王永杰，孫皓

（1.河南省平頂山市綜合利用環(huán)境保護研究所，平頂山 467000；2.河南省平頂山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，平頂山 467000）

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題的重要性日益突出[1]。對環(huán)境進行監(jiān)測能夠及時掌握環(huán)境情況，有利于維持經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展和提高人民的居住環(huán)境。采用先進的設備和技術手段對環(huán)境進行測量，可以及時獲得精確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，先進的監(jiān)測技術對于環(huán)境監(jiān)測具有重要意義[2]。

采用試驗設備進行濕度的測量，需要依據(jù)一定的標準，在濕度傳感器測量時依據(jù)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設備檢驗方法 濕熱試驗設備》[3]、《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準規(guī)范》[4]等標準進行測試。濕度傳感器分為電阻式或電容式濕敏元件傳感器，兩種傳感器都可以用于大氣環(huán)境濕度測量。

環(huán)境試驗設備的濕度測量與量值傳遞的濕度顯示存在一定的差異，使用濕度傳感器測量濕度時，可能存在一定的測量誤差，對其進行校準具有實際意義。開展?jié)穸葌鞲衅餍什⑦M行濕度監(jiān)測試驗，從而檢驗濕度傳感器濕度監(jiān)測的技術應用效果。

1 環(huán)境監(jiān)測與濕度傳感器

1.1 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測主要是考核產(chǎn)品對環(huán)境條件的適應性，濕度測量和溫度測量在環(huán)境監(jiān)測中占有較大比重[5]。環(huán)境監(jiān)測一般需要進行多次測量，通過測量求平均值與真實值進行對比，為了獲得更好的監(jiān)測試驗結果，有時需要使用加速試驗[6]。環(huán)境濕度對于大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要的影響，對大氣環(huán)境濕度進行測量能夠及時掌握大氣環(huán)境，采用監(jiān)測技術能夠?qū)Νh(huán)境做出應對措施。

1.2 常見的濕度傳感器

溫濕度數(shù)字傳感器的通信方式主要是I2c，濕度傳感器在大氣環(huán)境濕度監(jiān)測中的使用較為廣泛，市場上主要濕度傳感器及生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 常見濕度傳感器

在濕度傳感器中，I2c總線是兩線式串行總線，I2c芯片器件一般有1～3個管腳，能夠讀寫多個I2c芯片器件。與單片機連I/O引腳接時僅需時鐘和數(shù)據(jù)兩根線即可，使用時十分方便。

2 濕度傳感器結構和濕度監(jiān)測技術

2.1 濕度傳感器結構

濕度傳感器是一種測量大氣環(huán)境中水分含量的電子設備，空氣中水分含量不同會導致電敏元件產(chǎn)生變化，這種變化能夠通過數(shù)字的形式顯示出來，即為濕度傳感器[7]。濕度傳感器主要包括電源、單片機、數(shù)字傳感器、觸摸屏等部分，硬件結構如圖1所示。

圖1 濕度傳感器硬件結構

物質(zhì)的電學參數(shù)也會隨環(huán)境溫度的變化而變化，濕敏元件的電阻或電容除隨環(huán)境濕度的變化而變化之外，同時也隨環(huán)境溫度的變化而變化。即濕敏元件的電阻或電容的變化，同時受到環(huán)境濕度、溫度的影響。

2.2 濕度傳感器監(jiān)測原理

以電阻式氯化鋰濕敏元件為例，分析濕度傳感器監(jiān)測原理。氯化鋰作為一種濕敏物質(zhì)，濕度的大小對其吸收水分量的影響較大。當空氣中濕度增大，氯化鋰吸收空氣中的水分導致帶電粒子活性增加，電阻的阻值下降；當空氣中濕度小時，氯化鋰的水分減少，帶電粒子活性減弱，電阻的阻值增加。氯化鋰濕敏元件電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，方程如（1）所示：

