濕度傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的技術(shù)應(yīng)用研究

王永杰，孫皓

（1.河南省平頂山市綜合利用環(huán)境保護(hù)研究所，平頂山 467000；2.河南省平頂山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，平頂山 467000）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題的重要性日益突出[1]。對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)掌握環(huán)境情況，有利于維持經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展和提高人民的居住環(huán)境。采用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)手段對(duì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，可以及時(shí)獲得精確的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義[2]。

采用試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行濕度的測(cè)量，需要依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，在濕度傳感器測(cè)量時(shí)依據(jù)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法 濕熱試驗(yàn)設(shè)備》[3]、《溫度、濕度、振動(dòng)綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[4]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。濕度傳感器分為電阻式或電容式濕敏元件傳感器，兩種傳感器都可以用于大氣環(huán)境濕度測(cè)量。

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的濕度測(cè)量與量值傳遞的濕度顯示存在一定的差異，使用濕度傳感器測(cè)量濕度時(shí)，可能存在一定的測(cè)量誤差，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)具有實(shí)際意義。開展?jié)穸葌鞲衅餍?zhǔn)并進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，從而檢驗(yàn)濕度傳感器濕度監(jiān)測(cè)的技術(shù)應(yīng)用效果。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)與濕度傳感器

1.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是考核產(chǎn)品對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性，濕度測(cè)量和溫度測(cè)量在環(huán)境監(jiān)測(cè)中占有較大比重[5]。環(huán)境監(jiān)測(cè)一般需要進(jìn)行多次測(cè)量，通過測(cè)量求平均值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，為了獲得更好的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，有時(shí)需要使用加速試驗(yàn)[6]。環(huán)境濕度對(duì)于大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要的影響，對(duì)大氣環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量能夠及時(shí)掌握大氣環(huán)境，采用監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)Νh(huán)境做出應(yīng)對(duì)措施。

1.2 常見的濕度傳感器

溫濕度數(shù)字傳感器的通信方式主要是I2c，濕度傳感器在大氣環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)中的使用較為廣泛，市場(chǎng)上主要濕度傳感器及生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 常見濕度傳感器

在濕度傳感器中，I2c總線是兩線式串行總線，I2c芯片器件一般有1～3個(gè)管腳，能夠讀寫多個(gè)I2c芯片器件。與單片機(jī)連I/O引腳接時(shí)僅需時(shí)鐘和數(shù)據(jù)兩根線即可，使用時(shí)十分方便。

2 濕度傳感器結(jié)構(gòu)和濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 濕度傳感器結(jié)構(gòu)

濕度傳感器是一種測(cè)量大氣環(huán)境中水分含量的電子設(shè)備，空氣中水分含量不同會(huì)導(dǎo)致電敏元件產(chǎn)生變化，這種變化能夠通過數(shù)字的形式顯示出來(lái)，即為濕度傳感器[7]。濕度傳感器主要包括電源、單片機(jī)、數(shù)字傳感器、觸摸屏等部分，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濕度傳感器硬件結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的電學(xué)參數(shù)也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，濕敏元件的電阻或電容除隨環(huán)境濕度的變化而變化之外，同時(shí)也隨環(huán)境溫度的變化而變化。即濕敏元件的電阻或電容的變化，同時(shí)受到環(huán)境濕度、溫度的影響。

2.2 濕度傳感器監(jiān)測(cè)原理

以電阻式氯化鋰濕敏元件為例，分析濕度傳感器監(jiān)測(cè)原理。氯化鋰作為一種濕敏物質(zhì)，濕度的大小對(duì)其吸收水分量的影響較大。當(dāng)空氣中濕度增大，氯化鋰吸收空氣中的水分導(dǎo)致帶電粒子活性增加，電阻的阻值下降；當(dāng)空氣中濕度小時(shí)，氯化鋰的水分減少，帶電粒子活性減弱，電阻的阻值增加。氯化鋰濕敏元件電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，方程如（1）所示：

