HMP155湿度传感器超差分析及调整

王华章 孙贞 韩冰 张晶

摘要：通过对HMP155温湿度传感器工作原理和误差成因进行分析，并给出相应的处理方法，以M2000作为发生器和标准器提供标准环境，利用万用表、模拟开关、模拟接口、3MS软件实时读取和显示数据，总结出一种行之有效的调整方法，并根据湿度检定规程对调整结果进行检验，解决了湿度传感器的超差问题，保证了湿度传感器测量值的客观性和准确性。

关键词：HMP155温湿度传感器；调整方法；超差；客观性

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）10-0101-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.10.026

Ultrasonic Analysis and Adjustment of HMP155 Humidity Sensor

WANG Hua-zhang，SUN Zhen，HAN Bing，ZHANG Jing

（Dalian Meteorological Equipment Security Center，Dalian 116001，Liaoning，China）

Abstract： Through the analysis of the working principle and error cause of HMP155 temperature and humidity sensor，the corresponding treatment method is given.The problem of humidity sensor has been solved by using M2000 as a generator and provide a standard environment standard，using the multimeter，analog switch， analog interface，3MS software always read and display of data，sums up an effective adjustment method，according to the result of humidity verification regulation for adjusting and testing.At last，the objectivity and accuracy of measurement value of humidity sensor has been ensured.

Key words： HMP155 temperature and humidity sensor； adjustment method； hyperdifference； objectivity

湿敏电容湿度传感器是利用有机高分子膜作介质的一种小型电容器，用于自动站测量空气相对湿度，其将感应的空气湿度转换成相对映被测的电信号，自动气象站的采集器以一定的采样频率对湿度傳感器输出的被测电信号采样，再按规定的算法对采样信号做计算处理得到需要的湿度观测值。目前，自动站使用的湿度传感器主要是芬兰Vaisala公司的HMP45D温湿度传感器（简称HMP45D）和HMP155温湿度传感器（简称HMP155）。

自2013年开始，大连地区国家级自动气象站逐步进行改造，HMP155代替HMP45D广泛应用于国家级站湿度测量。随着业务使用年限的增加，湿度传感器出现超差现象，传感器视为不合格仪器，无法在业务中继续使用。目前，针对HMP45D温湿度传感器研究已有很多作者做出总结[1-5]，对HMP155的调整极少，将针对HMP155温湿度传感器在超差条件下的调整方法进行论述。

1 HMP155的结构及工作原理

1.1 HMP155结构

HMP155温湿度传感器（图1）探头具有可靠的温度和湿度测量功能，适用于各种环境中。湿度测量基于HUMICAP180？誖电容性高分子薄膜传感器（图2），温度测量基于电阻性铂传感器Pt100。温度湿度传感器都位于探头的顶端，由一个烧结的聚四氟乙烯过滤器保护，可以安装在防辐射罩或百叶箱中。

1.2 工作原理

1.2.1 HMP155测温原理 HMP155测温采用的是Pt100铂电阻传感器。铂电阻是最常用的感温材料，是一种现代的电测温度传感器，其利用金属铂丝的电阻随温度变化的特性来测温。在0 ℃时的电阻为100 Ω，它的电阻比值R100/R0是1.385 0，电阻温度系数是0.003 850。直接利用欧姆表测量电阻以换算相应的温度值，其温度测量的分辨率很低，因此通常采用恒流源将电阻变化转变为电压变化并进行放大，以提高测量的灵敏度，但金属接入测量电路时，电路会产生热效应，因此采用四线制恒流源测温原理测量温度（图3），消除引线电阻的变化，满足测量需求。

1.2.2 HMP155测湿原理 HMP155测湿采用的是HUMICAP180？誖电容性高分子薄膜传感器，吸湿后介电特性发生变化的原理作为电容器的介质制成的电容式湿度传感器。当传感器置于空气中，空气中水分子透过上电极进入高分子聚合物介质内或从介质内通过上部电极析出，导致电容器的电容量发生变化，转换电路将电容量的变化转换为电压变化。对映湿度为1%RH～100%RH，传感器输出在0～1 V范围内进行线性变化。湿度传感器具有高度的线性度，因此可以进行调整。

