TDLAS濕度傳感器與維薩拉濕度傳感器性能對(duì)比研究

賈渠 李彥林 常洋 鞠昱

摘 要：水汽含量對(duì)于諸如文物保護(hù)、氣象、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有明確標(biāo)準(zhǔn)并需要嚴(yán)格控制，因此能夠精確和快速的實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度監(jiān)測已成為一大研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在常用的濕度傳感器為芬蘭VAISALA生產(chǎn)的濕度傳感器系列，但是其測濕部分采用聚合物高分子薄膜電容傳感器，存在響應(yīng)時(shí)間長，褪濕慢等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足用戶需求?；赥DLAS技術(shù)的濕度傳感器使用半導(dǎo)體激光器作為光源，參考?xì)馐姨峁┕庾V調(diào)節(jié)反饋，構(gòu)成了一種高精度水汽含量檢測系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，靈敏度高，可以克服傳統(tǒng)濕度傳感器的不足。該文以米歇爾露點(diǎn)儀為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比測試了TDLAS濕度傳感器與傳統(tǒng)的VAISALA電容傳感器響應(yīng)時(shí)間、測量精度等性能。證明了TDLAS濕度傳感器具有更好的測量準(zhǔn)確度與靈敏度。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器 TDLAS VAISALA 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

中圖分類號(hào)：O436 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（a）-0030-03

Comparative Study Between TDLAS Humidity Sensor and VAISALA Humidity Sensor

Jia Qu Li Yanlin Chang Yang Ju Yu

（1.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing Aerospace Yilian Science&Technology Development co.Ltd， Beijing100074， China；2.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；

3.Beijing Key Lab.of Bioelectromagnetics，Beijing 100190，China）

Abstract：Water vapor content must be measured accurately and controlled strictly in areas such as cultural relics protection， meteorology，industrial production，etc.So，it becomes a research hotspot that to monitor environment humidity rapidly and accurately.Now，the most commonly instruments used to measure humidity are the VAISALA humidity sensors，but the moisture part of VAISALA depend on the capacitance sensor， which made by macromolecule polymer film.These humidity sensors have many disadvantages in the actual measurement， such as response slow，measurement inexact etc.The TDLAS humidity sensing system uses semiconductor laser as light source， and has a reference gas cell to provide feedback.In this paper， the MICHELL dew-point instrument is used as standard of humidity measurement，and the contrast experiment between the TDLAS sensing system and the VAISALA sensor is present， which proves that the former has better measurement accuracy and repeatability， and can overcome the shortcomings of traditional humidity sensors.

Key Words：Humidity Sensor；TDLAS；VAISALA；Comparative Study

水汽含量對(duì)于諸如文物保護(hù)、天氣分析和預(yù)報(bào)、微氣象學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有明確要求并需要嚴(yán)格控制，對(duì)水汽信息監(jiān)測的不足，限制了這些領(lǐng)域的發(fā)展。傳統(tǒng)的濕度傳感器在使用中出現(xiàn)低溫、高濕環(huán)境測量不準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間慢等問題，無法滿足現(xiàn)代化氣象參數(shù)監(jiān)測需要[1]。而基于TDLAS技術(shù)的濕度傳感系統(tǒng)，在改善濕度測量精度、重復(fù)性方面的性能表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)電容式濕度傳感器[2-4]。

1 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

此對(duì)比研究的目的是比較基于TDLAS技術(shù)的光纖濕度傳感器和基于濕敏電容的VAISALA濕度傳感器在響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)長、測量精度等方面的性能表現(xiàn)。試驗(yàn)所用TDLAS濕度傳感器為北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司所研發(fā)的產(chǎn)品，VAISALA濕度傳感器選用已經(jīng)使用過一段時(shí)間的一支HMP155a傳感器和兩支新購的HMP155傳感器。試驗(yàn)時(shí)，以使用過的HMP155a與TDLAS作比較，另兩只新購HMP155作為輔助對(duì)比。

對(duì)比試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為米歇爾S8000露點(diǎn)儀，實(shí)驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生裝置為國瑞智公司生產(chǎn)的雙壓法濕度發(fā)生器，測試溫度為20 ℃。

