高溫高濕環(huán)境對(duì)氣象用濕度傳感器穩(wěn)定性的影響

袁帥 李建宇

摘 要：在我國(guó)氣象領(lǐng)域，濕敏電容傳感器被廣泛用于測(cè)量空氣濕度。我國(guó)南方地區(qū)夏季常年處于高溫高濕環(huán)境，為研究環(huán)境溫度對(duì)濕度測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，選取8支長(zhǎng)期處于高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境35℃和20℃時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)誤差及半年漂移量的變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明，長(zhǎng)期處于高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器，低濕點(diǎn)誤差出現(xiàn)負(fù)漂移，測(cè)得值比實(shí)際值偏小，并且使用年限越長(zhǎng)負(fù)偏差越大。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器；高溫高濕；穩(wěn)定性；溫度影響；半年漂移量

1 緒論

空氣濕度是氣象觀測(cè)的重要參數(shù)，對(duì)于氣象預(yù)報(bào)、氣候研究以及農(nóng)業(yè)、航空等領(lǐng)域具有重要意義。高分子薄膜濕敏電容作為典型的濕度測(cè)量元件，介電常數(shù)不僅隨著空氣濕度而變化，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，也會(huì)引起介電常數(shù)變化，給濕度測(cè)量帶來(lái)附加誤差。

穩(wěn)定性是指儀器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力，是靜態(tài)特性的重要參數(shù)。我國(guó)南方地區(qū)的夏季，濕度傳感器長(zhǎng)期處于高溫高濕的環(huán)境中，隨著使用年限增加，濕度傳感器的穩(wěn)定性變差，漂移量很難控制在允許誤差范圍內(nèi)。

2 測(cè)試簡(jiǎn)況

選取8支濕度傳感器，放置到現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)或模擬環(huán)境中至少使用半年，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，分析高溫高濕環(huán)境對(duì)濕度傳感器的影響，找出測(cè)量誤差及半年漂移量的變化規(guī)律，幫助對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

《JJG（氣象）0032011自動(dòng)氣象站濕度傳感器檢定規(guī)程》規(guī)定濕度測(cè)量的最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH）和±8%RH（>80%RH）。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)器及測(cè)試設(shè)備

2.2.1DewStars精密露點(diǎn)儀

露點(diǎn)、霜點(diǎn)測(cè)量范圍：（40～50）℃

最大允許誤差：±0.2℃ DP

2.1.2偉思富奇調(diào)溫調(diào)濕箱

溫度工作范圍：（70～180）℃；

相對(duì)濕度工作范圍：10%～98%。

2.2 被測(cè)儀器

被測(cè)的8支傳感器分別來(lái)自無(wú)錫廠（江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司）和芬蘭Vaisala公司，下表給出了各傳感器的型號(hào)、編號(hào)和使用年限。

2.3 測(cè)試方法

從2017年3月開始試驗(yàn)，B254、C160安裝到臺(tái)站用于日常觀測(cè)，6103、D035、C3850012、D2750052在實(shí)驗(yàn)室用調(diào)溫調(diào)濕箱模擬高溫高濕環(huán)境進(jìn)行使用。2017年9月從臺(tái)站取回B254、C160，另取在臺(tái)站使用年限超過(guò)半年的SD1304.1125、11123000到實(shí)驗(yàn)室一起測(cè)試。

測(cè)試中選取35℃作為高溫點(diǎn)和20℃作為常溫點(diǎn)，依據(jù)檢定規(guī)程對(duì)濕度點(diǎn)30%、40%、55%、75%和95%進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)有兩對(duì)不同濕度變化趨勢(shì)的數(shù)據(jù)，濕度測(cè)試點(diǎn)誤差為該測(cè)試點(diǎn)4次單次測(cè)量誤差的平均值。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的分析

首先，將每支濕度傳感器在不同溫度條件下，不同濕度測(cè)試點(diǎn)上的測(cè)量誤差繪制成曲線圖，然后利用誤差半年漂移量定量表征濕度傳感器的穩(wěn)定性，繪制漂移量隨濕度測(cè)試點(diǎn)變化的曲線圖，從兩方面一起分析高溫高濕對(duì)傳感器的影響。半年漂移量為使用半年前后各濕度測(cè)試點(diǎn)誤差的差值。

