王華章 孫貞 韓冰 張晶

摘要：通過對(duì)HMP155溫濕度傳感器工作原理和誤差成因進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的處理方法，以M2000作為發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)器提供標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，利用萬用表、模擬開關(guān)、模擬接口、3MS軟件實(shí)時(shí)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(duì)調(diào)整結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，解決了濕度傳感器的超差問題，保證了濕度傳感器測(cè)量值的客觀性和準(zhǔn)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(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)高分子膜作介質(zhì)的一種小型電容器，用于自動(dòng)站測(cè)量空氣相對(duì)濕度，其將感應(yīng)的空氣濕度轉(zhuǎn)換成相對(duì)映被測(cè)的電信號(hào)，自動(dòng)氣象站的采集器以一定的采樣頻率對(duì)濕度傳感器輸出的被測(cè)電信號(hào)采樣，再按規(guī)定的算法對(duì)采樣信號(hào)做計(jì)算處理得到需要的濕度觀測(cè)值。目前，自動(dòng)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(jiǎn)稱HMP45D）和HMP155溫濕度傳感器（簡(jiǎn)稱HMP155）。

自2013年開始，大連地區(qū)國家級(jí)自動(dòng)氣象站逐步進(jìn)行改造，HMP155代替HMP45D廣泛應(yīng)用于國家級(jí)站濕度測(cè)量。隨著業(yè)務(wù)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(wù)中繼續(xù)使用。目前，針對(duì)HMP45D溫濕度傳感器研究已有很多作者做出總結(jié)[1-5]，對(duì)HMP155的調(diào)整極少，將針對(duì)HMP155溫濕度傳感器在超差條件下的調(diào)整方法進(jìn)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(cè)量功能，適用于各種環(huán)境中。濕度測(cè)量基于HUMICAP180？誖電容性高分子薄膜傳感器（圖2），溫度測(cè)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(gè)燒結(jié)的聚四氟乙烯過濾器保護(hù)，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(cè)溫原理 HMP155測(cè)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(cè)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(cè)溫。在0 ℃時(shí)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(cè)量電阻以換算相應(yīng)的溫度值，其溫度測(cè)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(jìn)行放大，以提高測(cè)量的靈敏度，但金屬接入測(cè)量電路時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此采用四線制恒流源測(cè)溫原理測(cè)量溫度（圖3），消除引線電阻的變化，滿足測(cè)量需求。

1.2.2 HMP155測(cè)濕原理 HMP155測(cè)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(dāng)傳感器置于空氣中，空氣中水分子透過上電極進(jìn)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(dǎo)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(duì)映濕度為1%RH～100%RH，傳感器輸出在0～1 V范圍內(nèi)進(jìn)行線性變化。濕度傳感器具有高度的線性度，因此可以進(jìn)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(jì)量特性隨時(shí)間緩慢變化，長(zhǎng)時(shí)間使用后引起基點(diǎn)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(huì)受到空氣中的各種雜質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)的污染，也會(huì)引起基點(diǎn)漂移。因此，一般每半年到一年要進(jìn)行一次校準(zhǔn)[7]，調(diào)節(jié)傳感器內(nèi)的校準(zhǔn)電阻，使其達(dá)到測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2.2 長(zhǎng)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(dá)到與外部相對(duì)濕度平衡后，才能測(cè)得準(zhǔn)確的外部相對(duì)濕度，也就是說濕度測(cè)量有一定滯后時(shí)間，一般情況不會(huì)影響相對(duì)濕度正常測(cè)量。但傳感器長(zhǎng)期處于高濕環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境濕度下降后，濕度傳感器的相對(duì)濕度會(huì)長(zhǎng)時(shí)間降不下來，從而造成傳感器超差。出現(xiàn)該種情況時(shí)，打開過濾器，用電吹風(fēng)給傳感器感應(yīng)部分進(jìn)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(yīng)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(gè)燒結(jié)的聚四氟乙烯過濾器保護(hù)，該過濾器有良好的通風(fēng)性。傳感器長(zhǎng)時(shí)間在室外使用后，過濾器保護(hù)罩表面被灰塵和化學(xué)污染物質(zhì)覆蓋而影響到空氣的流通，使感應(yīng)部分無法與外界空氣相接觸，引起測(cè)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(shí)更換，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)較迅速，時(shí)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(yīng)部分很難與空氣相對(duì)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(shí)，不但對(duì)傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確度有影響，而且還對(duì)測(cè)量值的離散程度有影響[8]。因此，低溫下相對(duì)濕度準(zhǔn)確率較低，目前沒有一個(gè)有效的方法進(jìn)行控制。

