HMP155A型温湿度传感器检定方法分析

张征鸿

（江阴市计量测试检定所 江苏 江阴 214400）

0 引言

温度反映大气冷热程度，湿度反映大气内水汽含量与湿润程度。在气象探测中对湿度、温度数据的检测极为重要，检测数据的精准性、可靠性将对天气预报、气象服务以及气象预估相关工作的开展产生影响。芬兰VAISALA公司HMP155A型温湿度传感器是各个气象服务站常见的计量器具，其具有测量精度高、使用方便可靠、适用性强等特点，因此，对其开展检定和校准工作具有一定的现实意义。

1 HMP155A型温湿度传感器结构和工作原理

1.1 HMP155A型温湿度传感器结构

芬兰VAISALA公司生产的HMP155A型温湿度传感器主要由铂电阻温度传感器、湿敏电容传感器和相应转换电路等几部分组成。铂电阻温度传感器主要对温度进行测量，湿敏电容传感器主要对湿度进行测量，转换电路将温度传感器和湿度传感器采集到的信息转换成易于识别的电信号，并将这两部分结构统一安装于传感器中。

1.2 HMP155A型温湿度传感器的工作原理

铂电阻温度传感器的工作原理：因为铂金属性能较为稳定，容易提纯，复现性良好。温度出现变化，铂金属电阻随之变化，电阻和温度呈函数关系。因此，借助铂金属此特性，把其制作为温度传感器。进行温度测量时一般选择把恒流源借助运放电路把电阻值转变成电压值加以测量。铂金属传感器所测实时温度可通过相关函数关系换算得到。通常通过四线制方式进行测量，能够有效提升测温系统控制精度。

其次，介绍湿敏电容传感器的工作原理，该结构包括湿敏电容与相关转换电路组成。因为湿敏电容具有易集成化、测量湿度滞后量较小、快速响应、高灵敏度等优势，在湿元器件中得到广泛应用[1]。其多由醋酸纤维、聚苯乙烯等分子材料制成，监测环境温度出现变化，空气中的水分将被湿敏材料所吸收，此时湿敏电容介电常数随之变化，电容量变化，变化量和湿敏材料所吸附水分呈现为正比关系。传感器转换电路作用为将湿敏电容的变化量转变为电压或者电流的变化值，把传感器所传输0 V至1 V电压转换为0%至100%RH相对湿度[2]。

2 测量仪器和设备

2.1 气温测试设备与仪器

温度检定设备是深圳市亿杰仪表有限公司生产的WLR-2D型恒温槽，其工作温度范围、温度波动度、温度均匀度均满足《JJF 1030-2010恒温槽技术性能测试规范》的要求，标准器选择SWJ双探头铂金属传感器，技术指标数据如下：首先恒温槽的控制温度范围为-60～96 ℃；均匀性低于或等于0.01 ℃；波动度为0.01 ℃。其次，标准器测量温度范围为-60～80 ℃；分辨率为0.01 ℃；误差允许最大值为±0.02 ℃；扩张不确定度为0.02 ℃。最后，被测试传感器测量温度范围为-50～50 ℃；误差最大允许值0.2 ℃；分辨率为0.1 ℃。

2.2 湿度测试设备与仪器

温度检定相关设备是省级计量自动化检定系统湿度检定设备，C340。湿度标准选用JBB1型干湿表。技术标准如下：首先，湿度箱适用温度范围为-30～50 ℃；湿度的波动度为-0.4%～0.4% RH；控制范围为10%～95% RH；均匀度为1.0%RH。其次，标准器控制范围为10%～100% RH；误差允许最大值为0.9%≤% RH；分辨率为0.01% RH。最后，被测试传感器测量范围为0%～100% RH，误差最大允许值为4% RH（≤80% RH）、8%RH（＞80% RH）；分辨率为0.1% RH。

