馬修才，鄭樹芳，蔣娟萍，溫曉輝，牛永紅

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.成都信息工程大學(xué)，四川成都 610225；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

空氣濕度的測量方法有多種，包括干濕球法、露點(diǎn)法、電解法、電阻電容法等[1]。采用濕敏電容測量空氣濕度，具有適應(yīng)寬溫度、濕度，精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。目前，我國氣象、民航、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域，廣泛采用芬蘭維薩拉公司的HMP155 傳感器進(jìn)行空氣濕度測量[4-5]。該傳感器可同時(shí)測量空氣濕度和溫度，測濕元件為聚合物薄膜電容傳感器HUMICAP180，傳感器內(nèi)部采用通用MCU 處理采集到的濕度，并集成了非易失存儲器用于存儲重要參數(shù)。HMP155 系列傳感器主要有三種類別，其中，HMP155D 為無源模擬輸出型（下文簡稱HMP155 傳感器），文中主要針對該型號的傳感器展開研究，HMP155A 和HMP155E 型的傳感器也可參考文中的研究結(jié)果。

由近些年的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HMP155 傳感器濕度模擬量輸出值具有一定的超差率。對于超差或者誤差較大的濕度傳感器，可根據(jù)傳感器技術(shù)手冊上提供的方法進(jìn)行誤差調(diào)整。目前，國內(nèi)對HMP155 傳感器的濕度誤差調(diào)整相關(guān)的實(shí)踐或研究相對較少，有相關(guān)學(xué)者用調(diào)整傳感器探頭電路板按鍵的方法進(jìn)行了誤差調(diào)整[6-9]，該方法可行但是可操作性較差，步驟較為繁瑣，通用性不佳。文中所研究的利用串行通信方式調(diào)整HMP155 傳感器濕度誤差的方法，相對于按鍵調(diào)整的方法，步驟簡單，理論上可以更精確地調(diào)整誤差。

1 調(diào)整原理

1.1 傳感器引腳定義

HMP155 傳感器外部接口為8 針的M12 接頭，其各針腳功能定義如表1 所示，出廠時(shí)的外部配線顏色同樣在表1 中列出。

表1 HMP155傳感器引腳功能及出廠配線

HMP155 傳感器第2 和第6 引腳為雙功能復(fù)用，傳感器上電不進(jìn)行附加操作，2、6 引腳默認(rèn)為濕度模擬信號輸出端。若上電時(shí)同時(shí)按住傳感器ADJ 按鍵約3 s，如圖1 中④所示，則2、6 引腳會進(jìn)入RS485 信號模式，此后便可通過串行通信接口與傳感器進(jìn)行信息交互。

圖1 HMP155傳感器調(diào)整按鈕

1.2 傳感器與電腦連接

按照圖2 示意圖連接傳感器和電腦。具體操作為，首先將傳感器2、6 引腳連接485 轉(zhuǎn)232 模塊，再將轉(zhuǎn)換模塊的232 信號端與電腦串口連接。打開電腦端的串口助手，設(shè)置好相應(yīng)的串口號和通信參數(shù)（HMP155 默認(rèn)通信參數(shù)為4800,E,7,1），傳感器接通電源的同時(shí)按下傳感器ADJ 按鍵，直至串口助手顯示傳感器軟件版本號即說明傳感器已進(jìn)入485 信號模式，例如出現(xiàn)“HMP155 1.26”，其中“1.26”表示內(nèi)置軟件版本號。

圖2 傳感器與電腦進(jìn)行串行通信連接示意

1.3 HMP155傳感器與誤差調(diào)整相關(guān)的命令

傳感器用戶手冊給出了利用串行接口調(diào)整誤差的相關(guān)通信命令?＜ ＞，用于查看傳感器自檢信息（＜ ＞表示W(wǎng)indows 下的回車符，不可見），L＜ ＞用于查看用戶校準(zhǔn)參數(shù)，LI＜ ＞用于更新用戶校準(zhǔn)參數(shù)，CDATE＜ ＞用于設(shè)置校準(zhǔn)日期，RESET＜ ＞用于重啟傳感器。

2 調(diào)整步驟

2.1 重置傳感器調(diào)整參數(shù)

