TDLAS湿度传感器与维萨拉湿度传感器性能对比研究

贾渠 李彦林 常洋 鞠昱

摘 要：水汽含量对于诸如文物保护、气象、工业生产等领域都有明确标准并需要严格控制，因此能够精确和快速的实现环境湿度监测已成为一大研究热点。现在常用的湿度传感器为芬兰VAISALA生产的湿度传感器系列，但是其测湿部分采用聚合物高分子薄膜电容传感器，存在响应时间长，褪湿慢等缺点，已经不能满足用户需求。基于TDLAS技术的湿度传感器使用半导体激光器作为光源，参考气室提供光谱调节反馈，构成了一种高精度水汽含量检测系统，响应速度快，灵敏度高，可以克服传统湿度传感器的不足。该文以米歇尔露点仪为标准，对比测试了TDLAS湿度传感器与传统的VAISALA电容传感器响应时间、测量精度等性能。证明了TDLAS湿度传感器具有更好的测量准确度与灵敏度。

关键词：湿度传感器 TDLAS VAISALA 实验对比

中图分类号：O436 文献标识码：A 文章编号：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

水汽含量对于诸如文物保护、天气分析和预报、微气象学、工业生产等领域都有明确要求并需要严格控制，对水汽信息监测的不足，限制了这些领域的发展。传统的湿度传感器在使用中出现低温、高湿环境测量不准确，响应时间慢等问题，无法满足现代化气象参数监测需要[1]。而基于TDLAS技术的湿度传感系统，在改善湿度测量精度、重复性方面的性能表现均优于传统电容式湿度传感器[2-4]。

1 试验方法设计

此对比研究的目的是比较基于TDLAS技术的光纤湿度传感器和基于湿敏电容的VAISALA湿度传感器在响应时间、稳定时长、测量精度等方面的性能表现。试验所用TDLAS湿度传感器为北京航天易联科技发展有限公司所研发的产品，VAISALA湿度传感器选用已经使用过一段时间的一支HMP155a传感器和两支新购的HMP155传感器。试验时，以使用过的HMP155a与TDLAS作比较，另两只新购HMP155作为辅助对比。

对比试验的标准设备为米歇尔S8000露点仪，实验环境产生装置为国瑞智公司生产的双压法湿度发生器，测试温度为20 ℃。

试验方法为：调节双压法湿度发生器相对湿度，使其在升湿过程中，由20%～70%每隔10%变化一次，70%～95%每隔5%变化一次，降湿过程中95%～70%每隔5%变化一次，再按照70%～50%～30%～20%降湿，每个湿度环境稳定20 min左右（由于VAISALA稳定时长较长，以VAISALA示数不发生跳动为准），实时记录各设备仪器的相对湿度示数，并作图对比。试验过程中，发现两支新购HMP155湿度传感器示值跳跃较大，无法确定其真实示值，决定取其上下的平均值为参考，只要其平均值与参加对比试验的HMP155a示值相差不超过1%，就认为测试数据可信。

2 试验结果分析

试验结果如图1、2、3所示。图1为相对湿度20%～70%升湿过程实时数据图，可以看出在此升湿过程中，三者趋势一致，但从相对湿度40%开始，TDLAS湿度传感器的响应速度明显快于VAISALA湿度传感器，初步体现TDLAS在响应时间上的优势。

图2为相对湿度70%～95%升湿过程实时数据图，由此图看出，VAISALA湿度传感器已经出现“高湿上不去”的现象，并且响应时间明显加长，大大影响了实际环境的测试效率；而TDLAS湿度传感器不仅响应时间快，示值也十分准确，能够在高湿环境应用中凸显优势。

图3为相对湿度95%～20%降湿过程实时数据图，整个过程VAISALA都出现“低湿下不来”现象，分析其主要原因是湿敏电容自身就存在褪湿慢的问题；TDLAS在高湿环境（相对湿度80%～95%）的升湿和降湿过程中，响应速度无明显变化，升、降湿过程中相同湿度的示数也基本一致，由此可见，TDLAS在高湿环境的可靠性要比VAISALA更好。

3 试验稳定时间充分性论证

为验证高湿试验中VAISALA稳定时间是否充分，又增加一组试验：高湿环境每个湿度稳定10～20 min，示数不跳动则进行记录，再观察30 min，示数不变认为稳定，如期间示数有变化则顺延10分钟。试验数据见表1。

由表1可见，VAISALA湿度传感器稳定10～20 min的数据是可靠的，表中反映出的VAISALA高湿环境的工作状况与图2和图3中数据趋势一致，证明本试验的数据性靠。

4 结语

图4为整体试验数据趋势图，可明显看出TDLAS和VAISALA与露点仪示数相比，趋势一致，误差均不超过3%，但相比VAISALA湿度传感器，TDLAS具有响应速度快，稳定时间短，高湿环境准确度高、恢复性好等明显优势。

参考文献

[1] 杨健，张玉存，宋志刚.湿度测量体制历史和现状分析及建议[J].气象水文海洋仪器，2009，6（2）：17-23.

[2] 鞠昱，谢亮，韩威，等.基于红外波段光谱吸收的小型化湿度探测系统[J].强激光与电子束，2011，23（2）：363-366.

[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.

[4] Fuller Mike，Amerov Airat， Fiore Bob.An internal Verification check approach for online TDLAS moisture analysis [OL]. Canadian Gas Association.