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        濕度傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的技術應用研究

        2022-03-21 03:48:06王永杰孫皓
        環(huán)境技術 2022年1期
        關鍵詞:測量信號

        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。

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