氣象用濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性測試與分析

蘇 騰,王曉蕾,葉 松,陳曉穎,慕新倉,孫學金,馬祥輝,郭 俊

（解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101）

氣象用濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性測試與分析

蘇 騰,王曉蕾,葉 松,陳曉穎,慕新倉,孫學金,馬祥輝,郭 俊

（解放軍理工大學氣象海洋學院，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，并對誤差年漂移量的變化規(guī)律及影響因素進行分析。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，低溫時穩(wěn)定性較差；室溫時穩(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)指標要求。

氣象；濕敏電容；穩(wěn)定性；年漂移量；檢定校準周期

0 引 言

空氣濕度是氣象觀測的重要參數(shù)，對于氣象分析與預報、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量元件，在氣象領(lǐng)域得到了廣泛應用。

幾十年的使用和試驗表明，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[2]。除遲滯誤差外，環(huán)境溫度的改變對濕度測量準確度及測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量特性隨時間恒定的能力。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)，對于業(yè)務使用和試驗測試都具有重要影響[4]。長期使用的數(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)測試資料，進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，對正確認識濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性具有重要意義，并且為科學地確定濕敏電容傳感器的檢定周期提供了重要依據(jù)。

1 測試簡況

近兩年，被試14套濕敏電容傳感器隨其地面氣象自動觀測設備在南京江寧進行了為期一年的使用試驗。試驗前后，各進行了一次靜態(tài)測試。文中采用的資料就是兩次測試中濕敏電容傳感器的靜態(tài)測試數(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內(nèi)3個廠家和芬蘭Vaisala公司，表1給出了被試傳感器編號及型號。

表1 被試件編號及傳感器型號

1.2 標準器及測試設備

為減小附加誤差，保證測試數(shù)據(jù)的可比性，兩次測試均采用相同的標準器和測試設備。標準器為美國GE公司的精密冷鏡式露點儀，露點測量范圍為-60℃～40℃，測量誤差為±0.01℃；測試設備為國產(chǎn)SYSD型一等標準雙壓法濕度發(fā)生器，其產(chǎn)生相對濕度的范圍為10%～95%RH，最大允許誤差為±1%RH。

1.3 測試方法

測試中選取-30℃，-10℃和20℃ 3個溫度點。-30℃時，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95% 7個濕度測試點。由于被試件技術(shù)指標不同，-10℃和20℃時，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測試點，其余被試件選取15%測試點，其他測試點與-30℃時相同。每個溫度點進行兩個循環(huán)測試，每個濕度測試點有兩對不同濕度變化趨勢的數(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試點誤差與使用前各濕度測試點誤差的差值，其中濕度測試點誤差為該測試點4次單次測量誤差的平均值。

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)律以及同型號的兩被試件之間的一致性。

為確定各種因素對誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測設備型號對誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。

為檢驗現(xiàn)行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國氣象局對濕敏電容傳感器的要求為標準，對使用后靜態(tài)測試中14支濕敏電容傳感器的合格率進行了統(tǒng)計。

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

測試時選取了-30℃，-10℃和20℃ 3個溫度點，圖1為各被試件在不同溫度點誤差年漂移量的箱形圖，每個箱形的數(shù)據(jù)為7個濕度測試點的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點為最大值，最低點為最小值，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“+”點為異常值。從圖中可以看出，對大多數(shù)被試件來說，低溫時中位線較

低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時較低，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，文中計算了誤差年漂移量的平均值和標準偏差。根據(jù)JJF 1001-2011《通用計量術(shù)語及定義技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當測量次數(shù)小于9次時，采用極差法計算標準偏差，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)，由測量次數(shù)確定，文中測量次數(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時誤差年漂移量的平均值和標準偏差?？傮w來看，各被試件在-30℃時誤差年漂移量的區(qū)間為[-5.62，0.82]，-10℃時為[-3.73，0.95]，20℃時為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。

表2 各被試件在不同溫度點時誤差年漂移量的平均值和標準偏差

圖2 20℃時8種觀測設備濕度測量誤差的年漂移量

3.2 20℃時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的被試件的誤差漂移情況，按照觀測設備型號將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時8種型號的觀測設備濕度測量誤差的年漂移量。

從誤差年漂移量曲線的變化趨勢來看，在全量程不同測量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測設備圖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軸負向移動。在低濕點（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點（＞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型觀測設備（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型觀測設備的兩套被試件除50%RH測試點存在1.81%RH的差異外，其余測試點誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測設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)生往往與多個因素有關(guān)，但各個因素對事件發(fā)生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗觀測值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對測試點溫度、測試點濕度、觀測設備型號進行3因素方差檢驗，得出3個因素及其交互作用

對誤差年漂移量的影響。為確定結(jié)果是否是“統(tǒng)計上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規(guī)定當α值小于0.01時，結(jié)果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測設備型號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計制造水平對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行周期檢定以保障其準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。

中國氣象局對濕度測量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗的14套被試件經(jīng)過一年的動態(tài)比對試驗，使用后的靜態(tài)測試中有3套被試件仍符合技術(shù)指標要求，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：地面氣象自動觀測儀》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量準確度，德國科學工作者建議幾周校準一次[8]，我國也建議應每半年采用兩種飽和鹽溶液對濕敏電容傳感器進行兩點調(diào)校。

4 結(jié)束語

本文在觀測設備使用前和使用后對其濕敏電容傳感器進行了兩次靜態(tài)測試并針對穩(wěn)定性對測試數(shù)據(jù)進行了分析。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（≤40%RH）誤差年漂移量的置信區(qū)間為[-2.38，2.30]，高濕點（＞80%RH）為[-4.50，2.42]。說明室溫時，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的測量誤差平均為-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）文中進行了3因素方差檢驗，結(jié)果表明，溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設計制造水平對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的準確度要求，因此建議規(guī)定半年檢定一次，但這會增加人力、物力、財力等各項開支，其可行性需要進一步研究。

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[2]杜智濤，魏洪峰，姜明波，等.3種型號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.

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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)方向為測試計量技術(shù)與儀器。