HMP155濕度傳感器超差分析及調(diào)整

王華章 孫貞 韓冰 張晶

摘要：通過對HMP155溫濕度傳感器工作原理和誤差成因進行分析，并給出相應的處理方法，以M2000作為發(fā)生器和標準器提供標準環(huán)境，利用萬用表、模擬開關(guān)、模擬接口、3MS軟件實時讀取和顯示數(shù)據(jù)，總結(jié)出一種行之有效的調(diào)整方法，并根據(jù)濕度檢定規(guī)程對調(diào)整結(jié)果進行檢驗，解決了濕度傳感器的超差問題，保證了濕度傳感器測量值的客觀性和準確性。

關(guān)鍵詞：HMP155溫濕度傳感器；調(diào)整方法；超差；客觀性

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）10-0101-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.10.026

Ultrasonic Analysis and Adjustment of HMP155 Humidity Sensor

WANG Hua-zhang，SUN Zhen，HAN Bing，ZHANG Jing

（Dalian Meteorological Equipment Security Center，Dalian 116001，Liaoning，China）

Abstract： Through the analysis of the working principle and error cause of HMP155 temperature and humidity sensor，the corresponding treatment method is given.The problem of humidity sensor has been solved by using M2000 as a generator and provide a standard environment standard，using the multimeter，analog switch， analog interface，3MS software always read and display of data，sums up an effective adjustment method，according to the result of humidity verification regulation for adjusting and testing.At last，the objectivity and accuracy of measurement value of humidity sensor has been ensured.

Key words： HMP155 temperature and humidity sensor； adjustment method； hyperdifference； objectivity

濕敏電容濕度傳感器是利用有機高分子膜作介質(zhì)的一種小型電容器，用于自動站測量空氣相對濕度，其將感應的空氣濕度轉(zhuǎn)換成相對映被測的電信號，自動氣象站的采集器以一定的采樣頻率對濕度傳感器輸出的被測電信號采樣，再按規(guī)定的算法對采樣信號做計算處理得到需要的濕度觀測值。目前，自動站使用的濕度傳感器主要是芬蘭Vaisala公司的HMP45D溫濕度傳感器（簡稱HMP45D）和HMP155溫濕度傳感器（簡稱HMP155）。

自2013年開始，大連地區(qū)國家級自動氣象站逐步進行改造，HMP155代替HMP45D廣泛應用于國家級站濕度測量。隨著業(yè)務使用年限的增加，濕度傳感器出現(xiàn)超差現(xiàn)象，傳感器視為不合格儀器，無法在業(yè)務中繼續(xù)使用。目前，針對HMP45D溫濕度傳感器研究已有很多作者做出總結(jié)[1-5]，對HMP155的調(diào)整極少，將針對HMP155溫濕度傳感器在超差條件下的調(diào)整方法進行論述。

1 HMP155的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 HMP155結(jié)構(gòu)

HMP155溫濕度傳感器（圖1）探頭具有可靠的溫度和濕度測量功能，適用于各種環(huán)境中。濕度測量基于HUMICAP180？誖電容性高分子薄膜傳感器（圖2），溫度測量基于電阻性鉑傳感器Pt100。溫度濕度傳感器都位于探頭的頂端，由一個燒結(jié)的聚四氟乙烯過濾器保護，可以安裝在防輻射罩或百葉箱中。

1.2 工作原理

1.2.1 HMP155測溫原理 HMP155測溫采用的是Pt100鉑電阻傳感器。鉑電阻是最常用的感溫材料，是一種現(xiàn)代的電測溫度傳感器，其利用金屬鉑絲的電阻隨溫度變化的特性來測溫。在0 ℃時的電阻為100 Ω，它的電阻比值R100/R0是1.385 0，電阻溫度系數(shù)是0.003 850。直接利用歐姆表測量電阻以換算相應的溫度值，其溫度測量的分辨率很低，因此通常采用恒流源將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓⑦M行放大，以提高測量的靈敏度，但金屬接入測量電路時，電路會產(chǎn)生熱效應，因此采用四線制恒流源測溫原理測量溫度（圖3），消除引線電阻的變化，滿足測量需求。