3 濕度傳感器的調(diào)整

對(duì)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(duì)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(yīng)根據(jù)檢定點(diǎn)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(zhǔn)備

濕度傳感器的調(diào)整需要以下設(shè)備或工具：電腦一臺(tái)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，HMP155感應(yīng)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(yīng)的傳感器數(shù)值，并通過3MS軟件顯示相應(yīng)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(yīng)片的測(cè)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(hào)經(jīng)R6、G4和R7、G5組成的兩個(gè)低通波后得到反映相對(duì)濕度變化的直流電壓輸出信號(hào)Vout。相對(duì)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(hào)Vout隨相對(duì)濕度而發(fā)生變化。R5和R8分別是調(diào)多諧振蕩器零點(diǎn)和滿量程的校準(zhǔn)電阻，對(duì)映HMP155溫濕度探頭的“低濕”和“高濕”兩點(diǎn)。

3.3 兩點(diǎn)法調(diào)整

HMP155的校準(zhǔn)和調(diào)整是通過使用探頭上的按鈕（圖6）來進(jìn)行的。兩點(diǎn)濕度調(diào)整是通過使用兩個(gè)相對(duì)濕度參照點(diǎn)進(jìn)行，兩個(gè)濕度點(diǎn)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(hù)蓋和校準(zhǔn)封條，露出探頭上的調(diào)整按鈕。打開3MS軟件。

2）打開保護(hù)插頭，會(huì)看到標(biāo)記“-”“口”“+”的3個(gè)按鈕，還有一個(gè)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(shí)HMP155將置于RH校準(zhǔn)模式。

4）拆下過濾器并將探頭插入發(fā)生器的測(cè)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(jìn)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(duì)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(yàn)

按照檢定規(guī)程要求，對(duì)調(diào)整后儀器進(jìn)行檢定，檢驗(yàn)調(diào)整效果。如果調(diào)整后仍超差，應(yīng)反復(fù)調(diào)整，直到標(biāo)準(zhǔn)器檢定結(jié)果符合檢定規(guī)程。

4 調(diào)整實(shí)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(cè)量的相對(duì)濕度值整體比標(biāo)準(zhǔn)值高約4%，傳感器超差，需要進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整濕度數(shù)據(jù)（表2）中，首先調(diào)整低濕點(diǎn)，設(shè)置M2000發(fā)生器腔內(nèi)濕度為11%，待穩(wěn)定后傳感器測(cè)量值約為15%，傳感器進(jìn)入調(diào)整模式，需要按向下按鈕，使傳感器測(cè)量值與11%接近，本次調(diào)整至濕度為11.1%，退出校準(zhǔn)模式。調(diào)整高濕點(diǎn)，設(shè)置發(fā)生器腔內(nèi)濕度為75%，等待穩(wěn)定后傳感器測(cè)量值約為79.3%，設(shè)置傳感器進(jìn)入校準(zhǔn)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(zhǔn)模式。在調(diào)整過程中，當(dāng)傳感器調(diào)測(cè)量值與調(diào)整點(diǎn)相差較大時(shí)，可以長(zhǎng)按該按鈕，此時(shí)傳感器示數(shù)連續(xù)變化；傳感器示值與調(diào)整點(diǎn)接近時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)用數(shù)字萬用表、模擬接口、模擬開關(guān)、3MS軟件時(shí)時(shí)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(dòng)氣象站濕度傳感器的客觀性、準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 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，2012，29（2）：11-15.

[2] 李英梅.HMP45D濕度傳感器的檢定校準(zhǔn)方法研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2012，15（2）：126-126.

[3] 孫文良，沈秋雨，于文博，等.HMP45D溫濕度傳感器的檢定校準(zhǔn)[J].氣象水文海洋儀器，2009，26（3）：124-126.

[4] 張繼光，姜宗元，張 敏，等.HMP45D溫濕度傳感器的測(cè)量原理與誤差分析[J].科技發(fā)展，2013（4）：113-114.

[5] 劉 軍，楊志偉，韓立民.HMP45D濕度測(cè)量誤差調(diào)整及校準(zhǔn)[J].吉林氣象，2008（1）：42-43.

[6] 崔講學(xué).地面氣象觀測(cè)[M].北京：氣象出版社，2011.

[7] 王 強(qiáng).綜合氣象觀測(cè)[M].北京：氣象出版社，2012.

[8] JJG（氣象）003-2011，自動(dòng)氣象站濕度傳感器[S].

[9] 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）：370-372.