氣象用濕度傳感器誤差調整方法的研究與應用

馬修才，鄭樹芳，蔣娟萍，溫曉輝，牛永紅

（1.內蒙古自治區(qū)大氣探測技術保障中心，內蒙古呼和浩特 010051；2.成都信息工程大學，四川成都 610225；3.內蒙古自治區(qū)氣象信息中心，內蒙古呼和浩特 010051）

空氣濕度的測量方法有多種，包括干濕球法、露點法、電解法、電阻電容法等[1]。采用濕敏電容測量空氣濕度，具有適應寬溫度、濕度，精度高、穩(wěn)定性好、響應快等優(yōu)點[2-3]。目前，我國氣象、民航、環(huán)境監(jiān)測等諸多領域，廣泛采用芬蘭維薩拉公司的HMP155 傳感器進行空氣濕度測量[4-5]。該傳感器可同時測量空氣濕度和溫度，測濕元件為聚合物薄膜電容傳感器HUMICAP180，傳感器內部采用通用MCU 處理采集到的濕度，并集成了非易失存儲器用于存儲重要參數(shù)。HMP155 系列傳感器主要有三種類別，其中，HMP155D 為無源模擬輸出型（下文簡稱HMP155 傳感器），文中主要針對該型號的傳感器展開研究，HMP155A 和HMP155E 型的傳感器也可參考文中的研究結果。

由近些年的實驗室校準結果發(fā)現(xiàn)，HMP155 傳感器濕度模擬量輸出值具有一定的超差率。對于超差或者誤差較大的濕度傳感器，可根據(jù)傳感器技術手冊上提供的方法進行誤差調整。目前，國內對HMP155 傳感器的濕度誤差調整相關的實踐或研究相對較少，有相關學者用調整傳感器探頭電路板按鍵的方法進行了誤差調整[6-9]，該方法可行但是可操作性較差，步驟較為繁瑣，通用性不佳。文中所研究的利用串行通信方式調整HMP155 傳感器濕度誤差的方法，相對于按鍵調整的方法，步驟簡單，理論上可以更精確地調整誤差。

1 調整原理

1.1 傳感器引腳定義

HMP155 傳感器外部接口為8 針的M12 接頭，其各針腳功能定義如表1 所示，出廠時的外部配線顏色同樣在表1 中列出。

表1 HMP155傳感器引腳功能及出廠配線

HMP155 傳感器第2 和第6 引腳為雙功能復用，傳感器上電不進行附加操作，2、6 引腳默認為濕度模擬信號輸出端。若上電時同時按住傳感器ADJ 按鍵約3 s，如圖1 中④所示，則2、6 引腳會進入RS485 信號模式，此后便可通過串行通信接口與傳感器進行信息交互。

圖1 HMP155傳感器調整按鈕

1.2 傳感器與電腦連接

按照圖2 示意圖連接傳感器和電腦。具體操作為，首先將傳感器2、6 引腳連接485 轉232 模塊，再將轉換模塊的232 信號端與電腦串口連接。打開電腦端的串口助手，設置好相應的串口號和通信參數(shù)（HMP155 默認通信參數(shù)為4800,E,7,1），傳感器接通電源的同時按下傳感器ADJ 按鍵，直至串口助手顯示傳感器軟件版本號即說明傳感器已進入485 信號模式，例如出現(xiàn)“HMP155 1.26”，其中“1.26”表示內置軟件版本號。

圖2 傳感器與電腦進行串行通信連接示意

1.3 HMP155傳感器與誤差調整相關的命令

傳感器用戶手冊給出了利用串行接口調整誤差的相關通信命令?＜ ＞，用于查看傳感器自檢信息（＜ ＞表示W(wǎng)indows 下的回車符，不可見），L＜ ＞用于查看用戶校準參數(shù)，LI＜ ＞用于更新用戶校準參數(shù)，CDATE＜ ＞用于設置校準日期，RESET＜ ＞用于重啟傳感器。

2 調整步驟

2.1 重置傳感器調整參數(shù)

按第一節(jié)中的方法連接傳感器和電腦，進入串行通信模式后，在串口助手輸入L＜ ＞，其中，＜ ＞表示回車符，為不可見字符。觀察傳感器的返回信息，若返回信息中Cp offset 和Cp gain 參數(shù)分別為0 和1，說明傳感器此前未進行過調整。若Cp offset 不為0或者Cp gain 不為1，則需將其重置后重新校準傳感器，保存校準數(shù)據(jù)備用。

重置方法為發(fā)送命令LI＜ ＞，根據(jù)傳感器的返回信息，提示輸入Cp offset 參數(shù)時輸入0.0，提示輸入Cp gain 參數(shù)時輸入1.0，后續(xù)參數(shù)無需修改直接發(fā)送回車，直至P gain 參數(shù)完成。

2.2 計算新的調整參數(shù)

向傳感器發(fā)送L＜ ＞所返回的信息中，Cp offset表示偏移，Cp gain 表示增益，調整這兩個參數(shù)就可對濕度模擬量進行線性調整。將傳感器校準數(shù)據(jù)（至少兩個校準點）以標準器參考濕度值為縱坐標，傳感器濕度值為橫坐標，進行線性回歸分析，得到斜率a、截距b，分別對應Cp gain 和Cp offset。此處需要指出，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，使用按鍵調整傳感器誤差的方法（單點或者兩點），實際上就是調節(jié)傳感器的上述兩個參數(shù)（單點調整只會改變Cp offset 而Cp gain保持不變）。而文中通過傳感器多個測試點的讀數(shù)和濕度參考值線性擬合之后得到的截距和斜率參數(shù)，顯然比用按鍵進行兩個濕度點調整得到的參數(shù)更加準確。