試驗(yàn)方法為：調(diào)節(jié)雙壓法濕度發(fā)生器相對(duì)濕度，使其在升濕過程中，由20%～70%每隔10%變化一次，70%～95%每隔5%變化一次，降濕過程中95%～70%每隔5%變化一次，再按照70%～50%～30%～20%降濕，每個(gè)濕度環(huán)境穩(wěn)定20 min左右（由于VAISALA穩(wěn)定時(shí)長較長，以VAISALA示數(shù)不發(fā)生跳動(dòng)為準(zhǔn)），實(shí)時(shí)記錄各設(shè)備儀器的相對(duì)濕度示數(shù)，并作圖對(duì)比。試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)兩支新購HMP155濕度傳感器示值跳躍較大，無法確定其真實(shí)示值，決定取其上下的平均值為參考，只要其平均值與參加對(duì)比試驗(yàn)的HMP155a示值相差不超過1%，就認(rèn)為測試數(shù)據(jù)可信。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2、3所示。圖1為相對(duì)濕度20%～70%升濕過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖，可以看出在此升濕過程中，三者趨勢一致，但從相對(duì)濕度40%開始，TDLAS濕度傳感器的響應(yīng)速度明顯快于VAISALA濕度傳感器，初步體現(xiàn)TDLAS在響應(yīng)時(shí)間上的優(yōu)勢。

圖2為相對(duì)濕度70%～95%升濕過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖，由此圖看出，VAISALA濕度傳感器已經(jīng)出現(xiàn)“高濕上不去”的現(xiàn)象，并且響應(yīng)時(shí)間明顯加長，大大影響了實(shí)際環(huán)境的測試效率；而TDLAS濕度傳感器不僅響應(yīng)時(shí)間快，示值也十分準(zhǔn)確，能夠在高濕環(huán)境應(yīng)用中凸顯優(yōu)勢。

圖3為相對(duì)濕度95%～20%降濕過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖，整個(gè)過程VAISALA都出現(xiàn)“低濕下不來”現(xiàn)象，分析其主要原因是濕敏電容自身就存在褪濕慢的問題；TDLAS在高濕環(huán)境（相對(duì)濕度80%～95%）的升濕和降濕過程中，響應(yīng)速度無明顯變化，升、降濕過程中相同濕度的示數(shù)也基本一致，由此可見，TDLAS在高濕環(huán)境的可靠性要比VAISALA更好。

3 試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間充分性論證

為驗(yàn)證高濕試驗(yàn)中VAISALA穩(wěn)定時(shí)間是否充分，又增加一組試驗(yàn)：高濕環(huán)境每個(gè)濕度穩(wěn)定10～20 min，示數(shù)不跳動(dòng)則進(jìn)行記錄，再觀察30 min，示數(shù)不變認(rèn)為穩(wěn)定，如期間示數(shù)有變化則順延10分鐘。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可見，VAISALA濕度傳感器穩(wěn)定10～20 min的數(shù)據(jù)是可靠的，表中反映出的VAISALA高濕環(huán)境的工作狀況與圖2和圖3中數(shù)據(jù)趨勢一致，證明本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)性靠。

4 結(jié)語

圖4為整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢圖，可明顯看出TDLAS和VAISALA與露點(diǎn)儀示數(shù)相比，趨勢一致，誤差均不超過3%，但相比VAISALA濕度傳感器，TDLAS具有響應(yīng)速度快，穩(wěn)定時(shí)間短，高濕環(huán)境準(zhǔn)確度高、恢復(fù)性好等明顯優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊健，張玉存，宋志剛.濕度測量體制歷史和現(xiàn)狀分析及建議[J].氣象水文海洋儀器，2009，6（2）：17-23.

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[3] Liu J T C，Jeffries J B， Hanson R K.Wavelength modulation absorption spectroscopy with 2f detection using multiplexed diode lasers for rapid temperature measurements in gaseous flows[J]. Applied Physics B，2004（78）：503-511.

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