1.2.2 HMP155測濕原理 HMP155測濕采用的是HUMICAP180？誖電容性高分子薄膜傳感器，吸濕后介電特性發(fā)生變化的原理作為電容器的介質(zhì)制成的電容式濕度傳感器。當傳感器置于空氣中，空氣中水分子透過上電極進入高分子聚合物介質(zhì)內(nèi)或從介質(zhì)內(nèi)通過上部電極析出，導致電容器的電容量發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。對映濕度為1%RH～100%RH，傳感器輸出在0～1 V范圍內(nèi)進行線性變化。濕度傳感器具有高度的線性度，因此可以進行調(diào)整。

2 濕度傳感器超差原因分析以及處理

濕度傳感器在使用過程中，多次出現(xiàn)超差問題，有的誤差可以消除，有的誤差不能消除。產(chǎn)生誤差的原因不同，減小誤差方法也不相同，主要產(chǎn)生于以下方面。

2.1 濕度傳感器自身超差

HMP155傳感器屬于電子產(chǎn)品，其自身計量特性隨時間緩慢變化，長時間使用后引起基點漂移[6]。另外，該儀器屬于吸附元件，安裝在室外使用過程中會受到空氣中的各種雜質(zhì)和化學物質(zhì)的污染，也會引起基點漂移。因此，一般每半年到一年要進行一次校準[7]，調(diào)節(jié)傳感器內(nèi)的校準電阻，使其達到測量的準確度。

2.2 長期處于高濕環(huán)境下引起濕度超差

HMP155傳感器要通過高分子聚合物膜吸附滲透過網(wǎng)孔狀上部金屬電極的水分子，或經(jīng)網(wǎng)狀上部金屬電極析出水分子達到與外部相對濕度平衡后，才能測得準確的外部相對濕度，也就是說濕度測量有一定滯后時間，一般情況不會影響相對濕度正常測量。但傳感器長期處于高濕環(huán)境中，當環(huán)境濕度下降后，濕度傳感器的相對濕度會長時間降不下來，從而造成傳感器超差。出現(xiàn)該種情況時，打開過濾器，用電吹風給傳感器感應部分進行烘干降濕；或?qū)鞲衅髋c干燥劑放入一起放入密閉容器中干燥24 h以上，激活感應部分。

2.3 過濾器上污染物阻礙空氣暢通引起濕度超差

HMP155傳感器被一個燒結(jié)的聚四氟乙烯過濾器保護，該過濾器有良好的通風性。傳感器長時間在室外使用后，過濾器保護罩表面被灰塵和化學污染物質(zhì)覆蓋而影響到空氣的流通，使感應部分無法與外界空氣相接觸，引起測量超差。因此，要定期要用含有溫和去污劑的柔軟無絨布擦拭傳感器探頭和過濾器或及時更換，使測量結(jié)果更加準確。

2.4 低溫滯后誤差增大引起濕度超差

常溫下（15～25 ℃），濕敏電容的動態(tài)響應較迅速，時間常數(shù)為20 s，因此滯后誤差較小。但在低溫下，大氣中的水氣密度很小，傳感器感應部分很難與空氣相對濕度取得平衡，造成滯后誤差明顯增大。研究表明，在0 ℃以下條件使用時，不但對傳感器測量的準確度有影響，而且還對測量值的離散程度有影響[8]。因此，低溫下相對濕度準確率較低，目前沒有一個有效的方法進行控制。

3 濕度傳感器的調(diào)整

對HMP155傳感器檢定后，按照規(guī)程[9]，濕度在小于等于80%且誤差超過4%或相對濕度大于80%且誤差超過8%，傳感器視為超差。不符合的超差傳感器應根據(jù)檢定點的大小和方向，分析超差原因，選擇合適的調(diào)整方法。

3.1 調(diào)整前準備

濕度傳感器的調(diào)整需要以下設(shè)備或工具：電腦一臺，安裝3MS系統(tǒng)軟件，用于顯示HMP155數(shù)值；M2000濕度發(fā)生器，可作為發(fā)生器和標準器使用；溫濕度傳感器模擬接口；六位半數(shù)字萬用表；16通道模擬開關(guān)。調(diào)整時，HMP155感應部位放入M2000發(fā)生器，連接線與轉(zhuǎn)接合相連接入溫濕度傳感器模擬接口，六位半數(shù)字萬用表讀取16通道模擬開關(guān)選取溫濕度傳感器模擬接口上相應的傳感器數(shù)值，并通過3MS軟件顯示相應的讀取數(shù)值。連接示意圖如圖4所示。