按第一節(jié)中的方法連接傳感器和電腦，進(jìn)入串行通信模式后，在串口助手輸入L＜ ＞，其中，＜ ＞表示回車符，為不可見字符。觀察傳感器的返回信息，若返回信息中Cp offset 和Cp gain 參數(shù)分別為0 和1，說明傳感器此前未進(jìn)行過調(diào)整。若Cp offset 不為0或者Cp gain 不為1，則需將其重置后重新校準(zhǔn)傳感器，保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)備用。

重置方法為發(fā)送命令LI＜ ＞，根據(jù)傳感器的返回信息，提示輸入Cp offset 參數(shù)時(shí)輸入0.0，提示輸入Cp gain 參數(shù)時(shí)輸入1.0，后續(xù)參數(shù)無需修改直接發(fā)送回車，直至P gain 參數(shù)完成。

2.2 計(jì)算新的調(diào)整參數(shù)

向傳感器發(fā)送L＜ ＞所返回的信息中，Cp offset表示偏移，Cp gain 表示增益，調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)就可對濕度模擬量進(jìn)行線性調(diào)整。將傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（至少兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)）以標(biāo)準(zhǔn)器參考濕度值為縱坐標(biāo)，傳感器濕度值為橫坐標(biāo)，進(jìn)行線性回歸分析，得到斜率a、截距b，分別對應(yīng)Cp gain 和Cp offset。此處需要指出，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，使用按鍵調(diào)整傳感器誤差的方法（單點(diǎn)或者兩點(diǎn)），實(shí)際上就是調(diào)節(jié)傳感器的上述兩個(gè)參數(shù)（單點(diǎn)調(diào)整只會改變Cp offset 而Cp gain保持不變）。而文中通過傳感器多個(gè)測試點(diǎn)的讀數(shù)和濕度參考值線性擬合之后得到的截距和斜率參數(shù)，顯然比用按鍵進(jìn)行兩個(gè)濕度點(diǎn)調(diào)整得到的參數(shù)更加準(zhǔn)確。

2.3 更新傳感器參數(shù)

參考2.1中重置參數(shù)的方法，將Cp offset和Cp gain分別設(shè)置為2.2 中計(jì)算得到的新值。更新完參數(shù)后發(fā)送“RESET＜ ＞”命令重啟傳感器，使新參數(shù)生效。

3 誤差調(diào)整實(shí)例分析

運(yùn)用第二節(jié)中的誤差調(diào)整方法，在實(shí)際測試過程中，選取了大量濕度傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。標(biāo)準(zhǔn)器為精密露點(diǎn)儀，測試環(huán)境為濕度發(fā)生器[10-12]，濕度發(fā)生器溫度控制在20 ℃附近，測試點(diǎn)設(shè)置為30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH、75%RH、55%RH、40%RH、30%RH[13-14]。先將各傳感器的誤差調(diào)整參數(shù)重置，按上述條件和測試點(diǎn)進(jìn)行第一次測試，每個(gè)測試點(diǎn)讀數(shù)三組。根據(jù)第一次測試的數(shù)據(jù)，每支傳感器分別以標(biāo)準(zhǔn)器參考濕度值為Y坐標(biāo)，以傳感器讀數(shù)為X坐標(biāo)，進(jìn)行線性擬合[15-16]，計(jì)算出各自的斜率及截距，如表2 所示（選取八支傳感器為代表數(shù)據(jù)）。

表2 實(shí)驗(yàn)樣本傳感器第一次測試后得到的線性擬合參數(shù)

按文中所研究的方法調(diào)整傳感器誤差后，以相同的測試條件和測試點(diǎn)進(jìn)行第二次測試。將每支傳感器每個(gè)測試點(diǎn)的三次讀數(shù)做算術(shù)平均后，以測試點(diǎn)為X軸，傳感器濕度誤差為Y軸作圖，對比調(diào)整前后的傳感器誤差。結(jié)果表明，用文中所述的誤差調(diào)整方法調(diào)整后的各傳感器的濕度誤差均明顯減小。圖3-7 列出了其中五支傳感器誤差調(diào)整前后的對比結(jié)果。

