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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-05-06 12:29
摘要
介紹了目前露點(diǎn)溫度傳感器領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，闡述了光學(xué)式、諧振式、電學(xué)式、熱學(xué)式、重量式、化學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器的原理及構(gòu)造，指出光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器測量精度極高，其中冷鏡式露點(diǎn)儀可作為濕度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；諧振式露點(diǎn)溫度傳感器具有體積小、成本低、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、可靠性好的特點(diǎn)；電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器靈敏度高、功耗小，便于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化；重量法是準(zhǔn)確度最高的濕度絕對測量方法；化學(xué)法常用來測量低濕環(huán)境下的有機(jī)混合氣體。探討了露點(diǎn)溫度傳感器在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)制造、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，指出未來露點(diǎn)溫度傳感器將會(huì)向高精度、高穩(wěn)定性、高響應(yīng)的方向發(fā)展，且應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓展，以滿足極端環(huán)境下的測量需求。
關(guān)鍵詞
濕度測量; 露點(diǎn)溫度傳感器; 濕度傳感器
引言
濕度表示大氣中水汽含量的多少，即大氣的干、濕程度?？赏ㄟ^絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差、露點(diǎn)溫度等對濕度進(jìn)行表征。露點(diǎn)溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。采用露點(diǎn)溫度表征濕度具有以下優(yōu)勢：①可直接將露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度對比，方便控制；②露點(diǎn)溫度會(huì)隨壓力的變化而變化，而其他物理量很難對壓力變化的氣體濕度進(jìn)行精確描述；③露點(diǎn)溫度測量技術(shù)較為成熟，準(zhǔn)確性較高。目前露點(diǎn)溫度測量已被國際公認(rèn)為最精密的濕度測量方法，世界各國實(shí)際的濕度量值傳遞均通過露點(diǎn)溫度實(shí)現(xiàn)。
露點(diǎn)溫度測量方法可以分為直接法和間接法兩種。直接法的原理為：通過主動(dòng)控溫的方式使得界面溫度達(dá)到氣液相態(tài)平衡時(shí)的溫度（即露點(diǎn)溫度），利用測溫模塊對此刻溫度進(jìn)行測量，從而直接獲得露點(diǎn)溫度。直接法測量精度較高，但是測量成本也較高。間接法的原理為：通過傳感器測量與待測氣體濕度相關(guān)的其他物理量（例如相對濕度、水汽含量等），根據(jù)這些物理量推導(dǎo)出露點(diǎn)溫度。間接法測量精度相對較低，在測量要求不高的情況下可極大降低測量成本。露點(diǎn)溫度傳感器對于實(shí)現(xiàn)高精度露點(diǎn)檢測具有重要意義。根據(jù)工作原理的不同，露點(diǎn)溫度傳感器可分為光學(xué)式、諧振式、電學(xué)式、熱學(xué)式、重量式、化學(xué)式等。本文詳細(xì)介紹各類露點(diǎn)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，系統(tǒng)總結(jié)露點(diǎn)溫度傳感器領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，具體分析露點(diǎn)溫度傳感器在氣象監(jiān)測、新能源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最后對露點(diǎn)溫度傳感器未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望，為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者提供參考。
1、 露點(diǎn)溫度傳感器工作原理
1.1 光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器
光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器利用被測氣體中的水分與光的反/散射系數(shù)、頻率或者相位之間存在的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度測量。光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器可分為冷鏡式、光譜式、光纖式、圖像式等。
1.1.1 冷鏡式露點(diǎn)溫度傳感器
冷鏡式露點(diǎn)溫度傳感器通過制冷元件降低鏡面溫度，使被測氣體中的水分在鏡面凝結(jié)，鏡面反射的光電信號(hào)相對參照光電信號(hào)發(fā)生變化，光電管根據(jù)接收信號(hào)值判別結(jié)露現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度測量。冷鏡式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 冷鏡式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Structural diagram of cold mirror dew point temperature sensor
Brengelmann G L等人［1］提出了基于露點(diǎn)檢測的選定皮膚區(qū)域汗液率測量方法，該方法誤差不超過± 0.8 ℃，靈敏度為± 0.05 ℃，工作范圍為-40 ~ 50 ℃，且無滯后。Jachowicz R S等人［2-3］提出了一種通過向露點(diǎn)濕度計(jì)鏡面注入額外熱量穩(wěn)定溫度的新方法，為露點(diǎn)濕度計(jì)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了新的思路。Trampe D B等人［4］提出了一種新的無限稀釋活度系數(shù)測量技術(shù)，該技術(shù)涉及極稀氣相的構(gòu)造和露點(diǎn)的精確測定。Ariagno R L等人［5］開發(fā)了一種通風(fēng)膠囊方法，將潛在的測量誤差最小化，可對睡眠嬰兒的蒸發(fā)失水進(jìn)行逐秒、長期、連續(xù)測量，誤差在2%以內(nèi)。Hudoklin D等人［6-7］開發(fā)了一種特殊的控制裝置來升級(jí)儀器的控制回路，且不會(huì)對儀器造成電氣損害。Brown A S等人［8］詳細(xì)比較了直接和間接測量烴類露點(diǎn)方法的性能，研究了烴類露點(diǎn)與氣體冷凝速率之間的關(guān)系，兩類方法測量低濕度烴類露點(diǎn)的誤差均為± 2 K。Bae Y K等人［9］研究吹掃速率對露點(diǎn)傳感器校準(zhǔn)、測試及測量不確定度估計(jì)的影響，采用標(biāo)定后的標(biāo)準(zhǔn)冷凍鏡式濕度計(jì)，分析了不同吹掃時(shí)間對露點(diǎn)傳感器測量露點(diǎn)溫度的影響。