3.2 調(diào)整原理

HUMICAP180？誖濕度感應片的測量電路為圖5所示的多諧振蕩器和輸出RC低通濾波電路。由集體管G1、G2和電阻R1、R4、R5，電容C1、C2、CR、C3組多諧振蕩器，從晶體管G1、G2的集電極引出多諧振蕩器的脈沖信號經(jīng)R6、G4和R7、G5組成的兩個低通波后得到反映相對濕度變化的直流電壓輸出信號Vout。相對濕度的變化引起電容濕度傳感器CR電容量的變化，使多諧振蕩器輸出脈沖占空比隨之變化，從而使輸出信號Vout隨相對濕度而發(fā)生變化。R5和R8分別是調(diào)多諧振蕩器零點和滿量程的校準電阻，對映HMP155溫濕度探頭的“低濕”和“高濕”兩點。

3.3 兩點法調(diào)整

HMP155的校準和調(diào)整是通過使用探頭上的按鈕（圖6）來進行的。兩點濕度調(diào)整是通過使用兩個相對濕度參照點進行，兩個濕度點之差至少為30%。以低濕11%RH，高濕度75%RH為例，具體步驟如下：

1）拆下保護蓋和校準封條，露出探頭上的調(diào)整按鈕。打開3MS軟件。

2）打開保護插頭，會看到標記“-”“口”“+”的3個按鈕，還有一個雙色LED指示燈。

3）按住ADJ按鈕不放，直到綠色LED指示燈亮起，這時HMP155將置于RH校準模式。

4）拆下過濾器并將探頭插入發(fā)生器的測量孔中，待M2000發(fā)生器條件11%穩(wěn)定后，通過調(diào)整“+”“-”按鈕，確保3MS軟件上顯示值和發(fā)生器值誤差在10%～12%，然后按住ADJ按鈕。綠色的LED指示燈熄滅。

5）濕度發(fā)生器M2000設(shè)定至75%，待條件穩(wěn)定后，按ADJ按鈕，綠色指示燈重新亮起，等待30 min后，使用“-”和“+”按鈕進行高濕度增益調(diào)整，使Aout電壓正確，3MS軟件被調(diào)儀器相對濕度在74%～76%。然后按住ADJ按鈕，綠色LED熄滅。

3.4 調(diào)整后檢驗

按照檢定規(guī)程要求，對調(diào)整后儀器進行檢定，檢驗調(diào)整效果。如果調(diào)整后仍超差，應反復調(diào)整，直到標準器檢定結(jié)果符合檢定規(guī)程。

4 調(diào)整實例

以M382330為例來說明具體調(diào)整過程。從表1可以看出，根據(jù)檢定數(shù)據(jù)傳感器測量的相對濕度值整體比標準值高約4%，傳感器超差，需要進行調(diào)整。調(diào)整濕度數(shù)據(jù)（表2）中，首先調(diào)整低濕點，設(shè)置M2000發(fā)生器腔內(nèi)濕度為11%，待穩(wěn)定后傳感器測量值約為15%，傳感器進入調(diào)整模式，需要按向下按鈕，使傳感器測量值與11%接近，本次調(diào)整至濕度為11.1%，退出校準模式。調(diào)整高濕點，設(shè)置發(fā)生器腔內(nèi)濕度為75%，等待穩(wěn)定后傳感器測量值約為79.3%，設(shè)置傳感器進入校準模式，按向下按鈕直至傳感器顯示濕度接近75%，最后傳感器退出校準模式。在調(diào)整過程中，當傳感器調(diào)測量值與調(diào)整點相差較大時，可以長按該按鈕，此時傳感器示數(shù)連續(xù)變化；傳感器示值與調(diào)整點接近時，可一下一下地按調(diào)整按鈕，每按一下示數(shù)變化約為0.1%。調(diào)整后傳感器按照檢定規(guī)程從新檢定（表1），檢定數(shù)據(jù)與標準器數(shù)據(jù)差值減小，符合規(guī)程要求，可以繼續(xù)使用。

5 小結(jié)

在檢定過程中，HMP155溫濕度傳感器濕度超差是經(jīng)常遇到的，通過分析濕度超差原因，利用濕度發(fā)生器提供濕度環(huán)境，運用數(shù)字萬用表、模擬接口、模擬開關(guān)、3MS軟件時時讀取并顯示濕度值，解決了HMP155不能調(diào)整的問題，并完善了濕度傳感器的調(diào)整方法，保證了自動氣象站濕度傳感器的客觀性、準確性。

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