3 测试方式

3.1 气温测试

因为空气导热介质波动性、均匀性较差，所以借助液态介质检定温度，按照HMP155A型温湿度传感器结构特性，如果选择液态介质，将造成湿敏电容和相关电路受到损伤，所以检定前需要安装套管[3]。按照检定要求，并结合当地天气特征，设定-10 ℃、0 ℃、20 ℃、50 ℃ 4个检定点。因为0 ℃属于起始检定点，根据设备降温、升温特性，降温速度较慢，因此对检定顺序进行调整，首先进行0 ℃点检定。检定中，0 ℃、-10 ℃导热介质选用酒精，20 ℃、50 ℃导热介质为水。设备稳定至检定点，记录数据，间隔30 s记录一组标准温度示值与HMP155A型温湿度传感器温度值，记录4组，把被检平均值减标准温度平均值作相应检定点示值误差。

3.2 湿度测试

把湿度实验设备的温度设定为22 ℃，温度稳定之后，把湿度设定为30%RH下，湿度降低至30%RH下，分次检定30%RH、40%RH、50%RH、75%RH与90%RH。湿度至检定点后，保证湿度波动度小于1.5%RH，每隔30 s读取标准器、HMP155A型温湿度传感器湿度值，读取3次；检定95%RH后，对检定设备进行调整继续升高湿度，当温度超过95%RH并趋于稳定后，按照95%RH、75%RH、55%RH、40%RH、30%RH的顺序进行检定，每隔30 s读取标准器、HMP155A型温湿度传感器湿度值，读取3次。该过程中，湿度检定示值点误差是HMP155A型温湿度传感器示值平均值减标准器示值平均值[4]。因为湿敏电容降湿和升湿时示值存在正负误差，所以，不可使用各个检定点降湿和升湿平均值加以计算，需要分别对传感器降湿、升湿示值误差进行计算。因为降湿、升湿中相应误差值为测湿时系统误差，存在单向性、重复性。对同一检定点，降湿、升湿误差可能相反。所以，不可将降湿误差值和升湿误差值平均值作为此检定点误差值[5]。

4 检定校准实例

某实验室选择一支芬兰VAISALA公司近期生产的HMP155A型温湿度传感器作为被测对象，对其开展必要的检定校准。检定校准的数据如下，其中表1为温度检定相关数据，表2为湿度检定相关数据。

表1 温度检定相关数据 单位：℃

表2 湿度检定相关数据

我们对表1、表2数据进行分析，从表1和表2的数据看，HMP155A型温湿度传感器温度和湿度的误差值均在允许范围内，进而证明本文描述的检定方法是有效的，可以出具证书，进行温湿度传感器的检定工作[6]。

5 温湿度传感器超差原因和处理

温湿度传感器使用时经常出现超差情况，出现的有些误差能够消除，有些则无法消除，导致超差情况的因素较多，针对不同原因所选用的误差控制方式有所不同。

5.1 温湿度传感器超差原因

5.1.1 自身因素超差

HMP155A型温湿度传感器为电子产品，计量特性将随着时间的变化而变化，长期使用将出现基点漂移情况。另外，传感器为吸附元件，设置在室外应用将吸附大量的化学物质和其他杂质，导致基点漂移。所以，通常每隔半年至一年需要对传感器进行校准，对传感器中校准电阻进行调整，确保测量准确度。

5.1.2 环境因素超差

HMP155A型温湿度传感器需通过聚合物膜吸附渗透过网孔状上部金属电极的水分子，或经网状上部金属电极析出水分子达到与外部相对湿度平衡后，才能够对外部湿度加以准确测定，表明湿度测定存在滞后性，通常不会对湿度测量产生影响。但长期应用在高湿环境内，环境湿度出现下降情况，传感器湿度长期不存在降低情况，将导致传感器出现超差情况。对于此类超差情况的处理可将过滤器打开，借助电吹风将传感器的感应部件烘干降湿，或者把传感器和干燥剂放置在同一密闭容器内进行干燥处理，恢复感应部件的正常使用。

