在環境監測過程中，濕度監測是一項重要的監測指標，利用濕度傳感器對環境濕度進行監測能夠及時掌握環境狀態。濕度傳感器在監測過程中因信號處理、監測校準等技術問題會對監測結果產生較大的影響。

 

本文以SHT10傳感器為監測設備，分析其結構和工作原理，對傳感器接收信號進行處理，并開展濕度監測試驗。結果顯示，監測誤差小于0.354%RH，具有一定的監測精度，且P值均大于α，符合環境濕度監測要求。

 

環境監測與濕度傳感器

 

01環境監測

 

環境監測主要是考核產品對環境條件的適應性，濕度測量和溫度測量在環境監測中占有較大比重。環境監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，為了獲得更好的監測試驗結果，有時需要使用加速試驗。環境濕度對于大氣環境質量具有重要的影響，對大氣環境濕度進行測量能夠及時掌握大氣環境，采用監測技術能夠對環境做出應對措施。

 

02常見的濕度傳感器

 

溫濕度數字傳感器的通信方式主要是I2C，濕度傳感器在大氣環境濕度監測中的使用較為廣泛，市場上主要濕度傳感器及生產廠家如表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據兩根線即可，使用時十分方便。

 

濕度傳感器結構和濕度監測技術

 

01.濕度傳感器結構

 

濕度傳感器是一種測量大氣環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生變化，這種變化能夠通過數字的形式顯示出來，即為濕度傳感器。濕度傳感器主要包括電源、單片機、數字傳感器、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

 

 

物質的電學參數不是固定不變的，容易受到環境的影響。濕敏元件的電容和電阻會隨溫度、濕度的變化發生變化，這是進行環境監測時需要考慮的。

 

02.濕度傳感器監測原理

 

以電阻式氯化鋰濕敏元件為例，分析濕度傳感器監測原理。氯化鋰作為一種濕敏物質，濕度的大小對其吸收水分的量影響較大。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為濕度和溫度的函數，方程如（1）所示：

 

（1）

 

式中：

R—濕敏元件電阻；

U—大氣環境的相對濕度；

t—大氣環境的溫度；

k、e、α、β—常數。

由式（1）可知，濕敏電阻隨環境濕度的變化而變化能夠用于測量大氣環境的濕度。

 

03.濕度傳感器監測信號處理

 

傳感器采集的大氣環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。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，達到更好的濕度監測效果。

 

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

1）分解的任意時刻，樣條函數進行處理時，上下包絡線均值等于零。

2）IMF不能有任意多個，過零點的個數或者極值點個數不能大于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：

 

（2）

 

h1（t）為信號與上下包絡線均值m1（t）的差，即：

 

（3）

 

式中：

x(t)代表最高頻率函數。

 

3）判斷h1（t）是否符合IMF的兩個要求，根據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，獲得適合監測環境信號，則分離后的信號r(t)為：

 

（4）

 

（5）繼續重復以上步驟，得到第二個將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，一共重復的次數為n-1次：

 

（5）

 

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

 

（6）

 

進行分解時，對不同的結果進行命名，將分解剩余的函數rn(t)稱為殘差。rn(t)是信號x(t)的集中趨勢，能夠繼續進行分解，也可以作為一個常數。當其作為函數變量時，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，在信號的作用下發生著變化，降低頻率的變化波動，能夠提高濕度傳感器的監測精度，獲得較好的信號，提高監測準確性。

 

濕度傳感器濕度監測試驗研究

 

為了考察濕度傳感器對環境濕度的監測精確度，進行一定的濕度監測試驗，以平頂山某地區大氣環境作為監測試驗場所，開展環境濕度監測試驗研究。選擇合適的監測傳感器，在進行監測之前對傳感器進行校準，以提高環境監測結果準確度。

 

01濕度監測設備

 

本次濕度監測采用的是瑞士Sensirion公司生產的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的濕度測量，具有較高的測量精度，該傳感器的主要參數如表2所示。

 

表2 SHT10產品參數

 

 

電阻式濕敏元件的電阻值表現為濕度的函數，用于測量環境濕度。濕度關系曲線隨溫度的不同而變化，根據變化函數的關系表達式對環境溫度監測。

 

02濕度監測前校準

 

目前，濕度傳感器一般按照國家校準規范的要求進行校準。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為濕度和溫度的函數，函數關系能夠以數字的形式表達出來。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，是相對的數值。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，對于環境監測而言十分重要。

 

對濕度傳感器進行校準需要遵循一定的操作流程，才能提高校準的結果，校準的一般流程如下圖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測精度，對于大氣環境濕度的監測能夠獲得一個更加準確的結果。

 

濕度監測結果分析

 

01.濕度監測結果

 

根據濕度傳感器特性，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測，監測結果達到設定的溫濕度值后再穩定20 min,然后每隔2 min記錄傳感器濕度的值，取5次讀數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：

 

（7）

 

合并樣本標準差為：

 

（8）

 

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

 

02.結果分析

 

利用濕度傳感器的探頭進行濕度監測，選取5組監測數據的平均值，根據監測所得的濕度結果，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，符合濕度計量檢定要求。

 

 

圖4 濕度監測結果

 

在評價監測結果的顯著性之前，進行假設，假設濕度測量結果未出現顯著性差異，計算概率P值，P值表示結果出現的概率。當假設為真時，P值的計算結果越小，表明差異性越顯著。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。

 

 

圖5 濕度顯著性水平

 

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

 

結論

 

對于大氣環境的濕度監測而言，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測原理，開展大氣環境濕度監測。對平頂山某地區的濕度進行監測，獲得監測結果并計算和校準濕度傳感器測量誤差，結果顯示，監測顯示誤差小于0.354%RH，且P值均大于α，由此判斷濕度傳感器監測具有一定的一致性，濕度監測試驗對于大氣環境濕度的測量和濕度傳感器的使用穩定性具有一定的參考價值。

 

引用本文：

 

王永杰，孫皓.濕度傳感器在環境監測中的技術應用研究[J].環境技術,2022,40(01):206-210.