射信号随之减少。出现这种变化后，控制系统即时将制冷器切换为较大功率的制冷模式，在这种制冷模式的控制之下，冷镜表面的温度将达到一种动态平衡的状态。我们判断此时的冷镜表面的温度就是待测气体的露点温度。通过紧贴在冷镜表面的怕电阻传感器，与测温电路的配合，即可将冷镜表面的温度采集到模数转换器中，在输出到上位机软件中，露点仪的使用者就可以直观的对待测气体的露点温度进行观察分析1。

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学