低温霜点湿度计基于冷镜原理。主要部件是一个小镜子，镜温受控以便其表面维持一个薄而恒定层的水凝物（液态或固态）覆盖，此时镜温等于流经传感器空气的霜点温度或露点温度。表面覆盖薄层水凝物的镜子的温度状态由发光二极管（LED）检测，发光二极管向镜子发出红外光，镜面反射光通过光电探测器感应到，反射光的数量随着水凝物的形成而变化。然后，光电探测器接收到的信号用于调节该反馈回路中的镜温，从而维持环境霜点温度或露点温度。镜子由加热器线圈加热，而由低温液体（目前为三氟甲烷）冷却。一个微控制器启动这些过程，快速加热或冷却镜子，使其温度反映当前的霜点或露点。低温液体可将镜子冷却至低于环境温度30～85℃。根据镜面温度，就可以计算出大气中的水汽含量。

低温霜点湿度计对水汽浓度的敏感度要比标准无线电探空仪大得多。测量霜点或露点温度的精度优于0.2开，测量不确定度依赖于高度，从热带地区对流层下部的小于4%变化至平流层中部28千米附近的不足10%，在对流层顶附近小于9%。