氣象用濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試與分析

蘇 騰,王曉蕾,葉 松,陳曉穎,慕新倉(cāng),孫學(xué)金,馬祥輝,郭 俊

（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101）

氣象用濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試與分析

蘇 騰,王曉蕾,葉 松,陳曉穎,慕新倉(cāng),孫學(xué)金,馬祥輝,郭 俊

（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101）

為研究濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性特征，利用14支濕敏電容傳感器靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性，并對(duì)誤差年漂移量的變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性受溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家制造水平的影響，低溫時(shí)穩(wěn)定性較差；室溫時(shí)穩(wěn)定性隨濕度升高而降低。經(jīng)過一年的使用，78.6%的濕敏電容傳感器無法滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

氣象；濕敏電容；穩(wěn)定性；年漂移量；檢定校準(zhǔn)周期

0 引 言

空氣濕度是氣象觀測(cè)的重要參數(shù)，對(duì)于氣象分析與預(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。目前，高分子薄膜濕敏電容作為典型的濕度測(cè)量元件，在氣象領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

幾十年的使用和試驗(yàn)表明，濕敏電容傳感器具有較大的遲滯[1]，并且其遲滯誤差隨溫度降低而增大，在全量程內(nèi)出現(xiàn)中間大兩端小的趨勢(shì)[2]。除遲滯誤差外，環(huán)境溫度的改變對(duì)濕度測(cè)量準(zhǔn)確度及測(cè)量值的離散程度有較大的影響[3]。

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。氣象儀器和傳感器的穩(wěn)定性是其靜態(tài)特性的重要參數(shù)，對(duì)于業(yè)務(wù)使用和試驗(yàn)測(cè)試都具有重要影響[4]。長(zhǎng)期使用的數(shù)據(jù)表明，濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性較差，年漂移量控制在1%RH水平的傳感器很少，一般都在2%RH左右，甚至更大[5]。

本文基于14支濕敏電容傳感器相隔1年的兩次靜態(tài)測(cè)試資料，進(jìn)行了濕敏電容傳感器穩(wěn)定性的定

量分析，并總結(jié)了誤差年漂移量的變化規(guī)律，分析確定了影響誤差年漂移量的主要因素，對(duì)正確認(rèn)識(shí)濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性具有重要意義，并且為科學(xué)地確定濕敏電容傳感器的檢定周期提供了重要依據(jù)。

1 測(cè)試簡(jiǎn)況

近兩年，被試14套濕敏電容傳感器隨其地面氣象自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備在南京江寧進(jìn)行了為期一年的使用試驗(yàn)。試驗(yàn)前后，各進(jìn)行了一次靜態(tài)測(cè)試。文中采用的資料就是兩次測(cè)試中濕敏電容傳感器的靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.1 被試儀器

被試14套濕敏電容濕度傳感器分別來自國(guó)內(nèi)3個(gè)廠家和芬蘭Vaisala公司，表1給出了被試傳感器編號(hào)及型號(hào)。

表1 被試件編號(hào)及傳感器型號(hào)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)器及測(cè)試設(shè)備

為減小附加誤差，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可比性，兩次測(cè)試均采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和測(cè)試設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)器為美國(guó)GE公司的精密冷鏡式露點(diǎn)儀，露點(diǎn)測(cè)量范圍為-60℃～40℃，測(cè)量誤差為±0.01℃；測(cè)試設(shè)備為國(guó)產(chǎn)SYSD型一等標(biāo)準(zhǔn)雙壓法濕度發(fā)生器，其產(chǎn)生相對(duì)濕度的范圍為10%～95%RH，最大允許誤差為±1%RH。

1.3 測(cè)試方法

測(cè)試中選取-30℃，-10℃和20℃ 3個(gè)溫度點(diǎn)。-30℃時(shí)，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95% 7個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)。由于被試件技術(shù)指標(biāo)不同，-10℃和20℃時(shí)，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測(cè)試點(diǎn)，其余被試件選取15%測(cè)試點(diǎn)，其他測(cè)試點(diǎn)與-30℃時(shí)相同。每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)測(cè)試，每個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)有兩對(duì)不同濕度變化趨勢(shì)的數(shù)據(jù)。

2 穩(wěn)定性分析方法

本文利用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測(cè)試點(diǎn)誤差與使用前各濕度測(cè)試點(diǎn)誤差的差值，其中濕度測(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。

為研究誤差年漂移量的變化規(guī)律，文中分析了不同溫度條件下，誤差年漂移量的分布情況。討論了室溫（20℃）條件下誤差年漂移量隨濕度變化的規(guī)律以及同型號(hào)的兩被試件之間的一致性。

為確定各種因素對(duì)誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測(cè)設(shè)備型號(hào)對(duì)誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。

