環(huán)境試驗設(shè)備參數(shù)測量──濕度傳感器校準

伍偉雄，周裕華，陳再舉

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

環(huán)境試驗設(shè)備濕度的測量[7]，使用濕度傳感器或干濕球溫度計是一種經(jīng)濟合理的選擇。在GB/T 5170.5-2016《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法 濕熱試驗設(shè)備》[2]、JJF 1270-2010《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準規(guī)范》[6]、JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準規(guī)范》[5]等標準中，濕度測量規(guī)定使用濕度傳感器（主要是電阻式或電容式濕敏元件傳感器）或干濕球溫度計。

環(huán)境試驗設(shè)備的濕度測量與量值傳遞中的濕度測量不同，環(huán)境試驗設(shè)備的濕度測量通常是高溫高濕、高溫低濕、低溫高濕、低溫低濕的測量，而量值傳遞中的測量通常是常溫下或溫度范圍變化不大的濕度測量。使用濕度傳感器測量環(huán)境試驗設(shè)備的濕度時，濕度傳感器按照量值傳遞中常溫狀態(tài)下校準顯然是不夠的，它的校準問題往往被人們忽視了。因此，當濕度傳感器用于環(huán)境試驗設(shè)備的濕度測量時，探討其校準問題具有實際意義。

1 環(huán)境試驗的濕熱試驗

環(huán)境試驗的目的主要是考核產(chǎn)品對環(huán)境條件的適應(yīng)性，濕熱試驗[1]是環(huán)境試驗中最重要的試驗之一。環(huán)境試驗不僅僅模擬實際使用中可能遇到的環(huán)境條件，有時為了縮短試驗時間獲得與正常使用條件相類似的效果，會使用加速試驗。所謂加速試驗是指加大試驗的量值，對于濕度試驗而言，加速的方法，通常是在濕度給定的條件下，通過提高溫度的方法實現(xiàn)濕熱試驗的加速作用。加速試驗的量值在實際大氣環(huán)境中不會出現(xiàn)，因此，環(huán)境試驗的濕度測量，與一般自然環(huán)境的濕度測量是不同的。90 ℃、95 %RH，85 ℃、85 %RH，65 ℃、95 %RH，65 ℃、45 %RH，5 ℃、90 %RH ，5 ℃、10 %RH等等，都是常見的高溫高濕、高溫低濕、低溫高濕、低溫低濕的試驗組合，而這些溫濕度組合一般在自然環(huán)境中不會出現(xiàn)。

2 濕度傳感器

人們早就認識到，許多物質(zhì)都具有隨環(huán)境濕度的變化而吸收或放出水汽的性質(zhì)，進一步地，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)含水量的變化會導致其電學參數(shù)的變化，例如電阻和電容產(chǎn)生相應(yīng)的變化。人們正是利用物質(zhì)這些特性制成濕敏元件，配上相應(yīng)的測量電路便構(gòu)成了濕度測量儀器。

人們同樣也認識到，許多物質(zhì)的電學參數(shù)也會隨環(huán)境溫度的變化而變化，濕敏元件的電阻或電容除隨環(huán)境濕度的變化而變化之外，同時也隨環(huán)境溫度的變化而變化。即濕敏元件的電阻或電容的變化，同時受到環(huán)境濕度、溫度的影響。

舉一電阻式氯化鋰[8]濕敏元件來說，含有氯化鋰的濕敏物質(zhì)吸收水分的量與空氣或其它氣體的相對濕度有關(guān)，濕度大吸水多，電阻下降，濕度小吸水少，電阻增加。氯化鋰濕敏元件就是依據(jù)濕敏層吸濕后電阻發(fā)生變化這一原理制作的。同時，濕敏層的電阻還與溫度有關(guān)，因此其電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，該函數(shù)的經(jīng)驗方程如下：

式中：

R—濕敏層的電阻；

U—空氣的相對濕度；

t—空氣的溫度；

k—常數(shù)；

α—常數(shù)；

β—常數(shù)。

由上述公式可以看出，利用濕敏元件的電阻隨環(huán)境濕度的變化而變化的特性來測量濕度時，還需要考慮濕敏元件的電阻也會隨環(huán)境溫度的變化而變化的特性。環(huán)境溫度發(fā)生變化，濕敏元件與環(huán)境必然會發(fā)生熱交換，這樣將導致濕敏層的溫度隨之發(fā)生變化，從而使其電阻也隨之發(fā)生變化。當然，溫度變化的影響遠遠不止這些，比如溫度的變化反過來又影響濕敏元件的吸濕性能等等。

