船用溫濕度傳感器的溫度特性研究*

孫 佳，鄒 靖，胡 桐，成 文

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島266001）

船用溫濕度傳感器的溫度特性研究*

孫 佳*，鄒 靖，胡 桐，成 文

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島266001）

引起溫濕度傳感器測量誤差的主要因素是背景噪聲和傳感器放大電路溫漂，為了降低溫濕度傳感器的測量誤差，通過設(shè)置濾波器并采用信號疊加方法抑制背景噪聲；采用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)確定放大電路溫度特性，建立溫度補償模型編寫溫度校正軟件并對放大電路溫漂進(jìn)行補償。試驗結(jié)果表明，溫度補償后的溫濕度傳感器測量精度得到明顯提高。

溫濕度傳感器；溫度特性；溫度補償；放大電路溫漂

在海洋調(diào)查規(guī)范中規(guī)定，氣象觀測項目主要有空氣溫度、相對濕度等氣象要素［1］。可見，氣溫和相對濕度是氣象觀測要素中非常重要的氣象參數(shù)［2］。

目前，測量氣溫的儀器主要有干球溫度表和鉑電阻溫度傳感器，但這兩種傳感器都是根據(jù)物理特性制成，且傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有針對傳感器的溫度補償措施或補償方法［2-6］；測量相對濕度的儀器主要有通風(fēng)干濕表和濕敏電容濕度傳感器。其中，通風(fēng)干濕表是利用機(jī)械裝置使溫度表球部處于恒定速度的氣流中以獲得測量數(shù)據(jù)，機(jī)械部件多且易故障，不存在溫度補償措施［7］；濕敏電容濕度傳感器是通過有機(jī)高分子膜制作的一種小型電容器，同樣沒有針對傳感器的溫度補償措施或補償方法［8］。

船舶氣象觀測設(shè)備中應(yīng)用的溫濕度傳感器中的溫濕度敏感元件感知環(huán)境的溫度和相對濕度，輸出微弱的直流電信號，該微弱的電信號經(jīng)過放大電路放大后輸出溫濕度測量信號［9-13］。在實際使用中，國內(nèi)外的溫度傳感器和相對濕度傳感器是分開的，溫度傳感器是通過鉑電阻設(shè)計溫度轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行溫度測量；相對濕度傳感器是濕敏電容，電信號的處理電路復(fù)雜，沒有針對轉(zhuǎn)換電路的溫度補償措施［14-16］。鑒于以上因素，導(dǎo)致現(xiàn)在船用溫濕度傳感器的溫度測量精度最高為±0.5℃，相對濕度測量精度最高為±5%RH，無法滿足新型船舶氣象觀測設(shè)備對溫度和相對濕度更高技術(shù)指標(biāo)的要求。

為解決現(xiàn)有溫濕度傳感器存在的問題，提高船用溫濕度傳感器的技術(shù)指標(biāo)及可靠性，本文對船用溫濕度傳感器的溫度特性進(jìn)行研究，針對引起溫濕度傳感器測量誤差的主要因素：背景噪聲和傳感器放大電路溫漂，提出一種船用溫濕度傳感器的溫度補償方法，通過設(shè)置濾波器和信號疊加的方法抑制背景噪聲；通過試驗數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，確定放大電路的溫度特性，建立溫度補償模型對放大電路的溫漂進(jìn)行補償，降低溫濕度傳感器的測量誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。

1 技術(shù)設(shè)計

船用溫濕度傳感器溫度特性的研究主要包括：敏感元件微弱信號提取放大電路、放大電路溫度特性的確定以及溫度補償方法的確定。敏感元件微弱信號提取放大電路包括直流斬波器、低噪聲前置放大器、帶通濾波器、交流放大器、移相器、驅(qū)動電路、乘法器、積分器及直流放大器等部分；放大電路溫度特性的確定包括隨機(jī)的3組放大電路置于恒溫恒濕試驗機(jī)內(nèi)進(jìn)行溫度等間隔遞增變化，記錄3組放大電路的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到放大電路溫度特性曲線；溫度補償方法包括通過溫度特性曲線，結(jié)合轉(zhuǎn)換電路中電壓-溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)和電壓-相對濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)，建立溫度（相對濕度）誤差值與環(huán)境溫度變化的映射關(guān)系方程，即放大電路溫度補償方法。