為檢驗(yàn)現(xiàn)行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國(guó)氣象局對(duì)濕敏電容傳感器的要求為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)使用后靜態(tài)測(cè)試中14支濕敏電容傳感器的合格率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.1 誤差年漂移量隨溫度變化情況

測(cè)試時(shí)選取了-30℃，-10℃和20℃ 3個(gè)溫度點(diǎn)，圖1為各被試件在不同溫度點(diǎn)誤差年漂移量的箱形圖，每個(gè)箱形的數(shù)據(jù)為7個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點(diǎn)為最大值，最低點(diǎn)為最小值，箱形的上框線為上4分位值，下框線為下4分位值，箱內(nèi)線為中位線，箱外“+”點(diǎn)為異常值。從圖中可以看出，對(duì)大多數(shù)被試件來說，低溫時(shí)中位線較

低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長(zhǎng)度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時(shí)較低，并且其分布隨溫度降低而變得分散。

圖1 各被試件在不同溫度點(diǎn)的誤差年漂移量

為定量表征誤差年漂移量隨溫度的變化規(guī)律，文中計(jì)算了誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)JJF 1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語及定義技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)測(cè)量次數(shù)小于9次時(shí)，采用極差法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，如式（1）：

式中：R——極差，文中是誤差年漂移量的最大值與最小值之差；

C——極差系數(shù)，由測(cè)量次數(shù)確定，文中測(cè)量次數(shù)為7次，查表得C=2.70。

表2給出了各被試件在不同溫度點(diǎn)時(shí)誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。總體來看，各被試件在-30℃時(shí)誤差年漂移量的區(qū)間為[-5.62，0.82]，-10℃時(shí)為[-3.73，0.95]，20℃時(shí)為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。

表2 各被試件在不同溫度點(diǎn)時(shí)誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖2 20℃時(shí)8種觀測(cè)設(shè)備濕度測(cè)量誤差的年漂移量

3.2 20℃時(shí)誤差年漂移量的變化規(guī)律

南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時(shí)誤差的漂移情況具有更重要的意義。為了便于分析不同型號(hào)的被試件的誤差漂移情況，按照觀測(cè)設(shè)備型號(hào)將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時(shí)8種型號(hào)的觀測(cè)設(shè)備濕度測(cè)量誤差的年漂移量。

從誤差年漂移量曲線的變化趨勢(shì)來看，在全量程不同測(cè)量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測(cè)設(shè)備圖2中（a）和（d）外，其余被試件誤差的年漂移量隨濕度的升高向y軸負(fù)向移動(dòng)。在低濕點(diǎn)（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點(diǎn)（＞80%RH），誤差年漂移量的平均值為-1.04%RH。

從圖2（a）～（f）中兩條曲線的關(guān)系來看，II、III、V、VI型觀測(cè)設(shè)備（圖2中（b）、（c）、（e）、（f））的兩套被試件之間的誤差年漂移量具有較好的一致性，兩被試件間誤差年漂移量的差值平均為0.5%RH。IV型觀測(cè)設(shè)備的兩套被試件除50%RH測(cè)試點(diǎn)存在1.81%RH的差異外，其余測(cè)試點(diǎn)誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測(cè)設(shè)備的兩套被試件一致性較差，兩被試件間誤差年漂移量曲線近似平行，其差值平均為3.2%RH。

3.3 誤差年漂移量影響因素的方差分析

事件的發(fā)生往往與多個(gè)因素有關(guān)，但各個(gè)因素對(duì)事件發(fā)生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗(yàn)觀測(cè)值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗(yàn)誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對(duì)測(cè)試點(diǎn)溫度、測(cè)試點(diǎn)濕度、觀測(cè)設(shè)備型號(hào)進(jìn)行3因素方差檢驗(yàn)，得出3個(gè)因素及其交互作用

對(duì)誤差年漂移量的影響。為確定結(jié)果是否是“統(tǒng)計(jì)上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規(guī)定當(dāng)α值小于0.01時(shí)，結(jié)果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測(cè)設(shè)備型號(hào)以及溫度和濕度交互作用的α值均小于0.01，表明溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設(shè)計(jì)制造水平對(duì)誤差年漂移量有顯著影響。

表3 多因子方差分析表1)

3.4 濕敏電容傳感器檢定周期合理性分析

為保證氣象資料的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，要求氣象儀器具有較好的穩(wěn)定性。因此氣象儀器必須進(jìn)行周期檢定以保障其準(zhǔn)確性和氣象資料的可靠性，其中被試儀器的檢定周期則取決于它的穩(wěn)定性。

中國(guó)氣象局對(duì)濕度測(cè)量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗(yàn)的14套被試件經(jīng)過一年的動(dòng)態(tài)比對(duì)試驗(yàn)，使用后的靜態(tài)測(cè)試中有3套被試件仍符合技術(shù)指標(biāo)要求，11套被試件不符合要求，不合格率為78.6%。

