HMP155A型溫濕度傳感器檢定方法分析

張征鴻

（江陰市計量測試檢定所 江蘇 江陰 214400）

0 引言

溫度反映大氣冷熱程度，濕度反映大氣內水汽含量與濕潤程度。在氣象探測中對濕度、溫度數據的檢測極為重要，檢測數據的精準性、可靠性將對天氣預報、氣象服務以及氣象預估相關工作的開展產生影響。芬蘭VAISALA公司HMP155A型溫濕度傳感器是各個氣象服務站常見的計量器具，其具有測量精度高、使用方便可靠、適用性強等特點，因此，對其開展檢定和校準工作具有一定的現實意義。

1 HMP155A型溫濕度傳感器結構和工作原理

1.1 HMP155A型溫濕度傳感器結構

芬蘭VAISALA公司生產的HMP155A型溫濕度傳感器主要由鉑電阻溫度傳感器、濕敏電容傳感器和相應轉換電路等幾部分組成。鉑電阻溫度傳感器主要對溫度進行測量，濕敏電容傳感器主要對濕度進行測量，轉換電路將溫度傳感器和濕度傳感器采集到的信息轉換成易于識別的電信號，并將這兩部分結構統一安裝于傳感器中。

1.2 HMP155A型溫濕度傳感器的工作原理

鉑電阻溫度傳感器的工作原理：因為鉑金屬性能較為穩定，容易提純，復現性良好。溫度出現變化，鉑金屬電阻隨之變化，電阻和溫度呈函數關系。因此，借助鉑金屬此特性，把其制作為溫度傳感器。進行溫度測量時一般選擇把恒流源借助運放電路把電阻值轉變成電壓值加以測量。鉑金屬傳感器所測實時溫度可通過相關函數關系換算得到。通常通過四線制方式進行測量，能夠有效提升測溫系統控制精度。

其次，介紹濕敏電容傳感器的工作原理，該結構包括濕敏電容與相關轉換電路組成。因為濕敏電容具有易集成化、測量濕度滯后量較小、快速響應、高靈敏度等優勢，在濕元器件中得到廣泛應用[1]。其多由醋酸纖維、聚苯乙烯等分子材料制成，監測環境溫度出現變化，空氣中的水分將被濕敏材料所吸收，此時濕敏電容介電常數隨之變化，電容量變化，變化量和濕敏材料所吸附水分呈現為正比關系。傳感器轉換電路作用為將濕敏電容的變化量轉變為電壓或者電流的變化值，把傳感器所傳輸0 V至1 V電壓轉換為0%至100%RH相對濕度[2]。

2 測量儀器和設備

2.1 氣溫測試設備與儀器

溫度檢定設備是深圳市億杰儀表有限公司生產的WLR-2D型恒溫槽，其工作溫度范圍、溫度波動度、溫度均勻度均滿足《JJF 1030-2010恒溫槽技術性能測試規范》的要求，標準器選擇SWJ雙探頭鉑金屬傳感器，技術指標數據如下：首先恒溫槽的控制溫度范圍為-60～96 ℃；均勻性低于或等于0.01 ℃；波動度為0.01 ℃。其次，標準器測量溫度范圍為-60～80 ℃；分辨率為0.01 ℃；誤差允許最大值為±0.02 ℃；擴張不確定度為0.02 ℃。最后，被測試傳感器測量溫度范圍為-50～50 ℃；誤差最大允許值0.2 ℃；分辨率為0.1 ℃。

2.2 濕度測試設備與儀器

溫度檢定相關設備是省級計量自動化檢定系統濕度檢定設備，C340。濕度標準選用JBB1型干濕表。技術標準如下：首先，濕度箱適用溫度范圍為-30～50 ℃；濕度的波動度為-0.4%～0.4% RH；控制范圍為10%～95% RH；均勻度為1.0%RH。其次，標準器控制范圍為10%～100% RH；誤差允許最大值為0.9%≤% RH；分辨率為0.01% RH。最后，被測試傳感器測量范圍為0%～100% RH，誤差最大允許值為4% RH（≤80% RH）、8%RH（＞80% RH）；分辨率為0.1% RH。