式中：

R—濕敏層的電阻；

U—大氣環(huán)境的相對(duì)濕度；

t—大氣環(huán)境的溫度；

k、e、α、β—常數(shù)。

由式（1）可知，濕敏電阻隨環(huán)境濕度的變化而變化能夠用于測(cè)量大氣環(huán)境的濕度。

2.3 濕度傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)處理

傳感器采集的大氣環(huán)境中的濕度信號(hào)需要進(jìn)行處理，確定被采集信號(hào)的極大值和極小值時(shí)，才能更好的使用EMD 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解[8,9]。這種分解和對(duì)分解結(jié)果的判斷，相當(dāng)于對(duì)信號(hào)進(jìn)行一個(gè)“篩選”過程，減少無(wú)關(guān)信號(hào)的干擾，達(dá)到更好的濕度監(jiān)測(cè)效果。

EMD分解方法在進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)信號(hào)的分解時(shí)，需要遵循一定的條件，每個(gè)固有模態(tài)分量（IMF）需要滿足：

1）分解的任意時(shí)刻，樣條函數(shù)進(jìn)行處理時(shí)，上下包絡(luò)線均值等于零。

2）IMF不能有任意多個(gè)，過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)或者極值點(diǎn)個(gè)數(shù)不能大于1。

EMD 分解的具體過程如下：

1）找到信號(hào)中的極值點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行樣條函數(shù)的曲線擬合，假設(shè)原始信號(hào)為x(t)，信號(hào)中極大值形成的包絡(luò)線U(t)，同樣的，極小值也進(jìn)行曲線擬合，擬合的曲線下包絡(luò)線L(t)。

（2）上下包絡(luò)線的均值m1(t)，可以通過計(jì)算求得：

h1(t)為信號(hào)與上下包絡(luò)線均值m1(t)的差，即：

式中：

x(t)—最高頻率函數(shù)。

3）判斷h1(t)是否符合IMF的兩個(gè)要求，根據(jù)判斷結(jié)果做出不同的決定。如果滿足條件，則hi(t)代表信號(hào)x(t)第一個(gè)IMF分量，記為c(t)；如果不滿足條件，則令x(t)=h(t)，然后重新回到第1）步，重復(fù)以上步驟，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行篩選，取得較好的結(jié)果作為參數(shù)分量。

4）信號(hào)分離，將ci(t)從差分信號(hào)x(t)中分離，獲得適合監(jiān)測(cè)環(huán)境信號(hào)，則分離后的信號(hào)r(t)為：

5）繼續(xù)重復(fù)以上步驟，得到第二個(gè)IMF分量c2(t)，不斷的重復(fù)可以獲得更好的結(jié)果，隨著反復(fù)進(jìn)行信號(hào)篩選，得到n個(gè)IMF分量，一共重復(fù)的次數(shù)為n-1次：

當(dāng)采集的信號(hào)被分解n次后，樣條函數(shù)變成一個(gè)極小值，不能繼續(xù)進(jìn)行分解求值，此時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的分解停止，選取包絡(luò)的平均值作為分量進(jìn)行計(jì)算，得到式（6）：

進(jìn)行分解時(shí)，給不同的結(jié)果命名，將分解剩余的函數(shù)rn(t)稱為殘差。rn(t)是信號(hào)x(t)的集中趨勢(shì)，能夠繼續(xù)進(jìn)行分解，也可以作為一個(gè)常數(shù)。當(dāng)其作為函數(shù)變量時(shí)，可以分解出來(lái)的n個(gè)IMFs ( c1(t)，…，cn(t))中，在這些不同的IMF分量中，它們信號(hào)周期相同，頻率大小不同。頻率會(huì)受到信號(hào)的影響，在信號(hào)的作用下發(fā)生著變化，降低頻率的變化波動(dòng)，能夠提高濕度傳感器的監(jiān)測(cè)精度，獲得較好的信號(hào)，提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

3 濕度傳感器濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

為了考察濕度傳感器對(duì)環(huán)境濕度的監(jiān)測(cè)精確度，進(jìn)行一定的濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，以平頂山某地區(qū)大氣環(huán)境作為監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)所，開展環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。選擇合適的監(jiān)測(cè)傳感器，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)前對(duì)傳感器進(jìn)行校正，以提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度。

3.1 濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備

本次濕度監(jiān)測(cè)采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10系列濕度傳感器，傳感器如圖2所示。

圖2 SHT10系列濕度傳感器

SHT10系列濕度傳感器能夠適應(yīng)較大范圍內(nèi)的濕度測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度，該傳感器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 SHT10產(chǎn)品參數(shù)

