气象用湿度传感器误差调整方法的研究与应用

马修才，郑树芳，蒋娟萍，温晓辉，牛永红

（1.内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古呼和浩特 010051；2.成都信息工程大学，四川成都 610225；3.内蒙古自治区气象信息中心，内蒙古呼和浩特 010051）

空气湿度的测量方法有多种，包括干湿球法、露点法、电解法、电阻电容法等[1]。采用湿敏电容测量空气湿度，具有适应宽温度、湿度，精度高、稳定性好、响应快等优点[2-3]。目前，我国气象、民航、环境监测等诸多领域，广泛采用芬兰维萨拉公司的HMP155 传感器进行空气湿度测量[4-5]。该传感器可同时测量空气湿度和温度，测湿元件为聚合物薄膜电容传感器HUMICAP180，传感器内部采用通用MCU 处理采集到的湿度，并集成了非易失存储器用于存储重要参数。HMP155 系列传感器主要有三种类别，其中，HMP155D 为无源模拟输出型（下文简称HMP155 传感器），文中主要针对该型号的传感器展开研究，HMP155A 和HMP155E 型的传感器也可参考文中的研究结果。

由近些年的实验室校准结果发现，HMP155 传感器湿度模拟量输出值具有一定的超差率。对于超差或者误差较大的湿度传感器，可根据传感器技术手册上提供的方法进行误差调整。目前，国内对HMP155 传感器的湿度误差调整相关的实践或研究相对较少，有相关学者用调整传感器探头电路板按键的方法进行了误差调整[6-9]，该方法可行但是可操作性较差，步骤较为繁琐，通用性不佳。文中所研究的利用串行通信方式调整HMP155 传感器湿度误差的方法，相对于按键调整的方法，步骤简单，理论上可以更精确地调整误差。

1 调整原理

1.1 传感器引脚定义

HMP155 传感器外部接口为8 针的M12 接头，其各针脚功能定义如表1 所示，出厂时的外部配线颜色同样在表1 中列出。

表1 HMP155传感器引脚功能及出厂配线

HMP155 传感器第2 和第6 引脚为双功能复用，传感器上电不进行附加操作，2、6 引脚默认为湿度模拟信号输出端。若上电时同时按住传感器ADJ 按键约3 s，如图1 中④所示，则2、6 引脚会进入RS485 信号模式，此后便可通过串行通信接口与传感器进行信息交互。

图1 HMP155传感器调整按钮

1.2 传感器与电脑连接

按照图2 示意图连接传感器和电脑。具体操作为，首先将传感器2、6 引脚连接485 转232 模块，再将转换模块的232 信号端与电脑串口连接。打开电脑端的串口助手，设置好相应的串口号和通信参数（HMP155 默认通信参数为4800,E,7,1），传感器接通电源的同时按下传感器ADJ 按键，直至串口助手显示传感器软件版本号即说明传感器已进入485 信号模式，例如出现“HMP155 1.26”，其中“1.26”表示内置软件版本号。

图2 传感器与电脑进行串行通信连接示意

1.3 HMP155传感器与误差调整相关的命令

传感器用户手册给出了利用串行接口调整误差的相关通信命令?＜ ＞，用于查看传感器自检信息（＜ ＞表示Windows 下的回车符，不可见），L＜ ＞用于查看用户校准参数，LI＜ ＞用于更新用户校准参数，CDATE＜ ＞用于设置校准日期，RESET＜ ＞用于重启传感器。

2 调整步骤

2.1 重置传感器调整参数

按第一节中的方法连接传感器和电脑，进入串行通信模式后，在串口助手输入L＜ ＞，其中，＜ ＞表示回车符，为不可见字符。观察传感器的返回信息，若返回信息中Cp offset 和Cp gain 参数分别为0 和1，说明传感器此前未进行过调整。若Cp offset 不为0或者Cp gain 不为1，则需将其重置后重新校准传感器，保存校准数据备用。

重置方法为发送命令LI＜ ＞，根据传感器的返回信息，提示输入Cp offset 参数时输入0.0，提示输入Cp gain 参数时输入1.0，后续参数无需修改直接发送回车，直至P gain 参数完成。

2.2 计算新的调整参数

向传感器发送L＜ ＞所返回的信息中，Cp offset表示偏移，Cp gain 表示增益，调整这两个参数就可对湿度模拟量进行线性调整。将传感器校准数据（至少两个校准点）以标准器参考湿度值为纵坐标，传感器湿度值为横坐标，进行线性回归分析，得到斜率a、截距b，分别对应Cp gain 和Cp offset。此处需要指出，在实验过程中发现，使用按键调整传感器误差的方法（单点或者两点），实际上就是调节传感器的上述两个参数（单点调整只会改变Cp offset 而Cp gain保持不变）。而文中通过传感器多个测试点的读数和湿度参考值线性拟合之后得到的截距和斜率参数，显然比用按键进行两个湿度点调整得到的参数更加准确。