儀器特性漂移產(chǎn)生的誤差可以通過檢定給出修正值予以解決，試行的GJB 1758.26A《軍用氣象儀器檢定規(guī)程 第26部分：地面氣象自動(dòng)觀測(cè)儀》中規(guī)定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據(jù)本文研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過一年的使用，超過3/4的傳感器不能滿足技術(shù)要求。

為保證濕敏電容傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，德國(guó)科學(xué)工作者建議幾周校準(zhǔn)一次[8]，我國(guó)也建議應(yīng)每半年采用兩種飽和鹽溶液對(duì)濕敏電容傳感器進(jìn)行兩點(diǎn)調(diào)校。

4 結(jié)束語

本文在觀測(cè)設(shè)備使用前和使用后對(duì)其濕敏電容傳感器進(jìn)行了兩次靜態(tài)測(cè)試并針對(duì)穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。以誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性，分析了誤差年漂移量的變化規(guī)律，得出的結(jié)論如下：

（1）誤差年漂移量在-30℃，-10℃和20℃時(shí)的置信區(qū)間分別為[-5.62，0.82]、[-3.73，0.95]和[-1.85，1.07]，說明濕敏電容傳感器在低溫時(shí)的穩(wěn)定性較差，并且其靈敏度隨溫度降低而減小。

（2）室溫下，低濕點(diǎn)（≤40%RH）誤差年漂移量的置信區(qū)間為[-2.38，2.30]，高濕點(diǎn)（＞80%RH）為[-4.50，2.42]。說明室溫時(shí)，在高濕環(huán)境中，濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性較差。使用前各被試件在高濕點(diǎn)的測(cè)量誤差平均為-2.07%RH，使用后為-4.00%RH，說明經(jīng)過一年的使用濕敏電容傳感器的高濕性能變差。

（3）文中進(jìn)行了3因素方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明，溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設(shè)計(jì)制造水平對(duì)濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性有顯著影響。

（4）有78.6%的濕敏電容傳感器經(jīng)過1年的使用后不符合地面氣象觀測(cè)的準(zhǔn)確度要求，因此建議規(guī)定半年檢定一次，但這會(huì)增加人力、物力、財(cái)力等各項(xiàng)開支，其可行性需要進(jìn)一步研究。

[1]楊健，張玉存，宋志剛.濕度測(cè)量體制歷史和現(xiàn)狀分析及建議[J].氣象水文海洋儀器，2009（2）：17-23.

[2]杜智濤，魏洪峰，姜明波，等.3種型號(hào)濕敏電容傳感器溫度和遲滯特性的分析比較[J].氣象水文海洋儀器，2012（2）：11-15.

[3]付錫桂，朱樂坤.HMP45D濕度傳感器溫度特性測(cè)試與分析[J].氣象科技，2009，37（5）：584-586.

[4]李偉，賀曉雷，齊久成.氣象儀器及測(cè)試技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2010.

[5]居青春，謝寶海.自動(dòng)氣象站濕度傳感器性能特點(diǎn)分析[J].青海氣象，2005（s1）：15-16.

[6]沈斌，高磊.基于方差分析的電子產(chǎn)品質(zhì)量控制圖的研究[J].機(jī)電一體化，2011（9）：30-34.

[7]蘇金明，阮沈勇，王永利.Matlab工程數(shù)學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8]羅宗炎，許峰，楊曉凌，等.濕敏電容傳感器在氣象領(lǐng)域中應(yīng)用的分析研究[J].氣象水文海洋儀器，2002（2）：12-17.

Stability test and analysis for capacitive humidity sensor in meteorologic domain

SU Teng，WANG Xiao-lei，YE Song，CHEN Xiao-ying，MU Xin-cang，SUN Xue-jin，MA Xiang-hui，GUO Jun
（Institute of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

In order to study the stability characteristic of capacitive humidity sensor，two static tests of 14 capacitive humidity sensors were conducted.Based on the test data，the stability characteristic of capacitive humidity sensor was acquired，in which the stability was expressed by the drift of error in a year.The changing principle and influencing factors of the drift of error in a year was analyzed. The results showed that its stability was influenced by temperature，technological level and the combined effect of temperature and humidity.Its stability was worse in low temperature，and it decreased as the humidity increased at room temperature.After a year of service，78.6 percent of capacitive humidity sensors are unable to meet the technical requirements.

meteorologic domain； capacitive humidity sensor； stability； driftin a year；verification and calibration circle

P412.13；TP212.2；TM930.115；TH765

：A

：1674-5124（2014)03-0085-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.023

2013-06-17；

：2013-08-07

蘇 騰（1989-），男，山東濱州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。