2.3 更新傳感器參數(shù)

參考2.1中重置參數(shù)的方法，將Cp offset和Cp gain分別設置為2.2 中計算得到的新值。更新完參數(shù)后發(fā)送“RESET＜ ＞”命令重啟傳感器，使新參數(shù)生效。

3 誤差調整實例分析

運用第二節(jié)中的誤差調整方法，在實際測試過程中，選取了大量濕度傳感器進行了實驗驗證。標準器為精密露點儀，測試環(huán)境為濕度發(fā)生器[10-12]，濕度發(fā)生器溫度控制在20 ℃附近，測試點設置為30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH、75%RH、55%RH、40%RH、30%RH[13-14]。先將各傳感器的誤差調整參數(shù)重置，按上述條件和測試點進行第一次測試，每個測試點讀數(shù)三組。根據(jù)第一次測試的數(shù)據(jù)，每支傳感器分別以標準器參考濕度值為Y坐標，以傳感器讀數(shù)為X坐標，進行線性擬合[15-16]，計算出各自的斜率及截距，如表2 所示（選取八支傳感器為代表數(shù)據(jù)）。

表2 實驗樣本傳感器第一次測試后得到的線性擬合參數(shù)

按文中所研究的方法調整傳感器誤差后，以相同的測試條件和測試點進行第二次測試。將每支傳感器每個測試點的三次讀數(shù)做算術平均后，以測試點為X軸，傳感器濕度誤差為Y軸作圖，對比調整前后的傳感器誤差。結果表明，用文中所述的誤差調整方法調整后的各傳感器的濕度誤差均明顯減小。圖3-7 列出了其中五支傳感器誤差調整前后的對比結果。

圖3 傳感器H4350012調整前后誤差對比

圖4 傳感器L5120489調整前后誤差對比

圖5 傳感器J3120008調整前后誤差對比

圖6 傳感器K0630045調整前后誤差對比

圖7 傳感器H1340031調整前后誤差對比

通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，誤差調整前的樣本傳感器誤差分布基本呈現(xiàn)兩類，一類為誤差隨著濕度升高變大，一類為誤差隨著濕度升高變小。文中所研究的誤差調整方法對這兩類誤差特性的傳感器濕度值調整效果都非常明顯，經(jīng)調整后的濕度傳感器在30、40、55、75、95 五個濕度點的誤差以及相應的反行程誤差，大多數(shù)都控制在了±1%RH 之內，相較于傳感器調整之前的濕度誤差有了非常明顯的改善。對于在整個測量范圍內都具有大小近似而方向相同誤差的濕度傳感器，理論上也可以利用文中所研究的傳感器調整方法進行誤差調整，并獲得較為理想的效果（相當于僅調整截距參數(shù)）。由傳感器調整前后的數(shù)據(jù)記錄曲線對比也可以看出，經(jīng)過調整過后的各個傳感器濕度值在同一測試點的一致性更好。

4 誤差調整軟件的設計

為了使調整方法更具通用性，在文中方法研究的基礎上，設計了Windows 平臺上的HMP155 傳感器濕度誤差調整工具軟件[17-18]。連接好電腦和傳感器并將傳感器置于485 信號模式，輸入待調整儀器編號，點擊“導入校準數(shù)據(jù)”按鍵后，該軟件會導入對應編號傳感器的測試數(shù)據(jù)，并自動計算新的調整參數(shù)；根據(jù)軟件提示點擊“更新傳感器修正參數(shù)”按鍵，軟件自動更新濕度誤差調整參數(shù)到傳感器，并在右側提示信息框內進行相應的提示。相對于使用按鍵或串口助手收發(fā)命令調整傳感器誤差的方式，工具軟件更加簡便、智能，操作人員無需了解傳感器通信命令，通用性更強。圖8 為使用設計的工具軟件更新傳感器濕度誤差調整參數(shù)的示例。

圖8 HMP155傳感器濕度誤差調整工具的使用示例

5 結論

文中所研究的HMP155 傳感器濕度誤差調整方法，即通過串行通信的方式調整傳感器修正參數(shù)的方法，能有效地將傳感器整個測量范圍內的誤差控制在規(guī)程規(guī)定的誤差限內，經(jīng)調整后合格的傳感器可繼續(xù)用于業(yè)務中，有效地節(jié)約業(yè)務運行成本。

文中的創(chuàng)新點在于利用串行通信方式調整HMP155 傳感器濕度誤差的研究在國內尚屬新的嘗試，相較于利用傳感器按鍵調整的方式，運用串行通信的方式調整傳感器誤差更加簡便、高效，且不需要借助數(shù)字萬用表等傳感器模擬信號輸出測量設備；另外，按鍵調整僅能進行單點或兩點調整，而利用串行通信的方式可以對多個濕度點多次讀數(shù)得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到的誤差調整參數(shù)更加合理。

文中所研究和設計的誤差調整工具在后臺自動完成調整參數(shù)的計算和通信交互過程，方便操作人員在傳感器超差時快速、便捷地進行誤差調整，而不需要深入了解傳感器調整的原理、步驟及相關命令等，有助于提高濕度傳感器校準的自動化水平。