3 測試方式

3.1 氣溫測試

因為空氣導熱介質波動性、均勻性較差，所以借助液態介質檢定溫度，按照HMP155A型溫濕度傳感器結構特性，如果選擇液態介質，將造成濕敏電容和相關電路受到損傷，所以檢定前需要安裝套管[3]。按照檢定要求，并結合當地天氣特征，設定-10 ℃、0 ℃、20 ℃、50 ℃ 4個檢定點。因為0 ℃屬于起始檢定點，根據設備降溫、升溫特性，降溫速度較慢，因此對檢定順序進行調整，首先進行0 ℃點檢定。檢定中，0 ℃、-10 ℃導熱介質選用酒精，20 ℃、50 ℃導熱介質為水。設備穩定至檢定點，記錄數據，間隔30 s記錄一組標準溫度示值與HMP155A型溫濕度傳感器溫度值，記錄4組，把被檢平均值減標準溫度平均值作相應檢定點示值誤差。

3.2 濕度測試

把濕度實驗設備的溫度設定為22 ℃，溫度穩定之后，把濕度設定為30%RH下，濕度降低至30%RH下，分次檢定30%RH、40%RH、50%RH、75%RH與90%RH。濕度至檢定點后，保證濕度波動度小于1.5%RH，每隔30 s讀取標準器、HMP155A型溫濕度傳感器濕度值，讀取3次；檢定95%RH后，對檢定設備進行調整繼續升高濕度，當溫度超過95%RH并趨于穩定后，按照95%RH、75%RH、55%RH、40%RH、30%RH的順序進行檢定，每隔30 s讀取標準器、HMP155A型溫濕度傳感器濕度值，讀取3次。該過程中，濕度檢定示值點誤差是HMP155A型溫濕度傳感器示值平均值減標準器示值平均值[4]。因為濕敏電容降濕和升濕時示值存在正負誤差，所以，不可使用各個檢定點降濕和升濕平均值加以計算，需要分別對傳感器降濕、升濕示值誤差進行計算。因為降濕、升濕中相應誤差值為測濕時系統誤差，存在單向性、重復性。對同一檢定點，降濕、升濕誤差可能相反。所以，不可將降濕誤差值和升濕誤差值平均值作為此檢定點誤差值[5]。

4 檢定校準實例

某實驗室選擇一支芬蘭VAISALA公司近期生產的HMP155A型溫濕度傳感器作為被測對象，對其開展必要的檢定校準。檢定校準的數據如下，其中表1為溫度檢定相關數據，表2為濕度檢定相關數據。

表1 溫度檢定相關數據 單位：℃

表2 濕度檢定相關數據

我們對表1、表2數據進行分析，從表1和表2的數據看，HMP155A型溫濕度傳感器溫度和濕度的誤差值均在允許范圍內，進而證明本文描述的檢定方法是有效的，可以出具證書，進行溫濕度傳感器的檢定工作[6]。

5 溫濕度傳感器超差原因和處理

溫濕度傳感器使用時經常出現超差情況，出現的有些誤差能夠消除，有些則無法消除，導致超差情況的因素較多，針對不同原因所選用的誤差控制方式有所不同。

5.1 溫濕度傳感器超差原因

5.1.1 自身因素超差

HMP155A型溫濕度傳感器為電子產品，計量特性將隨著時間的變化而變化，長期使用將出現基點漂移情況。另外，傳感器為吸附元件，設置在室外應用將吸附大量的化學物質和其他雜質，導致基點漂移。所以，通常每隔半年至一年需要對傳感器進行校準，對傳感器中校準電阻進行調整，確保測量準確度。

5.1.2 環境因素超差

HMP155A型溫濕度傳感器需通過聚合物膜吸附滲透過網孔狀上部金屬電極的水分子，或經網狀上部金屬電極析出水分子達到與外部相對濕度平衡后，才能夠對外部濕度加以準確測定，表明濕度測定存在滯后性，通常不會對濕度測量產生影響。但長期應用在高濕環境內，環境濕度出現下降情況，傳感器濕度長期不存在降低情況，將導致傳感器出現超差情況。對于此類超差情況的處理可將過濾器打開，借助電吹風將傳感器的感應部件烘干降濕，或者把傳感器和干燥劑放置在同一密閉容器內進行干燥處理，恢復感應部件的正常使用。

