Excel在濕敏電容傳感器檢定結(jié)果數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

楊朝輝　成銀春

(南京軍區(qū)空氣象中心，南京 210018)

0　引言

濕度是氣象觀測的一項(xiàng)重要參數(shù)，目前氣象臺站自動(dòng)觀測中使用的濕度測量器件主要是濕敏電容傳感器。濕敏電容傳感器具有測濕范圍寬、測濕準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、能遠(yuǎn)距離測量、便于實(shí)現(xiàn)濕度自動(dòng)顯示和傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在日常計(jì)量檢定工作中，對其檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是件繁瑣的事情，不但數(shù)據(jù)量大，利用計(jì)算器計(jì)算還容易出錯(cuò)，同時(shí)在計(jì)算過程中對數(shù)據(jù)有效數(shù)字的控制也會(huì)對檢定結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。為了更好地解決計(jì)算中遇到的實(shí)際問題，提高數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度和工作效率，利用Excel編寫了計(jì)算方法，使檢定數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、高效和實(shí)用。

1　濕敏電容傳感器結(jié)構(gòu)原理

濕敏電容傳感器采用有機(jī)膜濕敏電容，其電容值隨相對濕度變化，通過轉(zhuǎn)換電路使對應(yīng)濕度0～100％RH的變化輸出0～1V的電壓信號，再經(jīng)采集器的A/D轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號送給單片機(jī)進(jìn)行處理，然后傳輸給預(yù)處理器。濕敏電容的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　濕敏電容結(jié)構(gòu)示意圖

2　檢定數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)GJB 1758.1A—2013《總則部分》規(guī)定，檢定結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法主要包括被檢儀器對于標(biāo)準(zhǔn)器的差值計(jì)算、示值誤差計(jì)算和各檢定點(diǎn)修正值計(jì)算。

2.1　差值計(jì)算

被檢儀器對于標(biāo)準(zhǔn)器的差值，按式(1)計(jì)算：

x=A-(A0+ΔA0)

(1)

式中，x為被檢儀器對于標(biāo)準(zhǔn)器的差值；A為被檢儀器的示值或測量結(jié)果；A0為標(biāo)準(zhǔn)器的示值或測量結(jié)果；ΔA0為標(biāo)準(zhǔn)器對應(yīng)檢定點(diǎn)的修正值。

2.2　示值誤差計(jì)算

若在檢定點(diǎn)上只測量了一次，用式(1)計(jì)算的差值即為該檢定點(diǎn)的示值誤差；若在檢定點(diǎn)上測量了n次，則用n次差值的平均值作為該檢定點(diǎn)示值誤差的測量結(jié)果，n次差值的平均值按式(2)計(jì)算：

(2)

xi為各次測量的差值；

n為測量的次數(shù)，i=1～n。

2.3　檢定點(diǎn)修正值計(jì)算

檢定的最終結(jié)果是要得出各檢定點(diǎn)的修正值，規(guī)程中規(guī)定，檢定各點(diǎn)修正值是各點(diǎn)系統(tǒng)誤差的相反量；由各檢定點(diǎn)修正值按式(3)計(jì)算：

(3)

3　Excel的應(yīng)用

由GJB 1758.25A—2013《軍用氣象儀器檢定規(guī)程第25部分：地面氣象自動(dòng)觀測儀》可知，判斷一支濕敏電容傳感器合格與否，在檢查外觀、結(jié)構(gòu)及絕緣電阻合格后，主要是考察被檢濕敏電容傳感器分別在-10℃和20℃環(huán)境條件下的策略范圍和最大允許誤差是否滿足規(guī)程要求。

3.1　檢定方法和要求

被檢濕敏電容傳感器應(yīng)置于SYSD-3型雙壓法標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器測試室工作區(qū)域的中間位置，其敏感部分至少應(yīng)深入測試室200mm，但距測試室底部的距離應(yīng)大于80mm。檢定時(shí)，應(yīng)以預(yù)處理器或配套計(jì)算機(jī)終端顯示的瞬時(shí)濕度值作為被檢傳感器的濕度示值。-10℃時(shí)的檢定點(diǎn)通常為20％、45％、65％、75％、88％RH；20℃時(shí)的檢定點(diǎn)通常為15％、30％、50％、70％、85％、95％RH。采用循環(huán)檢定法，應(yīng)從最低濕度檢定點(diǎn)開始逐點(diǎn)升濕，到最高濕度檢定點(diǎn)后再逐點(diǎn)降濕，共進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)。每個(gè)檢定點(diǎn)應(yīng)有兩對不同濕度變化趨勢的數(shù)據(jù)。

3.2　Excel檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)處理

從上可看出，示值檢定時(shí)，被檢濕敏電容傳感器和濕度發(fā)生器需要記錄40組原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，采用手工計(jì)算器計(jì)算處理，即耗時(shí)，又容易出錯(cuò)，同時(shí)各數(shù)據(jù)有效數(shù)字位數(shù)不能自動(dòng)形成。這樣利用Excel編寫程序時(shí)就方便許多，可以直接將公式直接寫入相應(yīng)的單元格，避免了中間的一些導(dǎo)入過程。

