气象用湿敏电容传感器的稳定性测试与分析

苏 腾,王晓蕾,叶 松,陈晓颖,慕新仓,孙学金,马祥辉,郭 俊

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101）

气象用湿敏电容传感器的稳定性测试与分析

苏 腾,王晓蕾,叶 松,陈晓颖,慕新仓,孙学金,马祥辉,郭 俊

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101）

为研究湿敏电容传感器的稳定性特征，利用14支湿敏电容传感器静态测试数据，用误差年漂移量定量表征湿敏电容传感器的稳定性，并对误差年漂移量的变化规律及影响因素进行分析。结果表明，湿敏电容传感器的稳定性受温度、温度和湿度的交互作用以及厂家制造水平的影响，低温时稳定性较差；室温时稳定性随湿度升高而降低。经过一年的使用，78.6%的湿敏电容传感器无法满足技术指标要求。

气象；湿敏电容；稳定性；年漂移量；检定校准周期

0 引 言

空气湿度是气象观测的重要参数，对于气象分析与预报、气候研究以及农业、航空等领域具有重要意义。目前，高分子薄膜湿敏电容作为典型的湿度测量元件，在气象领域得到了广泛应用。

几十年的使用和试验表明，湿敏电容传感器具有较大的迟滞[1]，并且其迟滞误差随温度降低而增大，在全量程内出现中间大两端小的趋势[2]。除迟滞误差外，环境温度的改变对湿度测量准确度及测量值的离散程度有较大的影响[3]。

稳定性是指仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。气象仪器和传感器的稳定性是其静态特性的重要参数，对于业务使用和试验测试都具有重要影响[4]。长期使用的数据表明，湿敏电容传感器的稳定性较差，年漂移量控制在1%RH水平的传感器很少，一般都在2%RH左右，甚至更大[5]。

本文基于14支湿敏电容传感器相隔1年的两次静态测试资料，进行了湿敏电容传感器稳定性的定

量分析，并总结了误差年漂移量的变化规律，分析确定了影响误差年漂移量的主要因素，对正确认识湿敏电容传感器的稳定性具有重要意义，并且为科学地确定湿敏电容传感器的检定周期提供了重要依据。

1 测试简况

近两年，被试14套湿敏电容传感器随其地面气象自动观测设备在南京江宁进行了为期一年的使用试验。试验前后，各进行了一次静态测试。文中采用的资料就是两次测试中湿敏电容传感器的静态测试数据。

1.1 被试仪器

被试14套湿敏电容湿度传感器分别来自国内3个厂家和芬兰Vaisala公司，表1给出了被试传感器编号及型号。

表1 被试件编号及传感器型号

1.2 标准器及测试设备

为减小附加误差，保证测试数据的可比性，两次测试均采用相同的标准器和测试设备。标准器为美国GE公司的精密冷镜式露点仪，露点测量范围为-60℃～40℃，测量误差为±0.01℃；测试设备为国产SYSD型一等标准双压法湿度发生器，其产生相对湿度的范围为10%～95%RH，最大允许误差为±1%RH。

1.3 测试方法

测试中选取-30℃，-10℃和20℃ 3个温度点。-30℃时，选取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95% 7个湿度测试点。由于被试件技术指标不同，-10℃和20℃时，1#、2#、7#、8#被试件选取20%为低湿测试点，其余被试件选取15%测试点，其他测试点与-30℃时相同。每个温度点进行两个循环测试，每个湿度测试点有两对不同湿度变化趋势的数据。

2 稳定性分析方法

本文利用误差年漂移量定量表征湿敏电容传感器的稳定性。文中定义误差的年漂移量为使用后各湿度测试点误差与使用前各湿度测试点误差的差值，其中湿度测试点误差为该测试点4次单次测量误差的平均值。

为研究误差年漂移量的变化规律，文中分析了不同温度条件下，误差年漂移量的分布情况。讨论了室温（20℃）条件下误差年漂移量随湿度变化的规律以及同型号的两被试件之间的一致性。