冷鏡式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-100 ~ 95 ℃，誤差不超過± 0.1 ℃，可作為一級(jí)計(jì)量器具。冷鏡式露點(diǎn)溫度傳感器具有測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，常被用作濕度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，但也存在著設(shè)備便攜性低、成本高、鏡面污染頻繁等缺點(diǎn)。
1.1.2 光譜式露點(diǎn)溫度傳感器
光譜式露點(diǎn)溫度傳感器通過檢測氣體對汽化水的能量吸收來測量氣體的含水量，其基本單元包括能量源、探測器、隔離特定波長的光學(xué)系統(tǒng)、測定光路中水汽引起的輻射能衰減的測量系統(tǒng)等。光譜式露點(diǎn)溫度傳感器通常使用微波頻率至近紅外頻率的輻射，一般來說，頻率越高，波穿透的深度越小。代表性的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， TDLAS）式露點(diǎn)傳感器敏感性較高，常用于測量極低含水量環(huán)境下的露點(diǎn)。在TDLAS含水量分析儀中，紅外激光束穿過吸收室中的待測氣體，并被反射鏡多次反射以增加路徑長度，提高靈敏度。探測器探測光學(xué)信號(hào)，并將結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理，結(jié)合傳感器所測得的溫度與壓力計(jì)算得出露點(diǎn)。TDLAS露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 TDLAS露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.2 Structure diagram of TDLAS dew point temperature sensor
Kozlov M G等人［10］介紹了利用真空紫外吸收原理研制的氣體濕度光學(xué)測量儀，該課題組設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)TKA-MK型濕度計(jì)，可以測量露點(diǎn)、絕對濕度和相對濕度。Berezin A G等人［11］開發(fā)了一種用于測量高純度氨中微量水分濃度的儀器，這種基于激光二極管的儀器長期靈敏度估計(jì)為5 × 10-14。Cerni T A［12］研制了一種現(xiàn)場耐用型紅外差分吸收濕度計(jì)并進(jìn)行了測試。在-15 ~ 10℃的露點(diǎn)/霜點(diǎn)范圍內(nèi)，露點(diǎn)/霜點(diǎn)測量誤差不超過± 0.5℃。Koglbauer G等人［13］提出了一種利用傅里葉變換紅外光譜測量壓縮濕氮、氬氣和二氧化碳露點(diǎn)的新方法，該方法具有較高的可靠性。Underwood R等人［14］報(bào)導(dǎo)了一種能夠在空氣中同時(shí)非接觸測量溫度和濕度的裝置，并在氣候室中進(jìn)行了測試。該裝置使用了聲學(xué)溫度計(jì)和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜儀，不需要固體基質(zhì)中的水分與周圍空氣平衡即可進(jìn)行測量，對濕度變化響應(yīng)極快，使用溫度范圍為-40 ~ 40 ℃，露點(diǎn)范圍為-43 ~ 38 ℃，測量誤差不超過± 1 ℃。聶偉等人［15-16］提出了利用TDLAS技術(shù)實(shí)時(shí)在線測量露點(diǎn)/霜點(diǎn)溫度的傳感器，并通過初步實(shí)驗(yàn)證明了該傳感器的可行性和技術(shù)優(yōu)勢，其露點(diǎn)/霜點(diǎn)溫度為-93 ~ 14.5 ℃，測量不確定度小于2%，響應(yīng)時(shí)間約為0.8 s，相較冷凍鏡式濕度計(jì)響應(yīng)更快；該傳感器的測量結(jié)果與高精度冷凍鏡濕度計(jì)測量結(jié)果的最大偏差小于0.9 ℃。Khelifa N［17］提出使用分布式反饋（Distributed Feedback Laser， DFB）激光二極管的光學(xué)系統(tǒng)，討論了利用光譜學(xué)檢測水汽的可能性，并觀察冷鏡式露點(diǎn)傳感器測量露點(diǎn)溫度時(shí)產(chǎn)生的吸收線形狀和位置的變化。Li等人［18］基于TDLAS技術(shù)，設(shè)計(jì)并搭建了嵌入式含水量測試儀、低溫露點(diǎn)發(fā)生器、MBW濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置、變溫冷凍機(jī)等設(shè)備，驗(yàn)證了傳感器在環(huán)境溫度升高時(shí)的水蒸氣釋放效果和環(huán)境溫度降低時(shí)的水蒸氣吸附效果，并定量測量了不同溫度變化、不同水蒸氣濃度、不同流量下的水蒸氣釋放程度和吸附效果。Nowak J L等人［19］提出一種快速紅外濕度計(jì)（Fast Infrared Hygrometer， FIRH），確定了3個(gè)顯著影響測量的因素（即吸收線的自增寬、玻璃窗的干擾和風(fēng)洞外環(huán)境空氣的寄生吸收），并開發(fā)了針對這些影響的修正方法。與參考濕度計(jì)（露點(diǎn)儀MBW 973）的比較實(shí)驗(yàn)表明：在露點(diǎn)溫度為-5.4 ~ 21 ℃，環(huán)境溫度為23 ℃的條件下，F(xiàn)IRH具有良好的準(zhǔn)確性。
光譜式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-90 ~ 20℃，誤差不超過± 0.5 ℃，通常用于工業(yè)級(jí)微水分的測量。雖然光譜式露點(diǎn)溫度傳感器適用于極低水氣含量的測量且具有很高的測量精度，但其中的分析儀價(jià)格昂貴，且露點(diǎn)傳感器需要不斷維護(hù)，同時(shí)光譜式露點(diǎn)溫度傳感器對光源器件性能依賴較大。
1.1.3 光纖式露點(diǎn)溫度傳感器
光纖式露點(diǎn)溫度傳感器通過測量折射率與被測氣體濕度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)檢測。激光器發(fā)射的激光通過光纖，之后經(jīng)過測量管路并被光電檢測器檢測，檢測結(jié)果傳輸至示波器并被系統(tǒng)采集，當(dāng)測量管路中的露點(diǎn)溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感光纖中的折射率也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)折射率的變化推導(dǎo)出露點(diǎn)溫度。光纖式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 光纖式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 Structural diagram of fiber optic dew point temperature sensor