電容式濕敏元件是利用其電容量隨環(huán)境濕度的變化而變化的特性來制作的，電容式濕敏元件與其它濕敏元件相似，其電容——濕度關(guān)系曲線通常都是非線性的，并且這種非線性隨溫度的不同而變化，這就需要進行線性化處理和進行溫度補償。

為了解決溫度影響的問題，制作濕敏元件時，通常都會配備測溫傳感器，用于測量被測氣體的溫度。電阻式濕敏元件的電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，顯然制作這種濕敏元件時，就不得不配備相應(yīng)的測溫傳感器，用于測量被測氣體的溫度。電容式濕敏元件的電容——濕度關(guān)系曲線隨溫度的不同而變化的特性，在制作這種濕敏元件時，配備溫度傳感器測量被測氣體的溫度，則主要就是為了解決溫度補償問題。

因此，在制作濕敏元件的電阻（或電容）—濕度關(guān)系曲線時，需要在恒溫條件下改變相對濕度和在恒濕條件下改變溫度，即需要給出不同溫度條件下的電阻（或電容）—濕度關(guān)系曲線。顯然，對于濕敏元件的濕度傳感器的校準來說，溫度也是需要校準的參數(shù)之一。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，利用濕敏元件制成的濕度傳感器性能越來越好。目前，某些濕度傳感器校準后，在濕度低于90 %RH時允差達到了±1 %RH，在濕度高于90 %RH時允差達到了±1.7 %RH。溫度的測量范圍則達到了-70～180 ℃，允差達到了AA級。顯然，如果這樣的濕度傳感器性能足夠穩(wěn)定，那么不僅可以用于環(huán)境試驗設(shè)備的濕度測量，還可以用于溫度測量。

3 濕度傳感器校準

3.1 濕度校準

1）校準依據(jù)的規(guī)范

目前，濕度傳感器一般按照國家校準規(guī)范JJF 1076-2001《濕度傳感器校準規(guī)范》[4]的要求校準。濕度校準一般在溫度20 ℃或25 ℃下進行，濕度校準范圍一般為10～90 %RH，校準點為每間隔10 %RH整數(shù)點。另外，可以按用戶要求選做濕度傳感器的溫度系數(shù)、穩(wěn)定性、濕滯、響應(yīng)時間。

溫度系數(shù)一般在溫度10 ℃和40 ℃條件下進行，濕度傳感器兩條響應(yīng)曲線最大差異與溫度間隔之比作為濕度傳感器的溫度系數(shù)。

2）校準分析

既然電阻式濕敏元件的電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，電容式濕敏元件的電容——濕度關(guān)系曲線隨溫度的不同而變化，那么按照JJF 1076-2001的方法，在常溫20 ℃或25 ℃下校準濕度，在溫度10 ℃和40 ℃下校準溫度系數(shù)，這樣的校準結(jié)果一般只能適用于常溫下或溫度范圍變化不大的濕度測量，且無法用于溫度測量。對于環(huán)境試驗中90 ℃、95 %RH或5 ℃、10 %RH這樣的溫濕度試驗組合來說，這樣的校準結(jié)果顯然是不夠的。

濕度傳感器測量的濕度一般是相對濕度，按照相對濕度的定義，是指濕空氣中水汽的摩爾分數(shù)，與相同溫度壓力下純水表面的飽和水汽壓的摩爾分數(shù)之比。顯然，相對濕度是與濕氣的溫度、壓力條件相對應(yīng)的。電阻式濕敏元件的電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，那么溫度測量是否準確，直接影響到濕度測量是否準確。電容式濕敏元件的電容——濕度關(guān)系曲線隨溫度的不同而變化，而且這種變化也不是線性的，在溫度10 ℃和40 ℃下校準溫度系數(shù)，只能代表10～40 ℃之間的平均變化情況，而不能代表90 ℃或5 ℃時的變化情況。顯然，電阻式或電容式濕敏元件，按照JJF 1076-2001在常溫20 ℃或25 ℃下校準濕度，在溫度10 ℃和40 ℃下校準溫度系數(shù)得到的校準結(jié)果，用于環(huán)境試驗中90 ℃、95 %RH或5 ℃、10 %RH的溫濕度測量顯然是不合適的。

