高分子濕度傳感器特性漂移及非線性修正

江玉飛，梁漢昌

（1.廣東省肇慶化工機械廠，廣東肇慶，526020；2.廣東省肇慶市技師學院，廣東肇慶，526020）

0 引言

高分子濕敏膜電容傳感器元件大多用聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸酯等沒有親水基和生成氫鍵原子的材料制成，有不發(fā)生水分子化學吸附、抗結(jié)露及耐化學腐蝕能力強、介電穩(wěn)定性、價格低廉等優(yōu)點。然而，這類傳感器在高溫或相對濕度大于50%RH的環(huán)境中，容易出現(xiàn)[3]性能退化、數(shù)據(jù)漂移、靈敏度下降等老化甚至疲勞失效問題。此癥狀在40℃以下、濕度≤10%RH的低濕氛圍中明顯減小，經(jīng)歷前期老化后便趨于穩(wěn)定，這就為其作為低濕露點傳感器提供了想象空間。

1 儀表設計

資料和實測表明，電容型濕度傳感器[4]在10%RH～95%RH濕度范圍內(nèi)靈敏度約為0.25pF/%RH,濕度－電容特性幾乎呈線性、溫度系數(shù)≈0.07%RH/ ℃,重現(xiàn)性及耐水性尚可；但在濕度≤10%RH的低濕空氣氛圍，靈敏度大幅降低，且非線性響應、零點漂移癥狀明顯，導致作線性應用時靈敏度低、測量誤差大、抗干擾差。采用硬件補償在抑制傳感器的零點漂移和長期可靠性方面仍鮮有肯定。試驗及跟蹤檢定表明，高分子濕度傳感器經(jīng)歷前期老化階段后，其在1%～10%RH低濕區(qū)濕容特性曲線的零點漂移逐漸減小，并幾乎都呈整線遷移，濕容點離散變異不大，溫度系數(shù)基本穩(wěn)定。這就啟示了采用數(shù)學方法修正傳感器特性參數(shù)回歸，制造高可靠性露點儀成為可能，設計方案為：前期老化→精密采集→數(shù)據(jù)修正→溫度補償→露點運算→校驗檢定→可靠性試驗。

儀表原理：采用三個傳感器分別把空氣的溫度、相對濕度、氣壓轉(zhuǎn)換成電壓，作線性放大后，由單片機系統(tǒng)按設定的程序?qū)ι鲜鋈梾?shù)進行關聯(lián)運算，求出在該工況條件下對應的露點數(shù)值。為了實時更新顯示，需配置合理的巡檢程序和運算支持數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 高分子濕敏電容露點檢測儀框圖

可靠性措施：1、把初檢合格的傳感器同時輪番置入-25℃、＜1%RH和100℃、飽和濕度的氛圍中，作不少于72小時的惡劣環(huán)境老化試驗[4]，重檢篩選靈敏度、重現(xiàn)性、離散性、零點漂移合格的器件配表。2、傳感器必須置入承壓等級適合、樣氣流通、屏蔽接地的同一金屬密閉取樣盒內(nèi)[1,5]；在線安裝時，取樣盒須設置防護機關，防止不穩(wěn)定高濕氣體污染傳感器。

2 非線性及漂移的修正

根據(jù)圖2所示，采用數(shù)學分段拋物線插值法[2]，對電容型濕度傳感器在≤10%RH區(qū)間采集的數(shù)據(jù)作實時回歸運算，能有效修正其零點漂移及關聯(lián)離散變化?；貧w運算公式為：

圖2 濕敏電容傳感器零點漂移與非線性圖線

式中：y —為相對濕度值，x —與y對應的濕度信號電壓，xi-1,xi,xi+1,yi-1,yi,yi+1,為數(shù)據(jù)表的值。

插值運算時，當插值點x位于結(jié)點xk-1與xk之間時，為確定另一個插值點，需先判斷x偏向區(qū)間（xk-1，xk）的那一側(cè)，若x靠近xk-1,即│x-xk-1│≤│x-xk│,則補選xk-2為結(jié)點，并令公式（1）中的下標i=k-1；反之，若x靠近xk,即│x-xk-1│＞│x-xk│,則補選xk+1為結(jié)點，并令i=k。當x靠近表頭，即x≤x1時，自然以x0,x1,x2為結(jié)點，同時令i=1；當x靠近表尾，即x＞xn-1時，則令i= n-1。由于濕度傳感器在＞10%RH的輸出特性基本呈線性，在此范圍內(nèi)采用線性插值運算。

數(shù)據(jù)表根據(jù)濕度傳感器的典型輸出特性制定，單片機在讀得濕度傳感器輸出的信號電壓時，會確定采用何種插值算法；數(shù)據(jù)表還有濕度傳感器的典型溫度特性數(shù)據(jù)，在插值運算時對其溫度漂移一并修正。

3 結(jié)果與討論

采用上述數(shù)學回歸算法和可靠性措施設計的兩臺露點儀，經(jīng)武漢市儀器儀表研究完成標定、檢定后，在壓縮空氣干燥器輸出端作在線監(jiān)測運行兩年后復檢，儀表的示值誤差均不超過±1.2 Td℃，其中2035號的檢驗結(jié)果如表1所示。

運行至第三年，這兩臺露點檢測儀再次經(jīng)國家標準物質(zhì)研究中心檢定，同樣表現(xiàn)出示值誤差不超過±1.5 Td℃，2035號露點儀的檢定數(shù)據(jù)見表2。

可見，插值回歸算法適合修復高分子濕度傳感器的低濕響應特性，增加數(shù)據(jù)表的值并縮小插值結(jié)點間距，會有進一步改善；用數(shù)個傳感器對濕度作多鑒采集，取其輸出信號的平均值生成濕度數(shù)據(jù)，是提高濕度信號可靠性的措施之一。

表1 兩年后武漢儀器儀表研究所復檢露點儀記錄

表2 第三年國家標準物質(zhì)研究中心復檢記錄

4 結(jié)束語

利用數(shù)學插值回歸運算結(jié)合前期老化處理技術，可改善傳感器應用的可靠性，值得探討和完善。借鑒最大后驗（MAP）估計與最近鄰線性回歸（NNLR）結(jié)合的自適應框架模型插值法[6]，可望取得更好的效果。