Matsumoto S［20-21］設(shè)計(jì)了一種基于激光二極管和光纖電纜的新型光露點(diǎn)傳感器。利用帶積分器的比例控制電路，控制表面粗糙、隨時(shí)間低水平振蕩的金板上的結(jié)露量，實(shí)現(xiàn)傳感器的測量，在10 ~ 50 ℃的大氣環(huán)境中，測量露點(diǎn)為-3 ~ 40 ℃，誤差不超過± 0.5 ℃（± 2% RH），測量時(shí)間間隔為6 ~ 31 s。Mathew J等人［22］設(shè)計(jì)了一種基于反射模式光子晶體光纖干涉儀的露珠檢測傳感器，該傳感器測頭制造工藝簡單，僅涉及切割和融合拼接。該傳感器測量露珠形成的靈敏度較高，在露珠開始形成時(shí)干涉圖的波長峰偏移較大。Kostritskii S M等人［23］研制并試驗(yàn)了基于光纖切割反射系數(shù)變化的光纖式露點(diǎn)傳感器，提出并驗(yàn)證了傳感器中凝結(jié)探測模塊的工作原理模型，并對不同露點(diǎn)的空氣進(jìn)行測量，結(jié)果表明該傳感器在-32 ~ 0 ℃的露點(diǎn)范圍內(nèi)具有較高測量精度。Chen G Y等人［24］展示了一種具有極短響應(yīng)時(shí)間的微型快速響應(yīng)濕度計(jì)，測量響應(yīng)時(shí)間為3 ms，恢復(fù)時(shí)間為36 ms，靈敏度高達(dá)0.4% RH，檢出限低至1.6% RH。在達(dá)到可恢復(fù)露點(diǎn)之前，最大相對濕度為99% RH。Limodehi H E等人［25］介紹了一種基于表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance， SPR）與水汽凝結(jié)關(guān)系的多通道光纖露濕傳感器，該傳感器能夠通過不同位置的光纖通道即時(shí)檢測水分或露水，并可同時(shí)測量多種環(huán)境的相對濕度和露點(diǎn)溫度，誤差不超過± 5%。
光纖式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-10 ~ 40 ℃，誤差不超過± 0.5 ℃，通常用于測量低溫風(fēng)洞等工業(yè)領(lǐng)域的露點(diǎn)溫度。光纖式露點(diǎn)溫度傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢，但成本較高，且測量效果受光源與檢測器的性能影響。
1.1.4 圖像式露點(diǎn)溫度傳感器
圖像式露點(diǎn)溫度傳感器通過攝像機(jī)跟蹤拍攝鏡面，并實(shí)時(shí)采集鏡面的圖像數(shù)據(jù)，提取鏡面的狀態(tài)特征來判斷鏡面是否結(jié)露或霜，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 圖像式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.4 Structural diagram of image based dew point temperature sensor
Weremczuk J等人［26］提出了基于露點(diǎn)濕度計(jì)探測器（半導(dǎo)體鏡像）圖像形態(tài)學(xué)分析的過冷水識(shí)別方法，該方法置信率高（約96%），具有通用性，可應(yīng)用于銅鏡或半導(dǎo)體鏡濕度計(jì)，能夠自動(dòng)校正測量誤差。Ishida K等人［27］利用Peng?Robinson狀態(tài)方程建立了以固相為凝聚相的相平衡體系的露點(diǎn)和霜點(diǎn)估算方法，設(shè)計(jì)并制作了采用原始可見圖像分析的冷鏡技術(shù)的高壓試驗(yàn)池露點(diǎn)和霜點(diǎn)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于測量霜點(diǎn)溫度低于-50 ℃下的環(huán)境濕度。
圖像式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-60 ~ 20 ℃，誤差不超過± 0.4 ℃，早期用于替代冷鏡露點(diǎn)儀。圖像式露點(diǎn)溫度傳感器的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)對露、過冷水和霜的識(shí)別，但測量精度較低，通常用于定性研究。
光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)如表1所示。
表1 光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)單位：℃
Tab.1 Index of optical dew point temperature sensor
1.2 諧振式露點(diǎn)溫度傳感器
諧振式露點(diǎn)溫度傳感器利用器件表面結(jié)露時(shí)產(chǎn)生的頻率變化實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)測量。諧振式露點(diǎn)溫度傳感器可分為石英晶體式（Quartz Crystal Microbalance， QCM）、聲表面波式（Surface Acoustic Wave， SAW）、壓電微機(jī)電系統(tǒng)（Micro?Electro?Mechanical System， MEMS）式、諧振腔式、光子諧振式等。
1.2.1 QCM露點(diǎn)溫度傳感器
QCM露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，測量時(shí)，對石英晶片進(jìn)行制冷，使其表面結(jié)露，石英晶片電極表面質(zhì)量發(fā)生改變，利用石英晶體的質(zhì)量?頻率效應(yīng)進(jìn)行露點(diǎn)識(shí)別，從而推導(dǎo)出露點(diǎn)溫度。
圖5 QCM露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.5 Structural diagram of QCM dew point temperature sensor
1999年，Shapiro A P等人［28］報(bào)導(dǎo)了一種基于石英晶體振蕩器的非光學(xué)烴類露點(diǎn)測量傳感器，可用于測量天然氣的露點(diǎn)，誤差不超過± 1 ℃。連續(xù)讀數(shù)之間的周期時(shí)間通常小于10 min。Joung O J等人［29］提出了一種基于石英晶體傳感器的有機(jī)蒸汽混合物露點(diǎn)測量裝置，在丙酮?甲醇混合物中對其性能進(jìn)行了測試，并將測試結(jié)果與UNIQUAC方程的預(yù)測露點(diǎn)以及其他實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較，平均誤差不超過± 0.27 ℃，平均最大誤差不超過± 1.6 ℃。Kwon S Y等人［30-31］開發(fā)了一種QCM露點(diǎn) / 霜點(diǎn)傳感器，提供了一種簡單而準(zhǔn)確的區(qū)分露點(diǎn)、過冷露水和低于0 ℃霜的方法，將石英諧振器的諧振頻率作為溫度的函數(shù)，一次掃描即可區(qū)分過冷露水和霜。該傳感器工作溫度范圍非常寬（-90 ~ 15 ℃），在整個(gè)范圍內(nèi)誤差不超過± 0.1 ℃。聶晶等人［32-54］提出了基于敏感電路的露點(diǎn)測量方法，在Colpitts電路中使用石英晶體作為濕敏元件，由于Colpitts電路在液體環(huán)境下不能驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩，使用Peltier元件對石英晶體進(jìn)行冷卻，直到石英晶體在液相環(huán)境下產(chǎn)生露珠。