| 标题 | 高温高湿环境对气象用湿度传感器稳定性的影响 |
| 范文 | 袁帅 李建宇 摘 要：在我国气象领域，湿敏电容传感器被广泛用于测量空气湿度。我国南方地区夏季常年处于高温高湿环境，为研究环境温度对湿度测量准确度的影响，选取8支长期处于高温高湿环境的湿度传感器，在实验室环境35℃和20℃时进行测量，并对误差及半年漂移量的变化规律进行分析。结果表明，长期处于高温高湿环境的湿度传感器，低湿点误差出现负漂移，测得值比实际值偏小，并且使用年限越长负偏差越大。 关键词：湿度传感器；高温高湿；稳定性；温度影响；半年漂移量 1 绪论 空气湿度是气象观测的重要参数，对于气象预报、气候研究以及农业、航空等领域具有重要意义。高分子薄膜湿敏电容作为典型的湿度测量元件，介电常数不仅随着空气湿度而变化，当环境温度改变时，也会引起介电常数变化，给湿度测量带来附加误差。 稳定性是指仪器保持其计量特性随时间恒定的能力，是静态特性的重要参数。我国南方地区的夏季，湿度传感器长期处于高温高湿的环境中，随着使用年限增加，湿度传感器的稳定性变差，漂移量很难控制在允许误差范围内。 2 测试简况 选取8支湿度传感器，放置到现场站点或模拟环境中至少使用半年，然后在实验室进行测试，分析高温高湿环境对湿度传感器的影响，找出测量误差及半年漂移量的变化规律，帮助对湿度测量结果进行修正，提高测量准确度。 《JJG（气象）0032011自动气象站湿度传感器检定规程》规定湿度测量的最大允许误差为±4%RH（≤80%RH）和±8%RH（>80%RH）。 2.1 标准器及测试设备 2.2.1DewStars精密露点仪 露点、霜点测量范围：（40～50）℃ 最大允许误差：±0.2℃ DP 2.1.2伟思富奇调温调湿箱 温度工作范围：（70～180）℃； 相对湿度工作范围：10%～98%。 2.2 被测仪器 被测的8支传感器分别来自无锡厂（江苏省无线电科学研究所有限公司）和芬兰Vaisala公司，下表给出了各传感器的型号、编号和使用年限。 2.3 测试方法 从2017年3月开始试验，B254、C160安装到台站用于日常观测，6103、D035、C3850012、D2750052在实验室用调温调湿箱模拟高温高湿环境进行使用。2017年9月从台站取回B254、C160，另取在台站使用年限超过半年的SD1304.1125、11123000到实验室一起测试。 测试中选取35℃作为高温点和20℃作为常温点，依据检定规程对湿度点30%、40%、55%、75%和95%进行测试，每个测试点有两对不同湿度变化趋势的数据，湿度测试点误差为该测试点4次单次测量误差的平均值。 3 测试数据的分析 首先，将每支湿度传感器在不同温度条件下，不同湿度测试点上的测量误差绘制成曲线图，然后利用误差半年漂移量定量表征濕度传感器的稳定性，绘制漂移量随湿度测试点变化的曲线图，从两方面一起分析高温高湿对传感器的影响。半年漂移量为使用半年前后各湿度测试点误差的差值。 3.1 35℃时测量误差变化规律 在高温点测试中，图1给出了35℃时测量误差变化曲线。使用年限较长的2个HMP45D湿度传感器在高湿点超差，C3850012在75%RH为5.5、95%RH为8.3，D2750052在75%为4.1；从台站取回的DHC2湿度传感器SD1304.1125在55%RH点超差，误差为+4.5。其它湿度传感器都没有超差，但误差在55%RH达到极值。 所有湿度传感器在35℃时超差不严重，只有一支在95%RH超差。 3.2 20℃时测量误差变化规律 在常温点测试中，图2给出了20℃时测量误差变化曲线。B254、C160在30%RH超差，C3850012、D2750052、11123000在30%RH、40%RH和55%RH超差。大多数湿度传感器在低湿点30%RH和40%RH出现负超差，使用年限越长的超差越严重。所有传感器在高湿点95%RH不超差，但呈现正偏差趋势。 3.3 误差漂移量的变化规律 2017年从台站取回B254、C160和SD1304.1125、11123000后，和其他湿度传感器在常温实验环境中一起测试，观察误差漂移量变化趋势。SD1304.1125、11123000 无上一年的测试数据，只比较6支。从图3中曲线来看，30%RH、40%RH、55%RH时只有C3850012正漂移，其余都是负漂移；75%RH时只有D2750052正漂移，其余都是负漂移；95%RH时正负漂移各半。 从变化趋势来看，B254、C160、6103、D035在低湿点30%RH、40%RH、55%RH时负漂移偏多，而在高湿点时偏少；D2750052在低湿点30%RH、40%RH 时负漂移相对偏多，在高湿点95%RH时正漂移偏多；C3850012的变化曲线呈现与其他传感器相反的趋势，考虑到是使用年限较长性能变差后出现了异常值。 根据对半年漂移量的观测，长期处于高温高湿环境的湿度传感器，在常温时低湿点出现负漂移，测得值比实际值偏小。 3.4 湿度传感器检定周期的合理性分析 气象观测数据的准确性依赖于气象仪器的稳定性，因此合理进行计量检定有指导性意义。依据气象行业检定规程，参加测试的8套湿度传感器仅3套符合技术指标要求，5套不符合要求，不合格率高达62.5%。 仪器漂移产生的超差可以按照检定规程中给出的方法调整后重新检定予以解决，检定规程规定湿度传感器检定周期为1年，根据本文中测试和研究表明，在高温高湿环境中被测设备经过半年使用，超过60%的湿度传感器因漂移而超差，已经不能满足技术要求，必须调整后再次检定。 为了保证湿度传感器测量数据的准确可靠，依据规程要求，观测中发现湿度值出现异常时必须提前送检，这与本文的研究结果是一致的。因此，合理利用地市级移动计量检定设备，至少半年就进行校准是非常必要的。 4 结语 本文观察高温高湿环境的湿度传感器误差和半年漂移量变化规律，定量分析传感器稳定性，得出以下结论：长期处于高温高湿工作环境的湿度传感器，稳定性变差，低湿点出现负漂移，测得值比实际值偏小，并且使用年限越长负偏差越大。 参考文献： [1]付锡桂，朱乐坤.HMP45D湿度传感器温度特性测试与分析.气象科技，2009，37（5）：584586. [2]苏腾，王晓蕾，叶松，等.气象用湿敏电容传感器的稳定性测试与分析.中国测试，2014，40（3）：8588. [3]杜智涛，魏洪峰，姜明波，等.3种型号湿敏电容传感器温度和迟滞特性的分析比较[J].气象水文海洋仪器，2012（2）：1115. [4]居青春，谢宝海.自动气象站湿度传感器性能特点分析[J].青海气象，2005（s1）：1516. [5]中国气象局.II型自动气象站行业标准[S].北京：气象出版社，2000. |
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