3.1 35℃時(shí)測(cè)量誤差變化規(guī)律

在高溫點(diǎn)測(cè)試中，圖1給出了35℃時(shí)測(cè)量誤差變化曲線。使用年限較長(zhǎng)的2個(gè)HMP45D濕度傳感器在高濕點(diǎn)超差，C3850012在75%RH為5.5、95%RH為8.3，D2750052在75%為4.1；從臺(tái)站取回的DHC2濕度傳感器SD1304.1125在55%RH點(diǎn)超差，誤差為+4.5。其它濕度傳感器都沒(méi)有超差，但誤差在55%RH達(dá)到極值。

所有濕度傳感器在35℃時(shí)超差不嚴(yán)重，只有一支在95%RH超差。

3.2 20℃時(shí)測(cè)量誤差變化規(guī)律

在常溫點(diǎn)測(cè)試中，圖2給出了20℃時(shí)測(cè)量誤差變化曲線。B254、C160在30%RH超差，C3850012、D2750052、11123000在30%RH、40%RH和55%RH超差。大多數(shù)濕度傳感器在低濕點(diǎn)30%RH和40%RH出現(xiàn)負(fù)超差，使用年限越長(zhǎng)的超差越嚴(yán)重。所有傳感器在高濕點(diǎn)95%RH不超差，但呈現(xiàn)正偏差趨勢(shì)。

3.3 誤差漂移量的變化規(guī)律

2017年從臺(tái)站取回B254、C160和SD1304.1125、11123000后，和其他濕度傳感器在常溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一起測(cè)試，觀察誤差漂移量變化趨勢(shì)。SD1304.1125、11123000

無(wú)上一年的測(cè)試數(shù)據(jù)，只比較6支。從圖3中曲線來(lái)看，30%RH、40%RH、55%RH時(shí)只有C3850012正漂移，其余都是負(fù)漂移；75%RH時(shí)只有D2750052正漂移，其余都是負(fù)漂移；95%RH時(shí)正負(fù)漂移各半。

從變化趨勢(shì)來(lái)看，B254、C160、6103、D035在低濕點(diǎn)30%RH、40%RH、55%RH時(shí)負(fù)漂移偏多，而在高濕點(diǎn)時(shí)偏少；D2750052在低濕點(diǎn)30%RH、40%RH 時(shí)負(fù)漂移相對(duì)偏多，在高濕點(diǎn)95%RH時(shí)正漂移偏多；C3850012的變化曲線呈現(xiàn)與其他傳感器相反的趨勢(shì)，考慮到是使用年限較長(zhǎng)性能變差后出現(xiàn)了異常值。

根據(jù)對(duì)半年漂移量的觀測(cè)，長(zhǎng)期處于高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器，在常溫時(shí)低濕點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)漂移，測(cè)得值比實(shí)際值偏小。

3.4 濕度傳感器檢定周期的合理性分析

氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性依賴于氣象儀器的穩(wěn)定性，因此合理進(jìn)行計(jì)量檢定有指導(dǎo)性意義。依據(jù)氣象行業(yè)檢定規(guī)程，參加測(cè)試的8套濕度傳感器僅3套符合技術(shù)指標(biāo)要求，5套不符合要求，不合格率高達(dá)62.5%。

儀器漂移產(chǎn)生的超差可以按照檢定規(guī)程中給出的方法調(diào)整后重新檢定予以解決，檢定規(guī)程規(guī)定濕度傳感器檢定周期為1年，根據(jù)本文中測(cè)試和研究表明，在高溫高濕環(huán)境中被測(cè)設(shè)備經(jīng)過(guò)半年使用，超過(guò)60%的濕度傳感器因漂移而超差，已經(jīng)不能滿足技術(shù)要求，必須調(diào)整后再次檢定。

為了保證濕度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，依據(jù)規(guī)程要求，觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)濕度值出現(xiàn)異常時(shí)必須提前送檢，這與本文的研究結(jié)果是一致的。因此，合理利用地市級(jí)移動(dòng)計(jì)量檢定設(shè)備，至少半年就進(jìn)行校準(zhǔn)是非常必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文觀察高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器誤差和半年漂移量變化規(guī)律，定量分析傳感器穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：長(zhǎng)期處于高溫高濕工作環(huán)境的濕度傳感器，穩(wěn)定性變差，低濕點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)漂移，測(cè)得值比實(shí)際值偏小，并且使用年限越長(zhǎng)負(fù)偏差越大。

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