當(dāng)發(fā)生冷凝時(shí)，Colpitts電路振蕩停止，獲取振蕩停止時(shí)石英晶體表面溫度，從而識(shí)別并測量露點(diǎn)。該方法可以在露點(diǎn)溫度-30 ~ 50 ℃，相對濕度1 ~ 90% RH的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)測量，露點(diǎn)溫度測量誤差不超過± 0.3 ℃，相對濕度測量誤差不超過± 1%。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還研制了一種基于雙石英晶體諧振器（Double?Quartz Crystal Resonator， D?QCR）的露點(diǎn)傳感器，該傳感器將Peltier模塊與2個(gè)QCR相結(jié)合，其中一個(gè)QCR僅提供無氣體接觸條件下的參考頻率，另一個(gè)QCR用于測量有氣體接觸條件下的露點(diǎn)。與MICHELL S4000露點(diǎn)儀的對比實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器最大測量誤差不超過± 0.47 ℃。此外，該團(tuán)隊(duì)采用蒙脫土（Montmorillonite， MTT）或二硫化鉬（Molybdenum disulfide， MoS2）涂層的QCM露點(diǎn)傳感器與露點(diǎn)識(shí)別算法相結(jié)合的方法進(jìn)行露點(diǎn)檢測。采用該識(shí)別算法對3種QCM傳感器輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行處理，并與MICHELL S4000提供的標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，在3 ~ 15 ℃環(huán)境下，采用MTT涂層的QCM傳感器具有最佳的測量精度和重復(fù)性，與標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值對比，最大相對誤差不超過± 0.3 ℃。Esmaeilzadeh H等人［55］利用UV膠或熱固化膠將可更換的PMMA平板和柱狀膜附著在QCM基板上，開發(fā)了一種新型聲波諧振器裝置，該裝置具有較高檢測靈敏度。
QCM露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-90 ~ 15 ℃，測量誤差不超過± 0.1 ℃，通常用于測量微水分環(huán)境的露點(diǎn)溫度。QCM露點(diǎn)溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是考慮了溫頻影響，測量精度高，但未考慮粘滯效應(yīng)帶來的頻移，影響因素?zé)o法量化。
1.2.2 SAW露點(diǎn)溫度傳感器
SAW露點(diǎn)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，通過叉指換能器（Interdigital Transducer， IDT）將電磁波轉(zhuǎn)化為聲表面波，當(dāng)待測氣體中的水分在石英表面凝結(jié)后，介電常數(shù)和密度等發(fā)生變化，聲表面波發(fā)生衰減，根據(jù)聲表面波傳感器諧振頻率的變化推導(dǎo)出露點(diǎn)溫度。
圖6 SAW露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.6 Structural diagram of SAW dew point temperature sensor
Vetelino K等人［56-59］提出了一種新型的SAW / 光學(xué)混合傳感器，相較傳統(tǒng)光學(xué)式傳感器，該傳感器不易受到表面污染的影響，且最小可檢測表面密度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，該SAW振蕩器露點(diǎn)系統(tǒng)的測量分辨力為0.3 ℃，而商用光學(xué)露點(diǎn)傳感器的分辨力為0.2 ℃。Hoummady M等人［60］研究了露水沉積對Rayleigh波特性的影響，采用Peltier元件對SAW芯片冷卻，直至結(jié)露。由于Rayleigh波的極化，露水沉積引起了波振幅的大幅衰減和波速的偏移。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了SAW對露水沉積的敏感性。Hansford G M等人［61］設(shè)計(jì)了一種氣球運(yùn)載的大氣水汽剖面露點(diǎn)/霜點(diǎn)濕度計(jì)，該儀器以SAW傳感器為基礎(chǔ)，具有較為輕便的優(yōu)點(diǎn)，在極低濕環(huán)境中的測量性能較好。Takeda N等人［62］利用SAW傳感器的2種頻率，在痕量水分分析儀中分離并補(bǔ)償背景氣體成分對痕量水分測量的影響。
SAW露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-60 ~ 20 ℃，測量誤差不超過± 0.3 ℃，通常用于測量生物等領(lǐng)域的露點(diǎn)溫度，具有體積小、成本低、靈敏度高、功耗低等優(yōu)勢，但是抗干擾能力較差。
1.2.3 壓電MEMS露點(diǎn)溫度傳感器
壓電MEMS露點(diǎn)溫度傳感器的工作原理：冷卻器降低溫度，壓電MEMS露點(diǎn)溫度傳感器的諧振頻率隨著溫度降低而增加，這種趨勢一直持續(xù)到溫度達(dá)到露點(diǎn)溫度，在露點(diǎn)溫度下，諧振器表面形成一層薄霜/露水層，共振頻率開始下降，諧振器頻率在薄霜/露水層形成之前達(dá)到最高水平，根據(jù)諧振器頻率推導(dǎo)出露點(diǎn)溫度。壓電MEMS露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 壓電MEMS露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.7 Structural diagram of piezoelectric MEMS dew point temperature sensor
Mahdavi M等人［63］設(shè)計(jì)了基于薄膜壓電硅（Thin?film Piezoelectric?on?Silicon， TPoS）諧振器的新型露點(diǎn)計(jì)，將微機(jī)電諧振天平與冷卻元件相結(jié)合，當(dāng)露水或霜開始形成時(shí)，諧振頻率達(dá)到最大值。該課題組進(jìn)行了35 000次不間斷測量，研究了傳感器的長期可靠性和準(zhǔn)確性。Wang T等人［64］制作了基于MEMS壓電圓諧振腔和懸臂梁的露點(diǎn)傳感器，并提出了考慮相對濕度對諧振頻率影響的分段函數(shù)擬合露點(diǎn)識(shí)別方法，該方法的露點(diǎn)檢測誤差較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：壓電諧振露點(diǎn)傳感器具有良好的精度和穩(wěn)定性，露點(diǎn)的最大相對誤差不超過± 0.3 ℃。
壓電MEMS露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-41 ~ 4 ℃，測量誤差不超過± 0.3 ℃，通常應(yīng)用于工業(yè)制造等領(lǐng)域中的露點(diǎn)溫度測量，具有體積小、功耗低、靈敏度高、器件溫頻效應(yīng)呈線性規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，但是抗干擾能力較低，且后端電路復(fù)雜。
