溫濕度傳感器濕度測量結果的不確定度評定

黃行舟，王芳，黃曉麗，朱海英，孫佳琪

摘 要：溫濕度傳感器是應用廣泛的計量器具，文章根據JJF1076-2001《濕度傳感器校準規范》，對溫濕度傳感器濕度測量結果的不確定度進行了系統的分析，并給出了各校準點的擴展不確定度。

關鍵詞：溫濕度傳感器；濕度測量結果；不確定度

中圖分類號：TH837 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0166-02

Abstract： The temperature and humidity sensor is a widely used measuring instrument. This paper is based on JJF1076-2001 "Humidity Sensor Calibration Specification". The uncertainty of humidity measurement result of temperature and humidity sensor is analyzed systematically， and the extended uncertainty of each calibration point is given.

Keywords： temperature and humidity sensor； humidity measurement results； uncertainty

1 概述

溫濕度傳感器是一種重要的計量器具，已經廣泛應用于醫藥化工、電子通訊、氣象、食品、倉儲、農業以及文物保護等領域。在常規的環境參數中，濕度是比較難以準確測量的。因此，開展溫濕度傳感器濕度測量結果的不確定度評定，具有十分重要的意義。本文依據JJF1076-2001《濕度傳感器校準規范》，對溫濕度傳感器濕度測量結果的不確定度進行了詳細分析，確定了不確定度的來源，給出了方法的合成不確定度，并進一步求得了擴展不確定度。

2 測量方法和依據

2.1 測量方法

將精密度露點儀的露點、溫度探頭及溫濕度傳感器一起置于濕度發生器的測試室內，采用直接比較法進行校準。校準時，設定濕度發生器的溫度值為20℃，待溫度平衡后，分別取10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH和90%RH作為濕度校準點。每個校準點在溫濕度達到設定值后穩定10min，然后每隔2min左右記錄精密露點儀的相對濕度值H標（%RH）和溫濕度傳感器濕度的輸出值H示（%RH），共記錄3個數據，從而得到各校準點示值修正值，并對其進行不確定評定。

2.2 校準依據

校準依據：JJF1076-2001《濕度傳感器校準規范》。

計量標準器：美國Edge Tech公司生產的Dew Master精密露點儀，露點最大允許誤差 ：0.2℃DP，溫度最大允許誤差：±0.1℃。

配套設備：雙壓濕度發生器。

2.3 校準對象

校準對象：溫濕度傳感器

3 數學模型

（1）數學模型：

濕度：ΔH=H示-H標

式中：ΔH為被校儀表的濕度示值誤差，%RH；

H示為被校儀表的相對濕度示值，%RH；

H標為標準器的的濕度示值，%RH。

（2）方差和靈敏系數

根據數學模型求導后得到方差：

U■■=C■U■■+C■U■■其中靈敏系數分別為c1=■=1以及c2=■=-1。

4 不確定度來源及評定

溫濕度傳感器濕度校準過程中，不確定度來源為被校儀表測量引入的不確定度分量UH示和標準器相對濕度測量引入的不確定分量UH標。

4.1 被校儀表測量引入的不確定分量UH示

被校儀表測量引入的被校儀表不確定分量UH示主要由被校儀表測量重復性引入的不確定分量UH示1和被校儀表分辨力引入的不確定分量UH示2組成。

4.1.1 被校儀表測量重復性引入的不確定分量UH示1

在溫度為20℃，濕度為50%RH的環境下，被校儀表做10次獨立的重復性測試，測試結果（%RH）分別為50.4、49.8、49.9、50.5、50.2、49.9、50.2、49.7、50.1和49.8，平均值為50.05%RH，其分布規律服從正態分布，包含因子K=1，屬于A類不確定度。

由貝塞爾公式：S（X）=■

計算得到10次測量的實驗標準偏差為0.27%RH。由于JJF1076-200濕度傳感器校準規范規定對同一校準點連續進行3次讀數，取其平均值作為測量結果，所以測量重復性引入的標準不確定度分量為：UH示1=S/■=0.16%RH。

4.1.2 被校儀表分辨力引入的不確定分量UH示2

根據被校儀表的產品說明書，其示值分辨力為0.1%RH，由其引入誤差的半寬區間為0.05%RH，呈均勻分布，取包含因子k=■，所以UH示2=0.05/■=0.029%RH。由于測量重復性分量包含了分辨力引入的不確定度分量，且UH示1> UH示2，故被校儀表分辨力引入的不確定度分量UH示2可忽略不計。

4.1.3 被校儀表合成不確定度UH示

由于被校儀表分辨力引入的不確定分量UH示2可忽略不計，因此UH示1即為被校儀表合成不確定UH示。根據校準規程，得到10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH和90%RH各校準點的合成不確定度UH示，結果見表1。

4.2 標準器相對濕度測量引入的不確定分量UH標

標準器相對濕度測量引入的不確定分量UH標主要由標準器的分辨力UH標1、露點測量準確性UH標2、濕度發生器濕場均勻性UH標3和濕度發生器濕場波動度UH標4組成。

4.2.1 標準器分辨力引入的不確定度UH標1

精密露點儀的分辨力為0.1%RH，呈均勻分布，為B類不確定度，取包含因子k=■，故UH標1=0.05/■=0.029%RH。

4.2.2 露點測量準確性引入的不確定度UH標2

對于精密露點儀的露點溫度測量準確度為±0.2℃DP，查表可以得到在20℃時其測量準確度引入的相對濕度不確定度為0.8%RH，按均勻分布考慮，屬于B類不確定度。故標準不確定度UH標2=0.8/■=0.46%RH。

4.2.3 濕度發生器濕場均勻性UH標3

根據雙壓濕度發生器的性能指標，濕度均勻度為1.0%RH，呈均勻分布，取包含因子k=■，所以其引入的標準不確定度UH標3=1.0/■=0.58%RH。

4.2.4 濕度發生器濕場波動度UH標4

根據雙壓濕度發生器的性能指標，濕度波動度為±0.8%RH，呈反正弦分布，取包含因子k=■，所以其引入的標準不確定度UH標4=0.8/■=0.56%RH。

4.2.5 標準器相對濕度測量引入的不確定度分量UH標

UH標=■

=■=0.93%RH

4.3 濕度測量不確定度分量一覽表（見表2）

5 合成標準不確定度UC

濕度合成不確定公式：UC=■，因此被校儀表在各校準點的合成不確定結果見表2所示。

6 擴展不確定度的表示U

擴展不確定度公式：U=k×Uc，取k=2，因此被校儀表在各校準點的擴展不確定結果見表3所示。

參考文獻：

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