2.3 更新传感器参数

参考2.1中重置参数的方法，将Cp offset和Cp gain分别设置为2.2 中计算得到的新值。更新完参数后发送“RESET＜ ＞”命令重启传感器，使新参数生效。

3 误差调整实例分析

运用第二节中的误差调整方法，在实际测试过程中，选取了大量湿度传感器进行了实验验证。标准器为精密露点仪，测试环境为湿度发生器[10-12]，湿度发生器温度控制在20 ℃附近，测试点设置为30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH、75%RH、55%RH、40%RH、30%RH[13-14]。先将各传感器的误差调整参数重置，按上述条件和测试点进行第一次测试，每个测试点读数三组。根据第一次测试的数据，每支传感器分别以标准器参考湿度值为Y坐标，以传感器读数为X坐标，进行线性拟合[15-16]，计算出各自的斜率及截距，如表2 所示（选取八支传感器为代表数据）。

表2 实验样本传感器第一次测试后得到的线性拟合参数

按文中所研究的方法调整传感器误差后，以相同的测试条件和测试点进行第二次测试。将每支传感器每个测试点的三次读数做算术平均后，以测试点为X轴，传感器湿度误差为Y轴作图，对比调整前后的传感器误差。结果表明，用文中所述的误差调整方法调整后的各传感器的湿度误差均明显减小。图3-7 列出了其中五支传感器误差调整前后的对比结果。

图3 传感器H4350012调整前后误差对比

图4 传感器L5120489调整前后误差对比

图5 传感器J3120008调整前后误差对比

图6 传感器K0630045调整前后误差对比

图7 传感器H1340031调整前后误差对比

通过大量实验发现，误差调整前的样本传感器误差分布基本呈现两类，一类为误差随着湿度升高变大，一类为误差随着湿度升高变小。文中所研究的误差调整方法对这两类误差特性的传感器湿度值调整效果都非常明显，经调整后的湿度传感器在30、40、55、75、95 五个湿度点的误差以及相应的反行程误差，大多数都控制在了±1%RH 之内，相较于传感器调整之前的湿度误差有了非常明显的改善。对于在整个测量范围内都具有大小近似而方向相同误差的湿度传感器，理论上也可以利用文中所研究的传感器调整方法进行误差调整，并获得较为理想的效果（相当于仅调整截距参数）。由传感器调整前后的数据记录曲线对比也可以看出，经过调整过后的各个传感器湿度值在同一测试点的一致性更好。

4 误差调整软件的设计

为了使调整方法更具通用性，在文中方法研究的基础上，设计了Windows 平台上的HMP155 传感器湿度误差调整工具软件[17-18]。连接好电脑和传感器并将传感器置于485 信号模式，输入待调整仪器编号，点击“导入校准数据”按键后，该软件会导入对应编号传感器的测试数据，并自动计算新的调整参数；根据软件提示点击“更新传感器修正参数”按键，软件自动更新湿度误差调整参数到传感器，并在右侧提示信息框内进行相应的提示。相对于使用按键或串口助手收发命令调整传感器误差的方式，工具软件更加简便、智能，操作人员无需了解传感器通信命令，通用性更强。图8 为使用设计的工具软件更新传感器湿度误差调整参数的示例。

图8 HMP155传感器湿度误差调整工具的使用示例

5 结论

文中所研究的HMP155 传感器湿度误差调整方法，即通过串行通信的方式调整传感器修正参数的方法，能有效地将传感器整个测量范围内的误差控制在规程规定的误差限内，经调整后合格的传感器可继续用于业务中，有效地节约业务运行成本。

文中的创新点在于利用串行通信方式调整HMP155 传感器湿度误差的研究在国内尚属新的尝试，相较于利用传感器按键调整的方式，运用串行通信的方式调整传感器误差更加简便、高效，且不需要借助数字万用表等传感器模拟信号输出测量设备；另外，按键调整仅能进行单点或两点调整，而利用串行通信的方式可以对多个湿度点多次读数得到的数据进行线性拟合，得到的误差调整参数更加合理。

文中所研究和设计的误差调整工具在后台自动完成调整参数的计算和通信交互过程，方便操作人员在传感器超差时快速、便捷地进行误差调整，而不需要深入了解传感器调整的原理、步骤及相关命令等，有助于提高湿度传感器校准的自动化水平。