2 湿度传感器超差原因分析以及处理

湿度传感器在使用过程中，多次出现超差问题，有的误差可以消除，有的误差不能消除。产生误差的原因不同，减小误差方法也不相同，主要产生于以下方面。

2.1 湿度传感器自身超差

HMP155传感器属于电子产品，其自身计量特性随时间缓慢变化，长时间使用后引起基点漂移[6]。另外，该仪器属于吸附元件，安装在室外使用过程中会受到空气中的各种杂质和化学物质的污染，也会引起基点漂移。因此，一般每半年到一年要进行一次校准[7]，调节传感器内的校准电阻，使其达到测量的准确度。

2.2 长期处于高湿环境下引起湿度超差

HMP155传感器要通过高分子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，才能测得准确的外部相对湿度，也就是说湿度测量有一定滞后时间，一般情况不会影响相对湿度正常测量。但传感器长期处于高湿环境中，当环境湿度下降后，湿度传感器的相对湿度会长时间降不下来，从而造成传感器超差。出现该种情况时，打开过滤器，用电吹风给传感器感应部分进行烘干降湿；或将传感器与干燥剂放入一起放入密闭容器中干燥24 h以上，激活感应部分。

2.3 过滤器上污染物阻碍空气畅通引起湿度超差

HMP155传感器被一个烧结的聚四氟乙烯过滤器保护，该过滤器有良好的通风性。传感器长时间在室外使用后，过滤器保护罩表面被灰尘和化学污染物质覆盖而影响到空气的流通，使感应部分无法与外界空气相接触，引起测量超差。因此，要定期要用含有温和去污剂的柔软无绒布擦拭传感器探头和过滤器或及时更换，使测量结果更加准确。

2.4 低温滞后误差增大引起湿度超差

常温下（15～25 ℃），湿敏电容的动态响应较迅速，时间常数为20 s，因此滞后误差较小。但在低温下，大气中的水气密度很小，传感器感应部分很难与空气相对湿度取得平衡，造成滞后误差明显增大。研究表明，在0 ℃以下条件使用时，不但对传感器测量的准确度有影响，而且还对测量值的离散程度有影响[8]。因此，低温下相对湿度准确率较低，目前没有一个有效的方法进行控制。

3 湿度传感器的调整

对HMP155传感器检定后，按照规程[9]，湿度在小于等于80%且误差超过4%或相对湿度大于80%且误差超过8%，传感器视为超差。不符合的超差传感器应根据检定点的大小和方向，分析超差原因，选择合适的调整方法。

3.1 调整前准备

湿度传感器的调整需要以下设备或工具：电脑一台，安装3MS系统软件，用于显示HMP155数值；M2000湿度发生器，可作为发生器和标准器使用；温湿度传感器模拟接口；六位半数字万用表；16通道模拟开关。调整时，HMP155感应部位放入M2000发生器，连接线与转接合相连接入温湿度传感器模拟接口，六位半数字万用表读取16通道模拟开关选取温湿度传感器模拟接口上相应的传感器数值，并通过3MS软件显示相应的读取数值。连接示意图如图4所示。

3.2 调整原理

HUMICAP180？誖湿度感应片的测量电路为图5所示的多谐振荡器和输出RC低通滤波电路。由集体管G1、G2和电阻R1、R4、R5，电容C1、C2、CR、C3组多谐振荡器，从晶体管G1、G2的集电极引出多谐振荡器的脉冲信号经R6、G4和R7、G5组成的两个低通波后得到反映相对湿度变化的直流电压输出信号Vout。相对湿度的变化引起电容湿度传感器CR电容量的变化，使多谐振荡器输出脉冲占空比随之变化，从而使输出信号Vout随相对湿度而发生变化。R5和R8分别是调多谐振荡器零点和满量程的校准电阻，对映HMP155温湿度探头的“低湿”和“高湿”两点。