式中：

R—濕敏層的電阻；

U—大氣環(huán)境的相對濕度；

t—大氣環(huán)境的溫度；

k、e、α、β—常數(shù)。

由式（1）可知，濕敏電阻隨環(huán)境濕度的變化而變化能夠用于測量大氣環(huán)境的濕度。

2.3 濕度傳感器監(jiān)測信號處理

傳感器采集的大氣環(huán)境中的濕度信號需要進行處理，確定被采集信號的極大值和極小值時，才能更好的使用EMD 對信號進行分解[8,9]。這種分解和對分解結果的判斷，相當于對信號進行一個“篩選”過程，減少無關信號的干擾，達到更好的濕度監(jiān)測效果。

EMD分解方法在進行濕度監(jiān)測信號的分解時，需要遵循一定的條件，每個固有模態(tài)分量（IMF）需要滿足：

1）分解的任意時刻，樣條函數(shù)進行處理時，上下包絡線均值等于零。

2）IMF不能有任意多個，過零點的個數(shù)或者極值點個數(shù)不能大于1。

EMD 分解的具體過程如下：

1）找到信號中的極值點，對其進行樣條函數(shù)的曲線擬合，假設原始信號為x(t)，信號中極大值形成的包絡線U(t)，同樣的，極小值也進行曲線擬合，擬合的曲線下包絡線L(t)。

（2）上下包絡線的均值m1(t)，可以通過計算求得：

h1(t)為信號與上下包絡線均值m1(t)的差，即：

式中：

x(t)—最高頻率函數(shù)。

3）判斷h1(t)是否符合IMF的兩個要求，根據(jù)判斷結果做出不同的決定。如果滿足條件，則hi(t)代表信號x(t)第一個IMF分量，記為c(t)；如果不滿足條件，則令x(t)=h(t)，然后重新回到第1）步，重復以上步驟，并對計算結果進行篩選，取得較好的結果作為參數(shù)分量。

4）信號分離，將ci(t)從差分信號x(t)中分離，獲得適合監(jiān)測環(huán)境信號，則分離后的信號r(t)為：

5）繼續(xù)重復以上步驟，得到第二個IMF分量c2(t)，不斷的重復可以獲得更好的結果，隨著反復進行信號篩選，得到n個IMF分量，一共重復的次數(shù)為n-1次：

當采集的信號被分解n次后，樣條函數(shù)變成一個極小值，不能繼續(xù)進行分解求值，此時對監(jiān)測信號的分解停止，選取包絡的平均值作為分量進行計算，得到式（6）：

進行分解時，給不同的結果命名，將分解剩余的函數(shù)rn(t)稱為殘差。rn(t)是信號x(t)的集中趨勢，能夠繼續(xù)進行分解，也可以作為一個常數(shù)。當其作為函數(shù)變量時，可以分解出來的n個IMFs ( c1(t)，…，cn(t))中，在這些不同的IMF分量中，它們信號周期相同，頻率大小不同。頻率會受到信號的影響，在信號的作用下發(fā)生著變化，降低頻率的變化波動，能夠提高濕度傳感器的監(jiān)測精度，獲得較好的信號，提高監(jiān)測準確性。

3 濕度傳感器濕度監(jiān)測試驗研究

為了考察濕度傳感器對環(huán)境濕度的監(jiān)測精確度，進行一定的濕度監(jiān)測試驗，以平頂山某地區(qū)大氣環(huán)境作為監(jiān)測試驗場所，開展環(huán)境濕度監(jiān)測試驗。選擇合適的監(jiān)測傳感器，在進行監(jiān)測前對傳感器進行校正，以提高監(jiān)測準確度。

3.1 濕度監(jiān)測設備

本次濕度監(jiān)測采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10系列濕度傳感器，傳感器如圖2所示。

圖2 SHT10系列濕度傳感器

SHT10系列濕度傳感器能夠適應較大范圍內(nèi)的濕度測量，具有較高的測量精度，該傳感器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 SHT10產(chǎn)品參數(shù)

電阻式濕敏元件的電阻值表現(xiàn)為濕度的函數(shù)，用于測量環(huán)境濕度。濕度關系曲線隨溫度的不同而變化，根據(jù)變化函數(shù)的關系表達式對環(huán)境溫度監(jiān)測。