1.2.4 諧振腔露點(diǎn)溫度傳感器
諧振腔露點(diǎn)溫度傳感器的工作原理為：潮濕的空氣從濕度發(fā)生器流過諧振腔，通過測量所選微波模式的頻率比計(jì)算得出露點(diǎn)溫度。
May E F等人［65-66］開發(fā)并測試了一種可重入諧振器，用于澳大利亞西北大陸架天然氣流體中的自動(dòng)相界測量，實(shí)驗(yàn)表明該諧振器能夠檢測二元混合物中的相邊界。Underwood R J等人［67］報(bào)導(dǎo)了基于準(zhǔn)球形微波諧振器的露點(diǎn)濕度計(jì)的首次測量，驗(yàn)證了該設(shè)備在露點(diǎn)9.5 ~ 13.5 ℃的使用性能。
諧振腔露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為5 ~ 20 ℃，測量誤差不超過± 0.1 ℃，通常用于測量有機(jī)混合氣的露點(diǎn)溫度。諧振腔露點(diǎn)溫度傳感器分辨力高、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)，常用來測量混合有機(jī)氣體，但是設(shè)計(jì)繁瑣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜（特別是核心部件）。
1.2.5 光子諧振露點(diǎn)溫度傳感器
Tao J等人［68］展示了一種緊湊的集成光子露點(diǎn)傳感器（Dew Point Zensor， DPS），其具有高精度、占地面積小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。該DPS的核心是一個(gè)部分暴露的光子微環(huán)諧振器，它同時(shí)具有兩個(gè)功能：①通過倏逝場感應(yīng)冷凝水滴；②基于熱光效應(yīng)作為高精度的原位溫度傳感器。該裝置大大降低了影響傳統(tǒng)冷鏡濕度計(jì)測量效果的大部分與溫度相關(guān)的誤差。此外，該DPS的尺寸、成本、響應(yīng)時(shí)間均優(yōu)于傳統(tǒng)的冷鏡式濕度計(jì)，應(yīng)用范圍更廣，為實(shí)現(xiàn)芯片上露點(diǎn)檢測鋪平了道路。
光子諧振露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-41 ~ 4 ℃，測量誤差不超過± 0.3 ℃，通常應(yīng)用于皮膚含水量、呼吸檢測等領(lǐng)域的露點(diǎn)溫度測量。光子諧振露點(diǎn)溫度傳感器體積較小，溫度靈敏度較高，但對光學(xué)器件要求很高。
諧振式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)如表2所示。
表2 諧振式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)單位：℃
Tab.2 Index of resonant dew point temperature sensor
1.3 電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器
電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器利用露點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)引起的電參數(shù)變化進(jìn)行傳感檢測。電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器可分為電容式、電阻式、β伏特效應(yīng)式等。
1.3.1 電容式露點(diǎn)溫度傳感器
電容式露點(diǎn)溫度傳感器（如圖8所示）利用光刻技術(shù)在硅基材料上制備交叉式并聯(lián)極板電容器，通過測量水分凝結(jié)導(dǎo)致的電容變化實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)檢測。
圖8 電容式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.8 Structural diagram of capacitive dew point temperature sensor
Chen Z等人［69］采用反應(yīng)蒸發(fā)Al2O3薄膜作為多孔介質(zhì)，研制了基于Au多孔Al2O3?Ni結(jié)構(gòu)的濕度傳感器。Krutovertsev S A等人［70］研制了一種集成式多功能濕度傳感器，可在不同條件下進(jìn)行寬濕度范圍測量。Baglio S等人［71-72］設(shè)計(jì)了一種采用標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal?Oxide?Semiconductor， CMOS）技術(shù)的露點(diǎn)相對濕度微傳感器，其利用熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)懸浮板冷卻和露點(diǎn)和環(huán)境溫度測量，通過電容感測實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)檢測。仿真結(jié)果表明，該器件可以在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和環(huán)境溫度10 ~ 30 ℃條件下測量40% ~ 95%范圍內(nèi)的相對濕度，響應(yīng)時(shí)間小于10 ms，總功耗為196 mW。Vorobets G I等人［73］提出了一種無損測量集成電路和半導(dǎo)體器件中密封玻璃金屬或陶瓷金屬封裝中水分含量的方法，溫度測量周期的相對誤差不超過5%，持續(xù)時(shí)間小于25 min。Jachowicz R等人［74-92］研制了新型硅露點(diǎn)探測器，該探測器由1個(gè)溫度計(jì)、2個(gè)加熱器、1個(gè)用于檢測水、過冷水以及冰的電容式交叉數(shù)字傳感器組成。該課題組詳細(xì)介紹了過冷水識(shí)別的試驗(yàn)結(jié)果，討論了電容式交叉式傳感器的理論模型，描述了該傳感器的檢測原理，并利用該原理成功開發(fā)了一種新型指紋傳感器。該課題組還介紹了一種應(yīng)用于喉科的新型快速半導(dǎo)體露點(diǎn)濕度計(jì)，它可以測量吸入空氣的溫度和露點(diǎn)溫度的動(dòng)態(tài)變化，提供了一種利用快速露點(diǎn)濕度計(jì)傳感器測量人體皮膚含水量的新思路。該濕度計(jì)每秒可進(jìn)行5至6次測量，不確定度小于0.3 K，露點(diǎn)測量范圍為-10 ~ 40 ℃。此外，該課題組報(bào)道了全新的、首次制成的印刷式露點(diǎn)傳感器，該傳感器完全采用噴墨打印技術(shù)制造，同時(shí)包含加熱模塊和熱敏電阻模塊。Khan A U等人［93］開發(fā)了基于信號(hào)調(diào)理電路的電容式露點(diǎn)溫度傳感器，在4 × 10-6 ~ 1 × 10-4的滿量程濕度范圍內(nèi)，與露點(diǎn)儀（誤差不超過± 0.1%）相比，該傳感器的濕度測量誤差不超過± 1%，分辨力為10-6。Schönberg J N等人［94］研究了不同表面改性傳感器在不同環(huán)境條件下的濕度和露點(diǎn)測量性能，分析了水吸附和表面潤濕行為影響傳感器性能的模型。Stehle J等人［95-96］研制了一種純硅電容式露點(diǎn)傳感器，露點(diǎn)溫度測量誤差不超過± 2 ℃，響應(yīng)時(shí)間小于40 s，并且性能有望進(jìn)一步提高。