5.1.3 污染物因素超差

HMP155A型溫濕度傳感器被過濾器保護，過濾器具有良好通風性。當傳感器長期應用于室外，保護罩的表面將被污染物質、灰塵所覆蓋，對空氣流通的暢通性產生影響，導致感應部分和外界空氣無法有效接觸，進而出現測量超差。所以，需定期使用去污劑擦拭探頭、過濾器，保證測量結果。

5.1.4 低溫滯后誤差因素超差

在15～25 ℃的常溫環境中，濕敏電容動態響應比較迅速，時間常數20 s，滯后誤差比較小。但低溫環境中，大氣水氣密度較小，濕度傳感器的感應部分難以和空氣濕度保持平衡，導致滯后誤差增加。相關研究表明，環境溫度為0 ℃，將影響測量結果準確度，并對測量值離散程度產生影響。所以，在低溫環境中濕度測量準確率降低，當前仍未找到相應措施進行處理。

5.2 溫濕度傳感器調整

HMP155A型溫濕度傳感器校驗結束，根據相關規程：濕度≤80%，誤差＞4%；濕度＞80%，誤差＞8%，則為超差。對于存在超差情況的傳感器需要按照檢定點方向、大小對超差原因進行全面分析，并選擇相應方式進行調整。

首先，在對HMP155A型溫濕度傳感器進行調整前應準備計算機，并安裝分析軟件；濕度發生器，模擬接口、萬用表、模擬開關。在進行調整前，將傳感器的感應部位靠近發生器，轉接合相和連接線和模擬接口連接，應用萬用表讀取數值，同時分析軟件顯示數值。應用兩點法對HMP155A型溫濕度傳感器進行調整。校驗與調整是應用探頭按鈕進行，該調整方式指借助兩個濕度參照值進行，濕度點差值需要≥30%，例如高濕為75%RH，低濕為11%RH，操作步驟為：（1）將保護蓋、校準封條拆下，露出探頭調整按鈕，并啟動分析軟件。（2）啟動保護插頭，能夠看到“+、-、□”按鈕和雙色指示燈。（3）長按ADJ按鈕，直至指示燈顯示為綠色，此時傳感器處于濕度校準模式。（4）將過濾器拆下，同時把探頭插進發生器測量孔，當發生器處于11%RH并趨于穩定，使用“+、-”按鈕進行調整，保證分析軟件顯示值與發生器的誤差保持在10%～20%，之后長按ADJ按鈕，直至指示燈燈光熄滅。（5）發生器設定為75%RH，趨于穩定之后，長按ADJ，直至指示燈亮起綠燈，等待半小時，使用“+、-”按鈕進行增益調整，保證Aout電壓處于正確值，調整儀器濕度處于74%～76%，長按ADJ，至燈光熄滅。根據規程要求進行調整后，需要檢定被調儀器，對調整效果進行檢驗。若調整結束后依然存在超差情況，則需要進行反復調整至滿足檢定規程相關要求。

5.3 調整實例

對M382330進行調整，對傳感器的濕度測定數據進行測量，發現測量值超出標準值4%，存在超差情況，需對傳感器進行調整。對低濕點進行調整，將發生器濕度調整為11%，趨于穩定使用傳感器進行測量，測量值為15%，將傳感器切換至調整模式，按“-”，將傳感器的測量值和11%接近，該次調整濕度至11.1%，退出調整模式。對高濕點進行調整，將發生器濕度設定為75%，趨于穩定后，傳感器測定值為79.4%，將傳感器切換至調整模式，按“-”，將傳感器的測量值接近75%。在調整時，傳感器的測量值和調整點存在較大差值，可長按“+”按鈕，縮減調整時間。

6 結語

綜上所述，氣象事業的發展對國家經濟建設、社會發展發揮著重要作用，傳感器數值精準性對氣象應用產生極大的影響[7]。當前階段因為缺少傳感器檢定規程。因此，本文對HMP155A型溫濕度傳感器檢定技術加以簡要分析，按照傳感器結構特征和工作原理，對其溫度、濕度檢定規程分析，確定合理的檢定方法和步驟，進而提高了溫濕度傳感器的檢定水平，促進了計量事業的高效發展。