氣象用濕敏電容傳感器的測試范文

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《中國測試雜志》2014年第三期

1標準器及測試設備

為減小附加誤差，保證測試數據的可比性，兩次測試均采用相同的標準器和測試設備。標準器為美國GE公司的精密冷鏡式露點儀，露點測量范圍為-60℃～40℃，測量誤差為±0.01℃；測試設備為國產SYSD型一等標準雙壓法濕度發生器，其產生相對濕度的范圍為10%～95%RH，最大允許誤差為±1%RH。1.3測試方法測試中選取-30℃，-10℃和20℃3個溫度點。-30℃時，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95%7個濕度測試點。由于被試件技術指標不同，-10℃和20℃時，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測試點，其余被試件選取15%測試點，其他測試點與-30℃時相同。每個溫度點進行兩個循環測試，每個濕度測試點有兩對不同濕度變化趨勢的數據。

2穩定性分析方法

本文利用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測試點誤差與使用前各濕度測試點誤差的差值，其中濕度測試點誤差為該測試點4次單次測量誤差的平均值。為研究誤差年漂移量的變化規律，文中分析了不同溫度條件下，誤差年漂移量的分布情況。討論了室溫（20℃）條件下誤差年漂移量隨濕度變化的規律以及同型號的兩被試件之間的一致性。為確定各種因素對誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測設備型號對誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。為檢驗現行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國氣象局對濕敏電容傳感器的要求為標準，對使用后靜態測試中14支濕敏電容傳感器的合格率進行了統計。

3穩定性分析結果

3.1誤差年漂移量隨溫度變化情況測試時選取了-30℃，-10℃和20℃3個溫度點，圖1為各被試件在不同溫度點誤差年漂移量的箱形圖，每個箱形的數據為7個濕度測試點的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點為最大值，最低點為最小值，箱形的上框線為上4分位值，下框線為下4分位值，箱內線為中位線，箱外“+”點為異常值。從圖中可以看出，對大多數被試件來說，低溫時中位線低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時較低，并且其分布隨溫度降低而變得分散。為定量表征誤差年漂移量隨溫度的變化規律，文中計算了誤差年漂移量的平均值和標準偏差。根據JJF1001-2011《通用計量術語及定義技術規范》的規定，當測量次數小于9次時，采用極差法計算標準偏差，如式（1）：表2給出了各被試件在不同溫度點時誤差年漂移量的平均值和標準偏差。總體來看，各被試件在-30℃時誤差年漂移量的區間為[-5.62，0.82]，-10℃時為[-3.73，0.95]，20℃時為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。

3.220℃時誤差年漂移量的變化規律南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時誤差的漂移情況具有更重要的意義。為了便于分析不同型號的被試件的誤差漂移情況，按照觀測設備型號將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時8種型號的觀測設備濕度測量誤差的年漂移量。從誤差年漂移量曲線的變化趨勢來看，在全量程不同測量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測設備圖2中（a）和（d）外，其余被試件誤差的年漂移量隨濕度的升高向y軸負向移動。在低濕點（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點（＞80%RH），誤差年漂移量的平均值為-1.04%RH。從圖2（a）～（f）中兩條曲線的關系來看，II、III、V、VI型觀測設備（圖2中（b）、（c）、（e）、（f））的兩套被試件之間的誤差年漂移量具有較好的一致性，兩被試件間誤差年漂移量的差值平均為0.5%RH。IV型觀測設備的兩套被試件除50%RH測試點存在1.81%RH的差異外，其余測試點誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測設備的兩套被試件一致性較差，兩被試件間誤差年漂移量曲線近似平行，其差值平均為3.2%RH。

3.3誤差年漂移量影響因素的方差分析事件的發生往往與多個因素有關，但各個因素對事件發生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗觀測值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對測試點溫度、測試點濕度、觀測設備型號進行3因素方差檢驗，得出3個因素及其交互作用對誤差年漂移量的影響。為確定結果是否是“統計上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規定當α值小于0.01時，結果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測設備型號以及溫度和濕度交互作用的α值均小于0.01，表明溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設計制造水平對誤差年漂移量有顯著影響。

3.4濕敏電容傳感器檢定周期合理性分析為保證氣象資料的準確性和連續性，要求氣象儀器具有較好的穩定性。因此氣象儀器必須進行周期檢定以保障其準確性和氣象資料的可靠性，其中被試儀器的檢定周期則取決于它的穩定性。中國氣象局對濕度測量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗的14套被試件經過一年的動態比對試驗，使用后的靜態測試中有3套被試件仍符合技術指標要求，11套被試件不符合要求，不合格率為78.6%。儀器特性漂移產生的誤差可以通過檢定給出修正值予以解決，試行的GJB1758.26A《軍用氣象儀器檢定規程第26部分：地面氣象自動觀測儀》中規定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據本文研究結果可以看出，經過一年的使用，超過3/4的傳感器不能滿足技術要求。為保證濕敏電容傳感器的測量準確度，德國科學工作者建議幾周校準一次[8]，我國也建議應每半年采用兩種飽和鹽溶液對濕敏電容傳感器進行兩點調校。

4結束語

本文在觀測設備使用前和使用后對其濕敏電容傳感器進行了兩次靜態測試并針對穩定性對測試數據進行了分析。以誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩定性，分析了誤差年漂移量的變化規律，得出的結論如下：（1）誤差年漂移量在-30℃，-10℃和20℃時的置信區間分別為[-5.62，0.82]、[-3.73，0.95]和[-1.85，1.07]，說明濕敏電容傳感器在低溫時的穩定性較差，并且其靈敏度隨溫度降低而減小。（2）室溫下，低濕點（≤40%RH）誤差年漂移量的置信區間為[-2.38，2.30]，高濕點（＞80%RH）為[-4.50，2.42]。說明室溫時，在高濕環境中，濕敏電容傳感器的穩定性較差。使用前各被試件在高濕點的測量誤差平均為-2.07%RH，使用后為-4.00%RH，說明經過一年的使用濕敏電容傳感器的高濕性能變差。（3）文中進行了3因素方差檢驗，結果表明，溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設計制造水平對濕敏電容傳感器的穩定性有顯著影響。（4）有78.6%的濕敏電容傳感器經過1年的使用后不符合地面氣象觀測的準確度要求，因此建議規定半年檢定一次，但這會增加人力、物力、財力等各項開支，其可行性需要進一步研究。

作者：蘇騰王曉蕾葉松陳曉穎慕新倉孫學金馬祥輝郭俊單位：解放軍理工大學氣象海洋學院