● 摘要
大气湿度是一个在人类生活、生产和军事领域都十分重要的物理量。湿度测量在大气环境监测、国防工业以及科学实验等领域发挥着重要的作用，随着高新技术的发展，对湿度的高精度测量要求也日益增加。由于大气湿度是一个与温度、压力等多参数耦合的一个物理量，使得湿度的精密测量一直被公认为是一项世界性难题。露点温度作为湿度量值传递的标准，探索和研究新型高精度露点测量机理及仪器成为目前湿度测量领域的重点方向。论文根据现代湿度检测的要求提出一种石英谐振式露点测量机理并对其实现方法展开研究，主要内容如下：
1.研究了AT切型石英晶体谐振器（Quartz Crystal Resonator，QCR）的机械特性。在本论文的研究中将QCR作为露点传感装置中的敏感元件，因此文中利用石英谐振理论并结合计算机仿真，分别对QCR的材料参数、振动模式和振动耦合等特性进行了理论推导和分析，通过得到不同振荡条件下QCR尺寸以及表面电极的设计参数，为选择QCR与半导体制冷器相结合的方式提供了理论依据，从而实现了对露点测量装置中敏感单元的设计。
2.研究了QCR的电特性。推导和描述了QCR存在的几种谐振频率的计算以及所表达的物理意义。对QCR电极表面存在不同待测物质时的等效电路做了详细地分析，利用仿真的手段分析了当待测物质分别为刚性薄层和牛顿液体时对QCR等效电路中各等效元件参数的影响以及对QCR的频谱特性曲线的影响规律，为本文利用敏感电路机理识别露点的实现提供理论基础。
3.研究了QCR的温频特性。从理论的角度分析了石英晶片的温频特性并详细阐述了AT切型QCR的温频特性以及对其影响的因素。搭建了一个基于VXI 总线仪器模块的高精度温度频率特性试验平台，针对论文实验所采用的4MHz石英晶片的温度频率特性进行研究实验，得出了在-30℃~50℃温度范围内温度与QCR频率的对应关系，分析结果对本文采用频率输出型露点测量的实现提供了温频补偿依据，从而保证对露点测量的准确度。
4.提出了基于石英谐振敏感电路的露点识别方法，巧妙的利用了传统石英谐振驱动电路在QCR电极表面遇到水分凝结的情况下无法起振的特点，将电路起振与停振的临界点作为识别空气水分凝结的一个参考现象，首次将该原理引入到湿度测量技术中。首先结合石英谐振敏感电路原理和QCR阻抗特性从理论的角度验证该方法在露点识别中的可行性，随后利用了高速摄影和高倍显微镜对石英晶片表面结露时刻与敏感电路输出信号的对应关系进行了微观验证，进一步验证了该方法在露点识别中的可靠性。最后针对高湿环境利用该方法对其相对湿度进行了实验研究，结果显示该方法在高湿环境中可以快速准确的获得环境相对湿度。
5.针对频率输出型原理在露点测量中进行了实验研究。首先对湿敏单元中QCR的动态温频特性进行实验分析，得出了在不同环境温度和制冷功率下的温频特性，结合实际测量需求对动态温频特性与静态温频特性的实验结果进行了对比分析，结果显示在实际的露点测量中为了保证测量精度，必须使用静态的温频特性进行温度补偿。最后选取了三组湿度环境对该方法进行了实验研究，测量误差控制在±3℃，并分析得到了测量中误差的主要来源。