1.1 微弱信號提取放大電路設(shè)計

溫濕度傳感器敏感元件輸出的微弱信號是直流電信號，該信號中包含有效信號和噪聲信號，在時域中很難將有效信號從噪聲中分離出來，因此需要將時域信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，再進(jìn)行處理。

微弱信號提取放大電路設(shè)計包括直流斬波器、低噪聲前置放大器、帶通濾波器、交流放大器、移相器、驅(qū)動電路、乘法器、積分器及直流放大器等部分，如圖1所示。直流斬波器將恒定的直流信號轉(zhuǎn)換成周期性變化的信號，該信號分為2路，分別進(jìn)入信息通道和參考通道；信息通道中，信號經(jīng)過兩級放大和帶通濾波器，濾除了遠(yuǎn)離有效信號頻段的部分噪聲；參考通道中，信號產(chǎn)生了恒定相移；乘法器對信息信號和參考信號進(jìn)行自相關(guān)運算，由于噪聲的自相關(guān)函數(shù)接近于0，所以經(jīng)過乘法器后信號的信噪比大幅提高，再經(jīng)過積分器和直流放大器，最后輸出易于測量的直流電壓信號。

圖1 放大電路設(shè)計框圖

1.2 確定放大電路溫度特性

通過電阻箱和惠斯通電橋電路產(chǎn)生與溫濕度傳感器敏感元件輸出一致的微弱電壓信號，將此微弱電壓信號作為放大電路的輸入信號。將放大電路置于恒溫恒濕試驗機(jī)內(nèi)，恒溫恒濕試驗機(jī)內(nèi)溫度從-50℃～50℃之間以10℃的溫度等間隔遞增變化，依次記錄放大電路的輸出值。為避免放大電路的個體差異性，選取同樣電路配置的3組放大電路進(jìn)行試驗，分別標(biāo)記為1#、2#、3#，試驗流程示意圖如圖2所示。

圖2 溫度特性試驗流程圖

試驗結(jié)束后，對記錄的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將1#放大電路的同一輸入值對應(yīng)的輸出值歸為1組，共11組，繪制1#放大電路在相同輸入的情況下，輸出值隨環(huán)境溫度變化的曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 1#放大電路輸出值隨溫度變化曲線

圖4 電阻設(shè)定100 Ω時放大電路輸出值隨溫度變化曲線

用11組測量輸出值分別與對應(yīng)理論輸出值相比較（理論輸出值是針對不同輸入值，放大電路的輸出值），輸出偏差如圖5所示。從圖5中可以看出，偏差值隨環(huán)境溫度的變化而逐漸變化。比較不同輸入值對應(yīng)的11組輸出偏差曲線，發(fā)現(xiàn)其變化趨勢是一致的。11組輸出偏差曲線內(nèi)包含的這種規(guī)律性偏差正是由放大電路的溫漂造成的。將11組輸出偏差曲線進(jìn)行積分疊加，從中分離出由于放大電路溫漂引起的輸出偏差，如圖6中“○”所示。采用最小二乘法擬合，得到1#放大電路的溫度特性方程（1），擬合誤差為0.4 mV（RMS），其特性曲線如圖6所示。

式中：ΔV為放大電路輸出電壓偏差值，T為環(huán)境溫度。

圖5 輸出偏差值隨環(huán)境溫度變化曲線

采用相同的數(shù)據(jù)處理方法，繪制出2#放大電路在相同輸入的情況下，輸出值隨環(huán)境溫度變化的曲線，如圖7所示。用11組測量輸出值分別與對應(yīng)理論輸出值相比較，輸出偏差如圖8所示。從圖中可以看出，偏差值隨環(huán)境溫度的變化而逐漸變化。比較不同輸入值對應(yīng)的11組輸出偏差曲線，發(fā)現(xiàn)其變化趨勢是一致的。這一現(xiàn)象與1#放大電路類似。將11組輸出偏差曲線進(jìn)行積分疊加，從中分離出由于放大電路溫漂引起的輸出偏差，如圖9中“□”所示。采用最小二乘法擬合，得到2#放大電路的溫度特性方程（2），擬合誤差為0.5 mV（RMS），其特性曲線如圖9所示。