5.1.3 污染物因素超差

HMP155A型温湿度传感器被过滤器保护，过滤器具有良好通风性。当传感器长期应用于室外，保护罩的表面将被污染物质、灰尘所覆盖，对空气流通的畅通性产生影响，导致感应部分和外界空气无法有效接触，进而出现测量超差。所以，需定期使用去污剂擦拭探头、过滤器，保证测量结果。

5.1.4 低温滞后误差因素超差

在15～25 ℃的常温环境中，湿敏电容动态响应比较迅速，时间常数20 s，滞后误差比较小。但低温环境中，大气水气密度较小，湿度传感器的感应部分难以和空气湿度保持平衡，导致滞后误差增加。相关研究表明，环境温度为0 ℃，将影响测量结果准确度，并对测量值离散程度产生影响。所以，在低温环境中湿度测量准确率降低，当前仍未找到相应措施进行处理。

5.2 温湿度传感器调整

HMP155A型温湿度传感器校验结束，根据相关规程：湿度≤80%，误差＞4%；湿度＞80%，误差＞8%，则为超差。对于存在超差情况的传感器需要按照检定点方向、大小对超差原因进行全面分析，并选择相应方式进行调整。

首先，在对HMP155A型温湿度传感器进行调整前应准备计算机，并安装分析软件；湿度发生器，模拟接口、万用表、模拟开关。在进行调整前，将传感器的感应部位靠近发生器，转接合相和连接线和模拟接口连接，应用万用表读取数值，同时分析软件显示数值。应用两点法对HMP155A型温湿度传感器进行调整。校验与调整是应用探头按钮进行，该调整方式指借助两个湿度参照值进行，湿度点差值需要≥30%，例如高湿为75%RH，低湿为11%RH，操作步骤为：（1）将保护盖、校准封条拆下，露出探头调整按钮，并启动分析软件。（2）启动保护插头，能够看到“+、-、□”按钮和双色指示灯。（3）长按ADJ按钮，直至指示灯显示为绿色，此时传感器处于湿度校准模式。（4）将过滤器拆下，同时把探头插进发生器测量孔，当发生器处于11%RH并趋于稳定，使用“+、-”按钮进行调整，保证分析软件显示值与发生器的误差保持在10%～20%，之后长按ADJ按钮，直至指示灯灯光熄灭。（5）发生器设定为75%RH，趋于稳定之后，长按ADJ，直至指示灯亮起绿灯，等待半小时，使用“+、-”按钮进行增益调整，保证Aout电压处于正确值，调整仪器湿度处于74%～76%，长按ADJ，至灯光熄灭。根据规程要求进行调整后，需要检定被调仪器，对调整效果进行检验。若调整结束后依然存在超差情况，则需要进行反复调整至满足检定规程相关要求。

5.3 调整实例

对M382330进行调整，对传感器的湿度测定数据进行测量，发现测量值超出标准值4%，存在超差情况，需对传感器进行调整。对低湿点进行调整，将发生器湿度调整为11%，趋于稳定使用传感器进行测量，测量值为15%，将传感器切换至调整模式，按“-”，将传感器的测量值和11%接近，该次调整湿度至11.1%，退出调整模式。对高湿点进行调整，将发生器湿度设定为75%，趋于稳定后，传感器测定值为79.4%，将传感器切换至调整模式，按“-”，将传感器的测量值接近75%。在调整时，传感器的测量值和调整点存在较大差值，可长按“+”按钮，缩减调整时间。

6 结语

综上所述，气象事业的发展对国家经济建设、社会发展发挥着重要作用，传感器数值精准性对气象应用产生极大的影响[7]。当前阶段因为缺少传感器检定规程。因此，本文对HMP155A型温湿度传感器检定技术加以简要分析，按照传感器结构特征和工作原理，对其温度、湿度检定规程分析，确定合理的检定方法和步骤，进而提高了温湿度传感器的检定水平，促进了计量事业的高效发展。