圖3 傳感器H4350012調(diào)整前后誤差對比

圖4 傳感器L5120489調(diào)整前后誤差對比

圖5 傳感器J3120008調(diào)整前后誤差對比

圖6 傳感器K0630045調(diào)整前后誤差對比

圖7 傳感器H1340031調(diào)整前后誤差對比

通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，誤差調(diào)整前的樣本傳感器誤差分布基本呈現(xiàn)兩類，一類為誤差隨著濕度升高變大，一類為誤差隨著濕度升高變小。文中所研究的誤差調(diào)整方法對這兩類誤差特性的傳感器濕度值調(diào)整效果都非常明顯，經(jīng)調(diào)整后的濕度傳感器在30、40、55、75、95 五個(gè)濕度點(diǎn)的誤差以及相應(yīng)的反行程誤差，大多數(shù)都控制在了±1%RH 之內(nèi)，相較于傳感器調(diào)整之前的濕度誤差有了非常明顯的改善。對于在整個(gè)測量范圍內(nèi)都具有大小近似而方向相同誤差的濕度傳感器，理論上也可以利用文中所研究的傳感器調(diào)整方法進(jìn)行誤差調(diào)整，并獲得較為理想的效果（相當(dāng)于僅調(diào)整截距參數(shù)）。由傳感器調(diào)整前后的數(shù)據(jù)記錄曲線對比也可以看出，經(jīng)過調(diào)整過后的各個(gè)傳感器濕度值在同一測試點(diǎn)的一致性更好。

4 誤差調(diào)整軟件的設(shè)計(jì)

為了使調(diào)整方法更具通用性，在文中方法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了Windows 平臺上的HMP155 傳感器濕度誤差調(diào)整工具軟件[17-18]。連接好電腦和傳感器并將傳感器置于485 信號模式，輸入待調(diào)整儀器編號，點(diǎn)擊“導(dǎo)入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”按鍵后，該軟件會導(dǎo)入對應(yīng)編號傳感器的測試數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算新的調(diào)整參數(shù)；根據(jù)軟件提示點(diǎn)擊“更新傳感器修正參數(shù)”按鍵，軟件自動(dòng)更新濕度誤差調(diào)整參數(shù)到傳感器，并在右側(cè)提示信息框內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的提示。相對于使用按鍵或串口助手收發(fā)命令調(diào)整傳感器誤差的方式，工具軟件更加簡便、智能，操作人員無需了解傳感器通信命令，通用性更強(qiáng)。圖8 為使用設(shè)計(jì)的工具軟件更新傳感器濕度誤差調(diào)整參數(shù)的示例。

圖8 HMP155傳感器濕度誤差調(diào)整工具的使用示例

5 結(jié)論

文中所研究的HMP155 傳感器濕度誤差調(diào)整方法，即通過串行通信的方式調(diào)整傳感器修正參數(shù)的方法，能有效地將傳感器整個(gè)測量范圍內(nèi)的誤差控制在規(guī)程規(guī)定的誤差限內(nèi)，經(jīng)調(diào)整后合格的傳感器可繼續(xù)用于業(yè)務(wù)中，有效地節(jié)約業(yè)務(wù)運(yùn)行成本。

文中的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用串行通信方式調(diào)整HMP155 傳感器濕度誤差的研究在國內(nèi)尚屬新的嘗試，相較于利用傳感器按鍵調(diào)整的方式，運(yùn)用串行通信的方式調(diào)整傳感器誤差更加簡便、高效，且不需要借助數(shù)字萬用表等傳感器模擬信號輸出測量設(shè)備；另外，按鍵調(diào)整僅能進(jìn)行單點(diǎn)或兩點(diǎn)調(diào)整，而利用串行通信的方式可以對多個(gè)濕度點(diǎn)多次讀數(shù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到的誤差調(diào)整參數(shù)更加合理。

文中所研究和設(shè)計(jì)的誤差調(diào)整工具在后臺自動(dòng)完成調(diào)整參數(shù)的計(jì)算和通信交互過程，方便操作人員在傳感器超差時(shí)快速、便捷地進(jìn)行誤差調(diào)整，而不需要深入了解傳感器調(diào)整的原理、步驟及相關(guān)命令等，有助于提高濕度傳感器校準(zhǔn)的自動(dòng)化水平。