3.3 两点法调整

HMP155的校准和调整是通过使用探头上的按钮（图6）来进行的。两点湿度调整是通过使用两个相对湿度参照点进行，两个湿度点之差至少为30%。以低湿11%RH，高湿度75%RH为例，具体步骤如下：

1）拆下保护盖和校准封条，露出探头上的调整按钮。打开3MS软件。

2）打开保护插头，会看到标记“-”“口”“+”的3个按钮，还有一个双色LED指示灯。

3）按住ADJ按鈕不放，直到绿色LED指示灯亮起，这时HMP155将置于RH校准模式。

4）拆下过滤器并将探头插入发生器的测量孔中，待M2000发生器条件11%稳定后，通过调整“+”“-”按钮，确保3MS软件上显示值和发生器值误差在10%～12%，然后按住ADJ按钮。绿色的LED指示灯熄灭。

5）湿度发生器M2000设定至75%，待条件稳定后，按ADJ按钮，绿色指示灯重新亮起，等待30 min后，使用“-”和“+”按钮进行高湿度增益调整，使Aout电压正确，3MS软件被调仪器相对湿度在74%～76%。然后按住ADJ按钮，绿色LED熄灭。

3.4 调整后检验

按照检定规程要求，对调整后仪器进行检定，检验调整效果。如果调整后仍超差，应反复调整，直到标准器检定结果符合检定规程。

4 调整实例

以M382330为例来说明具体调整过程。从表1可以看出，根据检定数据传感器测量的相对湿度值整体比标准值高约4%，传感器超差，需要进行调整。调整湿度数据（表2）中，首先调整低湿点，设置M2000发生器腔内湿度为11%，待稳定后传感器测量值约为15%，传感器进入调整模式，需要按向下按钮，使传感器测量值与11%接近，本次调整至湿度为11.1%，退出校准模式。调整高湿点，设置发生器腔内湿度为75%，等待稳定后传感器测量值约为79.3%，设置传感器进入校准模式，按向下按钮直至传感器显示湿度接近75%，最后传感器退出校准模式。在调整过程中，当传感器调测量值与调整点相差较大时，可以长按该按钮，此时传感器示数连续变化；传感器示值与调整点接近时，可一下一下地按调整按钮，每按一下示数变化约为0.1%。调整后传感器按照检定规程从新检定（表1），检定数据与标准器数据差值减小，符合规程要求，可以继续使用。

5 小结

在检定过程中，HMP155温湿度传感器湿度超差是经常遇到的，通过分析湿度超差原因，利用湿度发生器提供湿度环境，运用数字万用表、模拟接口、模拟开关、3MS软件时时读取并显示湿度值，解决了HMP155不能调整的问题，并完善了湿度传感器的调整方法，保证了自动气象站湿度传感器的客观性、准确性。

参考文献：

[1] 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，2012，29（2）：11-15.

[2] 李英梅.HMP45D湿度传感器的检定校准方法研究[J].电子技术与软件工程，2012，15（2）：126-126.

[3] 孙文良，沈秋雨，于文博，等.HMP45D温湿度传感器的检定校准[J].气象水文海洋仪器，2009，26（3）：124-126.

[4] 张继光，姜宗元，张 敏，等.HMP45D温湿度传感器的测量原理与误差分析[J].科技发展，2013（4）：113-114.

[5] 刘 军，杨志伟，韩立民.HMP45D湿度测量误差调整及校准[J].吉林气象，2008（1）：42-43.

[6] 崔讲学.地面气象观测[M].北京：气象出版社，2011.

[7] 王 强.综合气象观测[M].北京：气象出版社，2012.

[8] JJG（气象）003-2011，自动气象站湿度传感器[S].

[9] 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）：370-372.