Siddiqui A等人［97］討論了一種低成本無源無線的電容式傳感器，將該傳感器性能與商用露點(diǎn)儀進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示在6.5 × 10-6 ~ 12.7 × 10-6的濕度范圍內(nèi)誤差不超過± 1%。Kumar S等人［98］提出了一種用于跟蹤水分傳感的老化電容傳感器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了等效電路和長期漂移分析。采用多孔氧化鋁薄膜制備傳感器檢測3 × 10-6 ~ 1 × 10-4的水分。Dario C［99］提出了一種將溫度傳感器與相對濕度傳感器相結(jié)合，并對結(jié)合后系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱的方法，使該系統(tǒng)達(dá)到RH傳感器的最佳性能區(qū)間，并在較高溫度和較低相對濕度條件下進(jìn)行測量。聶晶等人［100］使用多孔石墨烯數(shù)字間電極構(gòu)建電容傳感器，結(jié)果表明碳基露點(diǎn)傳感器測量誤差不超過± 0.8 ℃，優(yōu)于其他基于電感測參數(shù)的露點(diǎn)儀，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。Islam T等人［101］提出了一種基于傳感器的低成本變壓器油水分在線測量方案，采用低成本材料制備了一種薄膜平行板電容式水分傳感器，用于測量新鮮、陳化和含水0.5%油樣的水分。韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院［102］開發(fā)了一款高空模擬器，其工作溫度范圍為-70 ~ 20 ℃，露點(diǎn)/霜點(diǎn)溫度范圍為-80 ~ 20 ℃，相對濕度范圍為5% ~ 100%。Burgass R等人［103］提出了一種測量氣體中露點(diǎn) / 霜點(diǎn)的新方法，并建立了實(shí)驗(yàn)裝置對氮?dú)?、甲烷和天然氣進(jìn)行測量，結(jié)果顯示測量誤差不超過± 0.1 ℃。
電容式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-20 ~ 20 ℃，測量誤差不超過± 0.1 ℃，多結(jié)合感濕材料應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境露點(diǎn)溫度測量。電容式露點(diǎn)溫度傳感器體積小、制作簡易、功耗低，便于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化。
1.3.2 電阻式露點(diǎn)溫度傳感器
電阻式露點(diǎn)溫度傳感器的半導(dǎo)體制冷器陶瓷冷面安裝有熱敏電阻、加熱器和叉指電極，當(dāng)電極表面產(chǎn)生凝結(jié)時(shí)，根據(jù)電極的導(dǎo)納變化識(shí)別露點(diǎn)，并利用熱敏電阻測得露點(diǎn)溫度，結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 電阻式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.9 Structural diagram of resistance type dew point temperature sensor
Graichen H等人［104］基于露點(diǎn)溫度時(shí)冷卻表面上的水沉積原理開發(fā)了一種露點(diǎn)濕度計(jì)，可安裝在用于測量皮膚表面水蒸氣損失的常規(guī)通風(fēng)汗囊內(nèi)。Seginer I等人［105］報(bào)道了一種冷卻式濕度傳感器及其在溫室夜間濕度控制中的應(yīng)用。Montross M D等人［106］利用市售的葉片濕度傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)冷凝傳感和控制系統(tǒng)來檢測冷凝，其具有低成本、堅(jiān)固耐用、日常維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。Scardaci V等人［107］展示了三種基于柔性基板上噴涂沉積碳納米管網(wǎng)絡(luò)的傳感器，薄片電阻的阻值隨著薄膜溫度的變化而改變，基于此原理檢測露點(diǎn)溫度。Wu Y等人［108］設(shè)計(jì)了一種適用于密封艙室的水分測量裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置能保證在密封腔露點(diǎn)溫度低于0 ℃下進(jìn)行測量。Linke M等人［109-110］測量了大體積水果曲面上的凝結(jié)，雖然成功地測量了凝結(jié)水在水果表面的停留時(shí)間，但對于凝結(jié)的強(qiáng)度只能做出定性的陳述。
電阻式露點(diǎn)溫度傳感器主要測量范圍為-20 ~ 20 ℃，測量誤差不超過± 2 ℃，通常應(yīng)用于呼吸檢測、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的露點(diǎn)溫度測量。電阻式露點(diǎn)溫度傳感器具有較高的靈敏度，且成本較低，但是由于溫度對電阻影響較大，只能在一定溫度范圍內(nèi)工作，且線性度和互換性較差，應(yīng)用范圍受限。
1.3.3 β伏特效應(yīng)露點(diǎn)溫度傳感器
β伏特效應(yīng)露點(diǎn)測量裝置由放射性β粒子源和硅基p?n結(jié)組成。當(dāng)p?n結(jié)表面干燥時(shí)，β粒子進(jìn)入p?n結(jié)并產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓，一旦形成冷凝水層，β粒子就會(huì)被阻擋，p?n結(jié)產(chǎn)生的電壓會(huì)下降，通過測量電壓值變化檢測結(jié)露。Ezzat G.Bakhoum等人［125］利用β伏特原理對露點(diǎn)溫度進(jìn)行了測量，開發(fā)的傳感器具有精度較高、體積較小的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
β伏特效應(yīng)露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-40 ~ 40 ℃，測量誤差不超過± 0.2 ℃，常用于測量特定工業(yè)環(huán)境的露點(diǎn)溫度。β伏特效應(yīng)露點(diǎn)溫度傳感器具有體積小、精度高的優(yōu)勢，但其使用的放射性β粒子對人體有害。
電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)如表3所示。
表3 電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)單位：℃
Tab.3 Index of electrical dew point temperature sensor
1.4 熱學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器
熱學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器利用露點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)引起的熱學(xué)參數(shù)變化進(jìn)行傳感檢測。熱學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器可分為熱電式、干濕球式等。