電阻式濕敏元件的電阻值表現(xiàn)為濕度的函數(shù)，用于測(cè)量環(huán)境濕度。濕度關(guān)系曲線隨溫度的不同而變化，根據(jù)變化函數(shù)的關(guān)系表達(dá)式對(duì)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。

3.2 濕度監(jiān)測(cè)前校準(zhǔn)

目前，濕度傳感器一般按照國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范[4]的要求進(jìn)行校準(zhǔn)。濕度校準(zhǔn)一般在溫度20 ℃或25 ℃下進(jìn)行，校準(zhǔn)點(diǎn)間隔10 %RH整數(shù)點(diǎn)，濕度校準(zhǔn)范圍一般為10～90 %RH。

因?yàn)殡娮枋綕衩粼碾娮柚当憩F(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系能夠以數(shù)字的形式表達(dá)出來(lái)。按照傳感器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的方法，在常溫20 ℃或25 ℃下校準(zhǔn)濕度，濕度傳感器測(cè)量的濕度一般是相對(duì)濕度，校準(zhǔn)時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。相對(duì)濕度是指濕空氣中水汽的摩爾分?jǐn)?shù)，是相對(duì)的數(shù)值。顯然，相對(duì)濕度是與濕氣的溫度、壓力條件相對(duì)應(yīng)的，不同條件下可能會(huì)存在不同，需要進(jìn)行多次測(cè)量。濕度傳感器對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量之前都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)是提高測(cè)量準(zhǔn)確性的一種重要方法，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)而言十分重要。對(duì)濕度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)需要遵循一定的操作流程，校準(zhǔn)的一般流程如圖3所示。

圖3 SHT10濕度傳感器校準(zhǔn)流程

通過對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高了SHT10濕度傳感器的濕度監(jiān)測(cè)精度，對(duì)于大氣環(huán)境濕度的監(jiān)測(cè)能夠獲得一個(gè)更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)濕度傳感器特性，對(duì)平頂山某地的不同時(shí)間段、不同濕度進(jìn)行測(cè)量。選擇5個(gè)采集模塊進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)定的溫濕度值后再穩(wěn)定20 min,然后每隔2 min記錄傳感器濕度的值，取5次讀數(shù)的平均值作為測(cè)量值。所得的測(cè)量結(jié)果和測(cè)量誤差如表3所示。

表3 測(cè)量結(jié)果記錄

標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：

合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差為：

在實(shí)際濕度監(jiān)測(cè)中，需要多次測(cè)量求平均值，本次讀取傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)5次數(shù)據(jù)，以5次測(cè)量的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 結(jié)果分析

利用濕度傳感器的探頭進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)，選取5組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，根據(jù)監(jiān)測(cè)所得的濕度結(jié)果，繪制成濕度均值圖，如圖4所示。由圖4可知，濕度測(cè)量誤差在± 1.0 %RH之內(nèi)，符合濕度計(jì)量檢定要求。

圖4 濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果

在評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)結(jié)果的顯著性之前，進(jìn)行假設(shè)，假設(shè)濕度測(cè)量結(jié)果未出現(xiàn)顯著性差異，計(jì)算概率P值，P值表示結(jié)果出現(xiàn)的概率。當(dāng)假設(shè)為真時(shí)，P值的計(jì)算結(jié)果越小，表明差異性越顯著[10]。顯著性水平α設(shè)置為0.05，計(jì)算出概率P值，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，顯著性水平中P值均大于α，表明監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差不顯著，由此判斷濕度傳感器監(jiān)測(cè)具有一定的一致性。

圖5 濕度顯著性水平

5 結(jié)論

對(duì)于大氣環(huán)境的濕度監(jiān)測(cè)而言，采用濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量能夠在一定程度上獲得大氣環(huán)境的濕度，但有時(shí)需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。本文分析濕度傳感器的結(jié)構(gòu)和傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)原理，開展大氣環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)。對(duì)平頂山某地區(qū)的濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得監(jiān)測(cè)結(jié)果并計(jì)算和校準(zhǔn)濕度傳感器測(cè)量誤差，結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)顯示誤差小于0.354 %RH，且P值均大于α，由此判斷濕度傳感器監(jiān)測(cè)具有一定的一致性，濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)對(duì)于大氣環(huán)境濕度的測(cè)量和濕度傳感器的使用穩(wěn)定性具有一定的參考價(jià)值。