为确定各种因素对误差年漂移量的影响，文中采用方差分析法，分析了温度、湿度以及观测设备型号对误差年漂移量的影响，并给出了显著度。

为检验现行湿敏电容传感器的检定周期是否合理，文中以中国气象局对湿敏电容传感器的要求为标准，对使用后静态测试中14支湿敏电容传感器的合格率进行了统计。

3 稳定性分析结果

3.1 误差年漂移量随温度变化情况

测试时选取了-30℃，-10℃和20℃ 3个温度点，图1为各被试件在不同温度点误差年漂移量的箱形图，每个箱形的数据为7个湿度测试点的误差年漂移量。箱形图中，线段的最高点为最大值，最低点为最小值，箱形的上框线为上4分位值，下框线为下4分位值，箱内线为中位线，箱外“+”点为异常值。从图中可以看出，对大多数被试件来说，低温时中位线较

低，并且随着温度的降低，箱形和线段的长度增加，由此可知误差年漂移量在低温时较低，并且其分布随温度降低而变得分散。

图1 各被试件在不同温度点的误差年漂移量

为定量表征误差年漂移量随温度的变化规律，文中计算了误差年漂移量的平均值和标准偏差。根据JJF 1001-2011《通用计量术语及定义技术规范》的规定，当测量次数小于9次时，采用极差法计算标准偏差，如式（1）：

式中：R——极差，文中是误差年漂移量的最大值与最小值之差；

C——极差系数，由测量次数确定，文中测量次数为7次，查表得C=2.70。

表2给出了各被试件在不同温度点时误差年漂移量的平均值和标准偏差。总体来看，各被试件在-30℃时误差年漂移量的区间为[-5.62，0.82]，-10℃时为[-3.73，0.95]，20℃时为[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。

表2 各被试件在不同温度点时误差年漂移量的平均值和标准偏差

图2 20℃时8种观测设备湿度测量误差的年漂移量

3.2 20℃时误差年漂移量的变化规律

南京市年平均气温为15.4℃，因此分析20℃时误差的漂移情况具有更重要的意义。为了便于分析不同型号的被试件的误差漂移情况，按照观测设备型号将14套被试件分为8组，图2给出了20℃时8种型号的观测设备湿度测量误差的年漂移量。

从误差年漂移量曲线的变化趋势来看，在全量程不同测量段，误差年漂移量有很大的差异。除I、IV型观测设备图2中（a）和（d）外，其余被试件误差的年漂移量随湿度的升高向y轴负向移动。在低湿点（≤40%RH），各被试件误差年漂移量的平均值为-0.04%RH，在高湿点（＞80%RH），误差年漂移量的平均值为-1.04%RH。

从图2（a）～（f）中两条曲线的关系来看，II、III、V、VI型观测设备（图2中（b）、（c）、（e）、（f））的两套被试件之间的误差年漂移量具有较好的一致性，两被试件间误差年漂移量的差值平均为0.5%RH。IV型观测设备的两套被试件除50%RH测试点存在1.81%RH的差异外，其余测试点误差年漂移量具有较好的一致性。I型观测设备的两套被试件一致性较差，两被试件间误差年漂移量曲线近似平行，其差值平均为3.2%RH。

3.3 误差年漂移量影响因素的方差分析

事件的发生往往与多个因素有关，但各个因素对事件发生的影响可能是不同的。所谓方差分析就是利用试验观测值总偏差的可分解性，将不同因素所引起的偏差与试验误差分解开，以确定不同因素的影响程度[6]。文中对测试点温度、测试点湿度、观测设备型号进行3因素方差检验，得出3个因素及其交互作用

对误差年漂移量的影响。为确定结果是否是“统计上显著的”，需要确定α值[7]，文中规定当α值小于0.01时，结果是显著的。表3为多因子方差分析表，可以看出，温度、观测设备型号以及温度和湿度交互作用的α值均小于0.01，表明温度、温度和湿度的交互作用以及厂家的设计制造水平对误差年漂移量有显著影响。

表3 多因子方差分析表1)

3.4 湿敏电容传感器检定周期合理性分析

为保证气象资料的准确性和连续性，要求气象仪器具有较好的稳定性。因此气象仪器必须进行周期检定以保障其准确性和气象资料的可靠性，其中被试仪器的检定周期则取决于它的稳定性。