1.4.1 熱電式露點(diǎn)溫度傳感器
熱電式露點(diǎn)溫度傳感器的工作原理為：當(dāng)待測氣流通過耦合芯片時(shí)，耦合芯片中2個(gè)單元之間的溫度將發(fā)生不同改變，測量被測空氣在通過芯片時(shí)所產(chǎn)生的溫差，推導(dǎo)出被測空氣的濕度。熱電式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 熱電式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.10 Structural diagram of thermoelectric dew point temperature sensor
Jensen O M等人［113］報(bào)道了一種測量材料樣品平衡相對濕度和平衡露點(diǎn)溫度的新方法。Ancey P等人［114］設(shè)計(jì)了應(yīng)用于冷凝水預(yù)防檢測的新型傳感器。Lang W等人［115］報(bào)道了一種特別適用于高濕度條件下的濕度測量方法。Kunze M等人［116-117］報(bào)道了一種基于熱學(xué)原理檢測氣體中水蒸氣露點(diǎn)溫度的新方法，露點(diǎn)溫度可低于環(huán)境溫度45 ℃，最大誤差不超過± 0.2 ℃。此外，Yan J等人［118］研制了基于濕敏薄膜覆蓋的露點(diǎn)溫度傳感器，此傳感器根據(jù)高溫流場的熱效應(yīng)引起的溫度?時(shí)間曲線突變檢測露點(diǎn)。
熱電式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為5 ~ 20 ℃，測量誤差不超過± 0.2 ℃，通常用于測量工業(yè)環(huán)境的露點(diǎn)溫度。熱學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器的測量精度一般，響應(yīng)時(shí)間較長，故應(yīng)用受限。
1.4.2 干濕球露點(diǎn)溫度傳感器
干濕球露點(diǎn)溫度傳感器利用干球與濕球間的溫差實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度測量，當(dāng)空氣濕度較高時(shí)，濕球上的水分蒸發(fā)較慢，濕球溫度較高，干球和濕球之間的溫差較?。划?dāng)空氣濕度較低時(shí)，濕球上的水分蒸發(fā)較快，濕球溫度較低，干球和濕球之間的溫差較大。根據(jù)溫差與濕度之間的關(guān)系，間接得出露點(diǎn)溫度。
Ueda M等人［119］研制了一種簡單的熱電干濕計(jì)，用于測量小容器中樣品的平衡濕度。Gates R S等人［120］進(jìn)行了分量誤差分析，得出干球溫度和相對濕度的測量精度與計(jì)算露點(diǎn)溫度誤差的關(guān)系。分析結(jié)果表明露點(diǎn)溫度誤差在相對濕度小于50%時(shí)最大，并隨干球溫度成比例增加。
干濕球露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-40 ~ 40 ℃，測量誤差不超過± 1.5 ℃，通常用于測量工業(yè)環(huán)境的露點(diǎn)溫度。干濕球露點(diǎn)溫度傳感器成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但是對使用條件要求較高，需要良好的通風(fēng)環(huán)境。
熱學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)如表4所示。
表4 熱學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)單位：℃
Tab.4 Index of thermal dew point temperature sensor
1.5 重量式露點(diǎn)溫度傳感器
重量式露點(diǎn)溫度傳感器的工作原理：待測氣流流經(jīng)干燥劑，氣流中的水分被干燥劑吸收，精確稱取干燥劑吸收的水分質(zhì)量，之后通過計(jì)算推導(dǎo)可以間接得出露點(diǎn)溫度。重量式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 重量式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.11 Structural diagram of weight type dew point temperature sensor
Meyer C W等人［121-122］建立了一種測量壓縮氣體中飽和水含量的裝置。飽和器通過使流動(dòng)的氣體與液態(tài)水保持平衡而使其加濕。然后利用重量濕度計(jì)測量潮濕氣體的水摩爾分?jǐn)?shù)，推導(dǎo)出露點(diǎn)溫度。
重量式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-70 ~ 80 ℃，測量誤差不超過± 0.1 ℃，可作為濕度計(jì)量的基準(zhǔn)，精度極高，但測量過程相對繁瑣，響應(yīng)極慢，且需要精密保養(yǎng)，不適用于現(xiàn)場測試。
1.6 化學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器
化學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器的工作原理：待測氣體與器件上的特定物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，利用原料消耗量或新生成產(chǎn)物量計(jì)算所消耗的水分量，間接得出露點(diǎn)溫度?；瘜W(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器可分為庫侖式、色譜?質(zhì)譜式等。
1.6.1 庫侖式露點(diǎn)溫度傳感器
庫倫式露點(diǎn)溫度傳感器基于電化學(xué)方法，待測氣體中的水在電解池中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，直至水分全部耗盡。依據(jù)法拉第電解定律，電解產(chǎn)物質(zhì)量與電解耗電量成正比，也與被測水分的質(zhì)量成正比，通過對耗電量的測量可以間接計(jì)算得出露點(diǎn)溫度。結(jié)構(gòu)如圖12所示。
圖12 庫侖式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖
Fig.12 Structural diagram of Coulomb dew point temperature sensor
Detjens M等人［111-112］利用微型平面庫侖傳感器，在氫氣、氮?dú)狻⒑?、氧化亞氮和合成空氣等氣體中測量微量濕度。庫侖式露點(diǎn)溫度傳感器主要測量范圍為-90 ~ -15 ℃，測量誤差不超過± 2 ℃，通常用于測量工業(yè)混合氣體的露點(diǎn)溫度。庫侖式露點(diǎn)溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，適用于低濕度環(huán)境以及含有腐蝕性氣體環(huán)境中的露點(diǎn)溫度測量，缺點(diǎn)是精度較低。
1.6.2 色譜?質(zhì)譜式露點(diǎn)溫度傳感器