3.2 濕度監(jiān)測前校準

目前，濕度傳感器一般按照國家校準規(guī)范[4]的要求進行校準。濕度校準一般在溫度20 ℃或25 ℃下進行，校準點間隔10 %RH整數(shù)點，濕度校準范圍一般為10～90 %RH。

因為電阻式濕敏元件的電阻值表現(xiàn)為濕度和溫度的函數(shù)，函數(shù)關系能夠以數(shù)字的形式表達出來。按照傳感器校準標準的方法，在常溫20 ℃或25 ℃下校準濕度，濕度傳感器測量的濕度一般是相對濕度，校準時按照標準進行，以提高校準的準確性。相對濕度是指濕空氣中水汽的摩爾分數(shù)，是相對的數(shù)值。顯然，相對濕度是與濕氣的溫度、壓力條件相對應的，不同條件下可能會存在不同，需要進行多次測量。濕度傳感器對環(huán)境濕度進行測量之前都需要進行校準，校準是提高測量準確性的一種重要方法，對于環(huán)境監(jiān)測而言十分重要。對濕度傳感器進行校準需要遵循一定的操作流程，校準的一般流程如圖3所示。

圖3 SHT10濕度傳感器校準流程

通過對傳感器進行校準，進一步提高了SHT10濕度傳感器的濕度監(jiān)測精度，對于大氣環(huán)境濕度的監(jiān)測能夠獲得一個更加準確的結果。

4 濕度監(jiān)測結果分析

4.1 濕度監(jiān)測結果

根據(jù)濕度傳感器特性，對平頂山某地的不同時間段、不同濕度進行測量。選擇5個采集模塊進行濕度監(jiān)測，監(jiān)測結果達到設定的溫濕度值后再穩(wěn)定20 min,然后每隔2 min記錄傳感器濕度的值，取5次讀數(shù)的平均值作為測量值。所得的測量結果和測量誤差如表3所示。

表3 測量結果記錄

標準差計算公式為：

合并樣本標準差為：

在實際濕度監(jiān)測中，需要多次測量求平均值，本次讀取傳感器監(jiān)測點5次數(shù)據(jù)，以5次測量的算術平均值作為試驗結果。

4.2 結果分析

利用濕度傳感器的探頭進行濕度監(jiān)測，選取5組監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，根據(jù)監(jiān)測所得的濕度結果，繪制成濕度均值圖，如圖4所示。由圖4可知，濕度測量誤差在± 1.0 %RH之內(nèi)，符合濕度計量檢定要求。

圖4 濕度監(jiān)測結果

在評價監(jiān)測結果的顯著性之前，進行假設，假設濕度測量結果未出現(xiàn)顯著性差異，計算概率P值，P值表示結果出現(xiàn)的概率。當假設為真時，P值的計算結果越小，表明差異性越顯著[10]。顯著性水平α設置為0.05，計算出概率P值，結果如圖5所示。

由圖5可知，顯著性水平中P值均大于α，表明監(jiān)測結果誤差不顯著，由此判斷濕度傳感器監(jiān)測具有一定的一致性。

圖5 濕度顯著性水平

5 結論

對于大氣環(huán)境的濕度監(jiān)測而言，采用濕度傳感器進行測量能夠在一定程度上獲得大氣環(huán)境的濕度，但有時需要對濕度傳感器進行校準，以獲得更加準確的測量結果。本文分析濕度傳感器的結構和傳感器信號監(jiān)測原理，開展大氣環(huán)境濕度監(jiān)測。對平頂山某地區(qū)的濕度進行監(jiān)測，獲得監(jiān)測結果并計算和校準濕度傳感器測量誤差，結果顯示，監(jiān)測顯示誤差小于0.354 %RH，且P值均大于α，由此判斷濕度傳感器監(jiān)測具有一定的一致性，濕度監(jiān)測試驗對于大氣環(huán)境濕度的測量和濕度傳感器的使用穩(wěn)定性具有一定的參考價值。