中国气象局对湿度测量最大允许误差为±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。参加试验的14套被试件经过一年的动态比对试验，使用后的静态测试中有3套被试件仍符合技术指标要求，11套被试件不符合要求，不合格率为78.6%。

仪器特性漂移产生的误差可以通过检定给出修正值予以解决，试行的GJB 1758.26A《军用气象仪器检定规程 第26部分：地面气象自动观测仪》中规定湿敏电容传感器的检定周期为1年。根据本文研究结果可以看出，经过一年的使用，超过3/4的传感器不能满足技术要求。

为保证湿敏电容传感器的测量准确度，德国科学工作者建议几周校准一次[8]，我国也建议应每半年采用两种饱和盐溶液对湿敏电容传感器进行两点调校。

4 结束语

本文在观测设备使用前和使用后对其湿敏电容传感器进行了两次静态测试并针对稳定性对测试数据进行了分析。以误差年漂移量定量表征湿敏电容传感器的稳定性，分析了误差年漂移量的变化规律，得出的结论如下：

（1）误差年漂移量在-30℃，-10℃和20℃时的置信区间分别为[-5.62，0.82]、[-3.73，0.95]和[-1.85，1.07]，说明湿敏电容传感器在低温时的稳定性较差，并且其灵敏度随温度降低而减小。

（2）室温下，低湿点（≤40%RH）误差年漂移量的置信区间为[-2.38，2.30]，高湿点（＞80%RH）为[-4.50，2.42]。说明室温时，在高湿环境中，湿敏电容传感器的稳定性较差。使用前各被试件在高湿点的测量误差平均为-2.07%RH，使用后为-4.00%RH，说明经过一年的使用湿敏电容传感器的高湿性能变差。

（3）文中进行了3因素方差检验，结果表明，温度、温度和湿度的交互作用以及厂家的设计制造水平对湿敏电容传感器的稳定性有显著影响。

（4）有78.6%的湿敏电容传感器经过1年的使用后不符合地面气象观测的准确度要求，因此建议规定半年检定一次，但这会增加人力、物力、财力等各项开支，其可行性需要进一步研究。

[1]杨健，张玉存，宋志刚.湿度测量体制历史和现状分析及建议[J].气象水文海洋仪器，2009（2）：17-23.

[2]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）：11-15.

[3]付锡桂，朱乐坤.HMP45D湿度传感器温度特性测试与分析[J].气象科技，2009，37（5）：584-586.

[4]李伟，贺晓雷，齐久成.气象仪器及测试技术[M].北京：气象出版社，2010.

[5]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）：15-16.

[6]沈斌，高磊.基于方差分析的电子产品质量控制图的研究[J].机电一体化，2011（9）：30-34.

[7]苏金明，阮沈勇，王永利.Matlab工程数学[M].北京：电子工业出版社，2005.

[8]罗宗炎，许峰，杨晓凌，等.湿敏电容传感器在气象领域中应用的分析研究[J].气象水文海洋仪器，2002（2）：12-17.

Stability test and analysis for capacitive humidity sensor in meteorologic domain

SU Teng，WANG Xiao-lei，YE Song，CHEN Xiao-ying，MU Xin-cang，SUN Xue-jin，MA Xiang-hui，GUO Jun
（Institute of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

In order to study the stability characteristic of capacitive humidity sensor，two static tests of 14 capacitive humidity sensors were conducted.Based on the test data，the stability characteristic of capacitive humidity sensor was acquired，in which the stability was expressed by the drift of error in a year.The changing principle and influencing factors of the drift of error in a year was analyzed. The results showed that its stability was influenced by temperature，technological level and the combined effect of temperature and humidity.Its stability was worse in low temperature，and it decreased as the humidity increased at room temperature.After a year of service，78.6 percent of capacitive humidity sensors are unable to meet the technical requirements.

meteorologic domain； capacitive humidity sensor； stability； driftin a year；verification and calibration circle

P412.13；TP212.2；TM930.115；TH765

：A

：1674-5124（2014)03-0085-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.023

2013-06-17；

：2013-08-07

苏 腾（1989-），男，山东滨州市人，硕士研究生，专业方向为测试计量技术与仪器。