色譜?質(zhì)譜式露點(diǎn)溫度傳感器的工作原理：待測氣體中的水分與特定化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)后，利用分析儀將樣品組分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，從而間接計(jì)算得到露點(diǎn)溫度。Løkken T V等人［124］利用色譜原理進(jìn)行露點(diǎn)溫度測量，該方法測量有機(jī)混合氣體的露點(diǎn)精度較高。色譜?質(zhì)譜式露點(diǎn)溫度傳感器的一般測量范圍為-70 ~ 10 ℃，測量誤差不超過± 2 ℃，通常用于測量工業(yè)混合有機(jī)氣體的露點(diǎn)溫度。色譜?質(zhì)譜式露點(diǎn)溫度傳感器穩(wěn)定性高、耐用性好，適用于測量有機(jī)混合氣體與低濕度氣體的露點(diǎn)溫度，但是對待測氣體特定反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)要求嚴(yán)格，且精度較低。
化學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)如表5所示。
表5 化學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器指標(biāo)單位：℃
Tab.5 Index of chemical dew point temperature sensor
2、 露點(diǎn)溫度傳感器的應(yīng)用
露點(diǎn)溫度傳感器已被應(yīng)用于氣象監(jiān)測、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域中。Pirrotta S等人［126］利用光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器進(jìn)行大氣與海洋結(jié)構(gòu)監(jiān)測，為氣象研究提供了可靠的參考。早期露點(diǎn)溫度傳感器在有機(jī)混合物氣體檢測領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，Trampe D B等人［4］、Brown A S等人［8］、Ishida K等人［27］分別采用冷鏡式、圖像式、QCM露點(diǎn)溫度傳感器對有機(jī)混合物氣體的露點(diǎn)溫度進(jìn)行測量。露點(diǎn)溫度是風(fēng)洞試驗(yàn)中的重要參數(shù)，聶偉等人［15-16］、Nowak J L等人［19］利用光譜式露點(diǎn)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞試驗(yàn)中露點(diǎn)溫度寬范圍、快響應(yīng)、高穩(wěn)定性測量。Hadjiloucas S等人［127］利用光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境濕度，使種植者能夠快速制定灌溉策略。Brengelmann G L等人［1］利用光學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器進(jìn)行汗液檢測，輔助醫(yī)生監(jiān)測病人代謝情況。Jachowicz R等人［84］、Esmaeilzadeh H等人［55］分別利用QCM式與電學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器進(jìn)行特定生物氣體的檢測，助力醫(yī)藥/病理成分分析。
隨著科技的不斷發(fā)展，前沿領(lǐng)域?qū)β饵c(diǎn)溫度測量提出了更高要求。高溫氣冷堆監(jiān)測領(lǐng)域中，需要在200 ℃、0.1 ~ 7 MPa的環(huán)境下，對30 ~ 90 ℃的露點(diǎn)溫度進(jìn)行測量；油氣田有機(jī)混合物檢測領(lǐng)域中，需要在20 ~ 80 ℃、0.1 ~ 6 MPa的環(huán)境下，對30 ~ 40 ℃的露點(diǎn)溫度進(jìn)行測量；燃料電池研制領(lǐng)域中，需要在在-40 ~ 150 ℃、0.1 ~ 0.4 MPa的環(huán)境下，對40 ~ 95 ℃的露點(diǎn)溫度進(jìn)行測量。上述領(lǐng)域?qū)β饵c(diǎn)溫度測量范圍及環(huán)境條件提出了新的要求，露點(diǎn)溫度傳感器需要在高溫高壓環(huán)境中，對高露點(diǎn)溫度進(jìn)行測量，并滿足測量精度的要求。目前大部分傳統(tǒng)露點(diǎn)溫度傳感器很難直接在上述極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)測量，通常需要將高溫高壓的待測氣體轉(zhuǎn)換為常溫常壓氣體后再進(jìn)行測量，雖能在一定程度上解決露點(diǎn)溫度測量問題，但轉(zhuǎn)換過程會(huì)不可避免地對待測氣體造成影響，降低測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；且需要使用復(fù)雜的轉(zhuǎn)換裝置，成本較高。
3、 總結(jié)與展望
介紹了光學(xué)式、諧振式、電學(xué)式、熱學(xué)式、重量式、化學(xué)式露點(diǎn)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，總結(jié)了各類露點(diǎn)溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，論述了露點(diǎn)溫度傳感器在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著研究的不斷深入，露點(diǎn)溫度傳感器在小型化、集成化、智能化方面取得了很大進(jìn)展。然而，新的機(jī)遇與諸多挑戰(zhàn)并存，要在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，還有很長的路要走。下面對露點(diǎn)溫度傳感器未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望：
1） 在實(shí)現(xiàn)高精度測量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化。目前高精度露點(diǎn)溫度傳感器（例如MBW373型等）通常體積龐大，較為笨重，無法實(shí)現(xiàn)便攜化，不適用于現(xiàn)場環(huán)境測量；目前市場上流行的便攜式露點(diǎn)溫度傳感器（例如Vaisala DMT340型等）雖能應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境測量，但測量精度遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)準(zhǔn)儀器的測量精度。未來需要研制準(zhǔn)確性高且體積較小、便攜性較好的露點(diǎn)溫度傳感器，以滿足現(xiàn)場環(huán)境中高精度測量的需求。
2） 實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下的高精度、高穩(wěn)定性、高響應(yīng)。目前，大部分傳統(tǒng)露點(diǎn)溫度傳感器的使用條件與測量指標(biāo)很難滿足極端環(huán)境下露點(diǎn)溫度測量的要求，未來需要基于新材料研制能夠在極端環(huán)境下可靠工作的露點(diǎn)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)極端工況下的高精度露點(diǎn)測量。
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