具體設(shè)計(jì)如下：

1)首先設(shè)計(jì)好版面，為了直觀，先將被檢傳感器信息、檢定裝置信息及檢定環(huán)境等信息輸入至3～6行相應(yīng)單元格內(nèi)；接著將第一循環(huán)濕度發(fā)生器的讀數(shù)記錄在B10-B29單元格內(nèi)，將被檢傳感器示值記錄在C10～C29單元格內(nèi)，將第一循環(huán)濕度發(fā)生器的讀數(shù)和被檢傳感器示值分別記錄在E10～E29和F10～F29單元格內(nèi)，此時(shí)，原始數(shù)據(jù)記錄完畢。

2)按照式(1)將被檢濕敏電容傳感器對于標(biāo)準(zhǔn)器(濕度發(fā)生器示值)的差值放在D10～D29和G10～G29單元格內(nèi)，D10、D11單元格公式如下：D10 =C10-B10；D11 =C11-B11。后面單元依次類推，利用填充或擴(kuò)展序列的方法將其它單元各公式寫好，這樣各檢定點(diǎn)差值會(huì)自動(dòng)計(jì)算顯示在相應(yīng)單元格內(nèi)。

3)按照式(2)和式(3)，通過計(jì)算將各檢定點(diǎn)示值修正值分別放在I10～I(xiàn)14和I20～I(xiàn)24單元格內(nèi)，其中I10、I11內(nèi)寫入公式如下：I10=(D10+G10+D19+G19)*(-1)/4；I11 =(D11+G11+D18+G18)*(-1)/4。后面單元依次類推，利用填充或擴(kuò)展序列的方法將其它單元各公式寫好，這樣各檢定點(diǎn)示值修正值就會(huì)自動(dòng)計(jì)算顯示在相應(yīng)單元格內(nèi)。

4)按照規(guī)程規(guī)定，濕敏電容傳感器合格要求為：測量范圍：0～100％RH；最大允許誤差：0℃以上，±4％RH；0℃及以下，±6％RH。在單元格J10～J14及J20～J24內(nèi)分別寫入判斷結(jié)論程序如下：

J10 =IF(I10^2<=36,"合格","不合格")；J20=IF(I20^2<=16,"合格","不合格")；

J11 =IF(I11^2<=36,"合格","不合格")；J21=IF(I21^2<=16,"合格","不合格")；

J12 =IF(I12^2<=36,"合格","不合格")；J22=IF(I22^2<=16,"合格","不合格")；

J13 =IF(I13^2<=36,"合格","不合格")；J23=IF(I23^2<=16,"合格","不合格")；

J14 =IF(I14^2<=36,"合格","不合格")；J24=IF(I24^2<=16,"合格","不合格")；

圖2　Excel檢定數(shù)據(jù)處理程序版面圖

由上述程序可以看出，濕敏電容傳感器和濕度發(fā)生器各檢定點(diǎn)讀數(shù)輸入完畢，被檢儀器對于標(biāo)準(zhǔn)器的差值、示值誤差及各檢定點(diǎn)修正值就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出來，同時(shí)能根據(jù)修正值自動(dòng)判斷被檢傳感器合格與否。Excel檢定數(shù)據(jù)處理程序版面如圖2所示。

4　結(jié)果驗(yàn)證

我們采用計(jì)算器和Excel計(jì)算程序分別對濕敏電容傳感器檢定結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果用計(jì)算器按照規(guī)程的計(jì)算公式，分布進(jìn)行計(jì)算并判斷結(jié)果所用時(shí)間為3min，而采用Excel檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)處理程序所用的時(shí)間僅為0.5min；更重要的是手工計(jì)算會(huì)帶來較大的誤差，對于修正值處于最大允許誤差邊緣時(shí)，手工計(jì)算會(huì)對檢定結(jié)果的判定做出錯(cuò)誤判斷；同時(shí)在數(shù)據(jù)修約方面，Excel程序的優(yōu)勢也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手工計(jì)算器計(jì)算，能提高檢定數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確度。

5　結(jié)語

利用Excel強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以把濕敏電容傳感器檢定過程中極其復(fù)雜和繁瑣的計(jì)算簡單化，即迅速又準(zhǔn)確，不僅提高了工作效率，還避免了手工計(jì)算可能帶來的人為差錯(cuò)。以上方法，通過本單位長期使用，證明效果良好，可推廣到其它檢定項(xiàng)目。

[1]程曉云.用EXCEL軟件實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度與熱電勢的相互計(jì)算.計(jì)量技術(shù)，2008(6)

[2]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[3]王建發(fā)等.EXCEL2010操作與技巧.北京：電子工業(yè)出版社，2011

[4]GJB 1758—2013《軍用氣象儀器檢定規(guī)程》