3）一般建議

綜上所述，濕度傳感器如果完全按照JJF 1076-2001《濕度傳感器校準規(guī)范》的方法校準，則濕度傳感器用于環(huán)境試驗的高溫高濕或低溫低濕的測量顯然不合適，因為此時的測量誤差不能確定，測量不確定度也不能合理評定，這將直接導致產(chǎn)品試驗不可靠。因此，當濕度傳感器用于環(huán)境試驗設(shè)備的濕度測量時，應(yīng)當把濕度傳感器校準至將要測量的試驗溫濕度值。通常，濕度傳感器的濕度校準，需要與比濕度傳感器高一個級別的濕度標準器，一起放置在一個溫濕度穩(wěn)定和均勻的濕度發(fā)生器中進行比較測量，從而獲得校準。目前，能滿足相關(guān)技術(shù)要求的濕度發(fā)生器和濕度標準器，在5～95 %RH的濕度范圍內(nèi)，溫度還沒有能覆蓋到90 ℃，即溫濕度90 ℃、95 %RH目前還不能夠校準，不建議使用濕度傳感器測量測量這樣的溫濕度組合。

3.2 溫度校準

1）校準依據(jù)的規(guī)范

濕度傳感器配備的測溫元件通常是鉑電阻元件，溫度測量的技術(shù)指標一般為JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》[3]中的B級、A級或AA級。因此，一般情況下，濕度傳感器的溫度校準，可以參照JJG 229-2010的相關(guān)要求進行校準，即濕度傳感器和標準鉑電阻溫度計同時放置在溫度穩(wěn)定和均勻的空氣恒溫槽中進行比較測量，從而獲得校準。這里參照JJG 229-2010的相關(guān)要求進行校準，主要是指參照其所使用的標準儀器設(shè)備的相關(guān)技術(shù)要求和參照其測量方法。其中，JJG 229-2010對恒溫槽的技術(shù)要求為穩(wěn)定性在10 min內(nèi)的變化不大于0.04 ℃，水平溫差不大于0.01 ℃、垂直溫差不大于0.02 ℃，能夠滿足這一技術(shù)要求的恒溫槽主要是液體恒溫槽和部分的熱管槽和干井爐，熱管槽和干井爐測量孔徑的尺寸以及有效工作區(qū)域的尺寸較小，使用上受到諸多限制。

2）校準分析

通常，鉑電阻溫度計一般封裝成柱狀圓形結(jié)構(gòu)，可以直接與液體接觸，即可以直接放入液體恒溫槽中測量。與鉑電阻不同，濕度傳感器是由濕敏元件和測溫元件結(jié)合成一體的傳感器，由于濕敏元件不能與液體直接接觸，導致濕度傳感器進行溫度校準時，不能直接放入液體恒溫槽中測量。另外，多數(shù)濕度傳感器的外形結(jié)構(gòu)也不是規(guī)則的柱狀圓形結(jié)構(gòu)，無法采用玻璃試管套住濕度傳感器后再放入液體恒溫槽中校準。需要注意的是，溫度傳感器置入玻璃試管再放入液體恒溫槽中校準，需要保證傳感器與玻璃試管的內(nèi)壁緊密接觸，即傳感器外徑略小于玻璃試管的內(nèi)徑，這樣才能保證良好的熱傳遞。目前濕度傳感器的結(jié)構(gòu)形狀和測溫元件的安裝方式，當整個濕度傳感器套入玻璃試管后，很難保證測溫元件能夠與玻璃試管緊密接觸。因此，目前大部分的濕度傳感器進行溫度校準時，并不適合套入玻璃試管后再放入液體恒溫槽中校準。

3）一般建議

綜上所述，濕度傳感器參照JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》的方法校準溫度，核心問題是濕度傳感器不能直接與液體接觸，使用液體恒溫槽、熱管槽、干井爐等恒溫源校準時，或多或少存在這樣或那樣的問題。目前，有些校準機構(gòu)所使用的空氣恒溫槽，技術(shù)性能十分接近液體恒溫槽，遠遠超過熱管槽和干井爐。所以，濕度傳感器溫度的校準，建議送至具有空氣恒溫槽的計量機構(gòu)校準，以獲得最佳的溫度校準不確定度。

4 結(jié)束語

就目前的溫度和濕度測量技術(shù)而言，對環(huán)境試驗設(shè)備的溫度和濕度進行測量，溫度測量儀器可以很容易滿足要求，但濕度測量儀器要滿足相應(yīng)要求可不容易。目前能夠滿足環(huán)境試驗設(shè)備相關(guān)標準要求的濕度測量儀器，最佳選擇是露點儀，但露點儀價格昂貴，且露點儀不管是采用取樣方式測量，還是投入方式測量，都會對環(huán)境試驗設(shè)備內(nèi)的溫濕度場產(chǎn)生干擾。因此，無論是從經(jīng)濟因素還是從技術(shù)因素來看，使用濕敏元件的濕度傳感器測量環(huán)境試驗設(shè)備的濕度，是一個不錯的選擇。不過，為獲得最佳的測量不確定度，濕度傳感器應(yīng)當校準到需要測量的溫濕度值，并且需要考察其重復性和穩(wěn)定性。