近红外湿度测量仪研究

　　引 言

　　目前，全球对大气湿度测量的需求不断增长，湿度测量在工农业生产和国防建设中得到了广泛应用，具有较高的经济和社会效益。但在众多大气物理参数中，湿度还受其它物理量的影响，实现对湿度的高精度测量比较困难。利用各种物理和化学方法测量环境湿度的原理很多，如蒸发法、湿度计法、电学法、化学法、谱吸收法等[1]，由此研制出了基于不同测量原理和方法的湿度传感器。目前应用最为广泛的湿度传感器的传感机理是：利用敏感元件的吸湿性，当其吸收不同质量的水分后，其物理参数如电阻、电容量等随之发生变化，将这种变化转变成电信号后输出。利用这种传感机理制造的传感器响应时间长，精度还不够高，湿滞效应大。这使其应用受到了限制，尤其在动态测量诸如管道内高温、高速流动的大气湿度时，一般湿度传感器无法胜任。红外分析技术也是测量环境大气湿度的有效方法和手段之一，本文利用近红外分析技术(NIRA)来实现对环境大气湿度的高精度、动态、分布式、无接触测量。

　　1 红外测湿的基本原理

　　湿度有绝对湿度和相对湿度概念的区分。绝对湿度是指被测气体单位体积内所含的水蒸气质量。被测气体含有最大可能的水蒸气量时则达到饱和，当气压和温度一定，饱和的单位体积大气的水蒸气含量也恒定(其数值表见文献[1])。被测气体的水蒸气含量与其达到饱和时含有的水蒸气量之比称为相对湿度，它和绝对湿度可相互计算转化，相对湿度(%)=绝对湿度/饱和水蒸气含量。而露点则是指被测气体的水蒸气含量达到饱和时的温度值。

　　当红外线在空气中传播时，空气中的水蒸气对红外辐射具有吸收作用，并服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律。水蒸气对单色红外辐射的吸收效果由下式确定：

式中P 是红外线通过吸收层后的出射辐射通量，P0是进入吸收层的入射辐射通量，x 是通过吸收层的路径长度，α(λ)是吸收系数，正比于水蒸气浓度。则水蒸气的透过率：

　　1912 年，Fowle 首次提出红外线测量湿度的方法[1]，通过测量空气在两个不同波长上的透过率，这两个波长的透过率之比是空气中水蒸气含量的函数。两个测量波长的选择：一个是水蒸汽吸收带的峰值波长λ (敏感波长)，另一个波长λ0(参考波长) 处于靠近λ 且没有水蒸气吸收的地方。这样可以消除其它因素的影响，排除与湿度无关物理参量对红外线的干扰，提高测量灵敏度和精度。一般地，敏感波长可选择为λ=1.94μm，参考波长为λ0=2.2μm。