圖6 1#放大電路的溫度特性曲線

圖7 2#放大電路輸出值隨溫度變化曲線

圖8 輸出偏差值隨環(huán)境溫度變化曲線

圖9 2#放大電路的溫度特性曲線

式中：ΔV為放大電路輸出電壓偏差值，T為環(huán)境溫度。

采用相同的數(shù)據(jù)處理方法，繪制出3#放大電路在相同輸入的情況下，輸出值隨環(huán)境溫度變化的曲線，如圖10所示。用11組測量輸出值分別與對應(yīng)理論輸出值相比較，輸出偏差如圖11所示。從圖中可以看出，偏差值隨環(huán)境溫度的變化而逐漸變化。比較不同輸入值對應(yīng)的11組輸出偏差曲線，發(fā)現(xiàn)其變化趨勢是一致的。這一現(xiàn)象與1#和2#放大電路類似。將11組輸出偏差曲線進(jìn)行積分疊加，從中分離出由于放大電路溫漂引起的輸出偏差，如圖12中“*”所示。采用最小二乘法擬合，得到3#放大電路的溫度特性方程（3），擬合誤差為0.6 mV（RMS），其特性曲線如圖12所示。

圖10 3#放大電路輸出值隨溫度變化曲線

圖11 輸出偏差值隨環(huán)境溫度變化曲線

圖12 3#放大電路的溫度特性曲線

式中：ΔV為放大電路輸出電壓偏差值，T為環(huán)境溫度。

1.3 建立溫度補償模型

通過數(shù)學(xué)模型對得到的溫度特性進(jìn)行描述，通過溫度補償技術(shù)，對放大電路溫漂引起的誤差進(jìn)行補償，建立溫度補償模型，流程示意圖如圖13所示。

圖13 溫度補償模型的建立流程示意圖

采用回歸分析方法，對1#、2#、3#放大電路的溫度特性曲線進(jìn)行重新擬合，得到放大電路的復(fù)合溫度特性曲線，如圖14所示。其擬合誤差為5.1 mV（RMS），擬合方程為：

式中：ΔV為放大電路輸出電壓偏差值，T為環(huán)境溫度。

圖14 復(fù)合溫度特性曲線

根據(jù)擬合方程（4）可知，環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的放大電路輸出電壓產(chǎn)生偏差范圍是-5.6 mV～6.2 mV。

放大電路輸出電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換計算后，得到相應(yīng)的溫度和相對濕度值.根據(jù)設(shè)計，電壓-溫度轉(zhuǎn)換系數(shù) σT=31.25(℃/V)，電壓-濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)σRH=31.25(%RH/V)。當(dāng)溫濕度傳感器測得的環(huán)境溫度為T時，放大電路溫漂引起的電壓偏差轉(zhuǎn)換成溫度誤差ΔT和濕度誤差ΔRH表示為

設(shè)補償后的溫度和相對濕度分別為T′和RH′，則有

綜上所述，溫濕度傳感器溫度補償方程為：

2 原理樣機(jī)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

為驗證溫度補償方法的效果，制作3臺溫濕度傳感器原理樣機(jī)，對經(jīng)過溫度補償?shù)臏貪穸葌鞲衅髟順訖C(jī)進(jìn)行試驗驗證。原理樣機(jī)的硬件電路中選用高新能、低功耗、可編程AVR處理器，其內(nèi)置8路16 bit的高速A/D轉(zhuǎn)換器，微弱電壓信號經(jīng)過放大電路處理后，進(jìn)入到AVR處理器中，通過A/D轉(zhuǎn)換器采集后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。原理框圖如圖15所示。

