高分子濕度傳感器特性漂移及非線性修正

江玉飛，梁漢昌

（1.廣東省肇慶化工機(jī)械廠，廣東肇慶，526020；2.廣東省肇慶市技師學(xué)院，廣東肇慶，526020）

0 引言

高分子濕敏膜電容傳感器元件大多用聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸酯等沒有親水基和生成氫鍵原子的材料制成，有不發(fā)生水分子化學(xué)吸附、抗結(jié)露及耐化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)、介電穩(wěn)定性、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。然而，這類傳感器在高溫或相對(duì)濕度大于50%RH的環(huán)境中，容易出現(xiàn)[3]性能退化、數(shù)據(jù)漂移、靈敏度下降等老化甚至疲勞失效問題。此癥狀在40℃以下、濕度≤10%RH的低濕氛圍中明顯減小，經(jīng)歷前期老化后便趨于穩(wěn)定，這就為其作為低濕露點(diǎn)傳感器提供了想象空間。

1 儀表設(shè)計(jì)

資料和實(shí)測(cè)表明，電容型濕度傳感器[4]在10%RH～95%RH濕度范圍內(nèi)靈敏度約為0.25pF/%RH,濕度－電容特性幾乎呈線性、溫度系數(shù)≈0.07%RH/ ℃,重現(xiàn)性及耐水性尚可；但在濕度≤10%RH的低濕空氣氛圍，靈敏度大幅降低，且非線性響應(yīng)、零點(diǎn)漂移癥狀明顯，導(dǎo)致作線性應(yīng)用時(shí)靈敏度低、測(cè)量誤差大、抗干擾差。采用硬件補(bǔ)償在抑制傳感器的零點(diǎn)漂移和長(zhǎng)期可靠性方面仍鮮有肯定。試驗(yàn)及跟蹤檢定表明，高分子濕度傳感器經(jīng)歷前期老化階段后，其在1%～10%RH低濕區(qū)濕容特性曲線的零點(diǎn)漂移逐漸減小，并幾乎都呈整線遷移，濕容點(diǎn)離散變異不大，溫度系數(shù)基本穩(wěn)定。這就啟示了采用數(shù)學(xué)方法修正傳感器特性參數(shù)回歸，制造高可靠性露點(diǎn)儀成為可能，設(shè)計(jì)方案為：前期老化→精密采集→數(shù)據(jù)修正→溫度補(bǔ)償→露點(diǎn)運(yùn)算→校驗(yàn)檢定→可靠性試驗(yàn)。

儀表原理：采用三個(gè)傳感器分別把空氣的溫度、相對(duì)濕度、氣壓轉(zhuǎn)換成電壓，作線性放大后，由單片機(jī)系統(tǒng)按設(shè)定的程序?qū)ι鲜鋈?xiàng)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，求出在該工況條件下對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)數(shù)值。為了實(shí)時(shí)更新顯示，需配置合理的巡檢程序和運(yùn)算支持?jǐn)?shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 高分子濕敏電容露點(diǎn)檢測(cè)儀框圖

可靠性措施：1、把初檢合格的傳感器同時(shí)輪番置入-25℃、＜1%RH和100℃、飽和濕度的氛圍中，作不少于72小時(shí)的惡劣環(huán)境老化試驗(yàn)[4]，重檢篩選靈敏度、重現(xiàn)性、離散性、零點(diǎn)漂移合格的器件配表。2、傳感器必須置入承壓等級(jí)適合、樣氣流通、屏蔽接地的同一金屬密閉取樣盒內(nèi)[1,5]；在線安裝時(shí)，取樣盒須設(shè)置防護(hù)機(jī)關(guān)，防止不穩(wěn)定高濕氣體污染傳感器。

2 非線性及漂移的修正

根據(jù)圖2所示，采用數(shù)學(xué)分段拋物線插值法[2]，對(duì)電容型濕度傳感器在≤10%RH區(qū)間采集的數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)回歸運(yùn)算，能有效修正其零點(diǎn)漂移及關(guān)聯(lián)離散變化。回歸運(yùn)算公式為：

圖2 濕敏電容傳感器零點(diǎn)漂移與非線性圖線

式中：y —為相對(duì)濕度值，x —與y對(duì)應(yīng)的濕度信號(hào)電壓，xi-1,xi,xi+1,yi-1,yi,yi+1,為數(shù)據(jù)表的值。

插值運(yùn)算時(shí)，當(dāng)插值點(diǎn)x位于結(jié)點(diǎn)xk-1與xk之間時(shí)，為確定另一個(gè)插值點(diǎn)，需先判斷x偏向區(qū)間（xk-1，xk）的那一側(cè)，若x靠近xk-1,即│x-xk-1│≤│x-xk│,則補(bǔ)選xk-2為結(jié)點(diǎn)，并令公式（1）中的下標(biāo)i=k-1；反之，若x靠近xk,即│x-xk-1│＞│x-xk│,則補(bǔ)選xk+1為結(jié)點(diǎn)，并令i=k。當(dāng)x靠近表頭，即x≤x1時(shí)，自然以x0,x1,x2為結(jié)點(diǎn)，同時(shí)令i=1；當(dāng)x靠近表尾，即x＞xn-1時(shí)，則令i= n-1。由于濕度傳感器在＞10%RH的輸出特性基本呈線性，在此范圍內(nèi)采用線性插值運(yùn)算。

數(shù)據(jù)表根據(jù)濕度傳感器的典型輸出特性制定，單片機(jī)在讀得濕度傳感器輸出的信號(hào)電壓時(shí)，會(huì)確定采用何種插值算法；數(shù)據(jù)表還有濕度傳感器的典型溫度特性數(shù)據(jù)，在插值運(yùn)算時(shí)對(duì)其溫度漂移一并修正。

3 結(jié)果與討論

采用上述數(shù)學(xué)回歸算法和可靠性措施設(shè)計(jì)的兩臺(tái)露點(diǎn)儀，經(jīng)武漢市儀器儀表研究完成標(biāo)定、檢定后，在壓縮空氣干燥器輸出端作在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行兩年后復(fù)檢，儀表的示值誤差均不超過±1.2 Td℃，其中2035號(hào)的檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

運(yùn)行至第三年，這兩臺(tái)露點(diǎn)檢測(cè)儀再次經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心檢定，同樣表現(xiàn)出示值誤差不超過±1.5 Td℃，2035號(hào)露點(diǎn)儀的檢定數(shù)據(jù)見表2。

可見，插值回歸算法適合修復(fù)高分子濕度傳感器的低濕響應(yīng)特性，增加數(shù)據(jù)表的值并縮小插值結(jié)點(diǎn)間距，會(huì)有進(jìn)一步改善；用數(shù)個(gè)傳感器對(duì)濕度作多鑒采集，取其輸出信號(hào)的平均值生成濕度數(shù)據(jù)，是提高濕度信號(hào)可靠性的措施之一。

表1 兩年后武漢儀器儀表研究所復(fù)檢露點(diǎn)儀記錄

表2 第三年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心復(fù)檢記錄

4 結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)學(xué)插值回歸運(yùn)算結(jié)合前期老化處理技術(shù)，可改善傳感器應(yīng)用的可靠性，值得探討和完善。借鑒最大后驗(yàn)（MAP）估計(jì)與最近鄰線性回歸（NNLR）結(jié)合的自適應(yīng)框架模型插值法[6]，可望取得更好的效果。