圖15 硬件設(shè)計原理框圖

2.2 軟件設(shè)計

程序流程示意圖如圖16所示。

圖16 程序流程示意圖

3 驗證試驗

驗證試驗均在山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室的恒溫恒濕試驗機(jī)中進(jìn)行，如圖17所示。驗證試驗選取了2套經(jīng)過溫度補償?shù)臏貪穸葌鞲衅鳂?biāo)記為4#、5#以及1套未經(jīng)溫度補償?shù)膫鞲衅鳂?biāo)記為6#，試驗數(shù)據(jù)如表1～表6所示。

圖17 驗證試驗設(shè)備

表1 4#溫濕度傳感器的溫度試驗結(jié)果 單位：℃

表2 4#溫濕度傳感器的相對濕度試驗結(jié)果 單位：%RH

表3 5#溫濕度傳感器的溫度試驗結(jié)果 單位：℃

表4 5#溫濕度傳感器的相對濕度試驗結(jié)果 單位：%RH

表5 6#溫濕度傳感器的溫度試驗結(jié)果 單位：℃

表6 6#溫濕度傳感器的相對濕度試驗結(jié)果 單位：%RH

試驗結(jié)果表明：經(jīng)過溫度補償?shù)臏貪穸葌鞲衅鳒囟葴y量最大誤差為0.2℃，相對濕度測量最大誤差為1.3%RH；未經(jīng)溫度補償?shù)臏貪穸葌鞲衅鳒囟葴y量最大誤差為0.5℃，相對濕度測量最大誤差為2.5%RH，由此可知，經(jīng)過溫度補償?shù)臏貪穸葌鞲衅鞯臏y量精度遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)在船用的、未經(jīng)補償?shù)臏貪穸葌鞲衅鞯臏y量精度，并且該溫濕度傳感器進(jìn)行了陸試和海試，如圖18所示。并配備有專用百葉箱，環(huán)境適應(yīng)性好，可靠性高。

圖18 海試環(huán)境

4 結(jié)論

論文詳細(xì)闡述背景噪聲和傳感器放大電路溫漂對溫濕度傳感器測量精度的影響，通過溫度試驗采用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，確定溫濕度傳感器放大電路的溫度特性，對放大電路的溫漂進(jìn)行補償，降低溫濕度傳感器的測量誤差，提高測量的準(zhǔn)確性，研制了溫濕度傳感器原理樣機(jī)，并進(jìn)行了陸試和海試，完全可以滿足港口、岸站、艦船等海洋環(huán)境的氣象觀測要求。

［1］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 12763.3—2007海洋調(diào)查規(guī)范第3部分：海洋氣象觀測［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

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孫 佳（1983-），男，2007年于佳木斯大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2010年于哈爾濱工程大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所工程師，主要研究方向為海洋儀器儀表及自動控制，sunjia0502@163.com；

鄒 靖（1986-），男，2008年于河海大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2013年于中國科學(xué)院大氣物理研究所獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所副研究員，主要研究方向為海氣耦合數(shù)值模擬，zoujing6323659@126.com。

The Research of Marine Temperature and Humidity Sensor Temperature Characteristic*

SUN Jia*，ZOU Jing，HU Tong，CHENG Wen
（Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences，National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment，Qingdao Shandong 266001，China）

According to the background noise and the temperature drift of sensor amplifier circuit are the main factors causing the measurement error of the temperature and humidity sensor，it is proposed to suppress the back?ground noise by setting up the filter and using the signal superposition method；the temperature characteristic of amplifier circuit is determined by data fitting technique，the temperature compensation model is established，write temperature calibration software and the temperature drift of the amplifier circuit is compensated.The experiment results show that the measurement accuracy of the temperature and humidity sensor after temperature compensation is significantly improved.

temperature and humidity sensor；temperature characteristic；temperature compensation；amplifier circuit temperature drift

TH765

A

1004-1699（2016）11-1666-07

EEACC：7230 10.3969/j.issn.1004-1699.2016.11.007

項目來源：山東省科學(xué)院青年科學(xué)基金項目（2014QN034，2014QN035）

2016-05-10 修改日期：2016-06-28