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(biāo)準(zhǔn)器及測試設(shè)備
為減小附加誤差，保證測試數(shù)據(jù)的可比性，兩次測試均采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和測試設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)器為美國GE公司的精密冷鏡式露點(diǎn)儀，露點(diǎn)測量范圍為-60℃～40℃，測量誤差為±0.01℃；測試設(shè)備為國產(chǎn)SYSD型一等標(biāo)準(zhǔn)雙壓法濕度發(fā)生器，其產(chǎn)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(gè)溫度點(diǎn)。-30℃時(shí)，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95%7個(gè)濕度測試點(diǎn)。由于被試件技術(shù)指標(biāo)不同，-10℃和20℃時(shí)，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測試點(diǎn)，其余被試件選取15%測試點(diǎn)，其他測試點(diǎn)與-30℃時(shí)相同。每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)測試，每個(gè)濕度測試點(diǎn)有兩對不同濕度變化趨勢的數(shù)據(jù)。
2穩(wěn)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(wěn)定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測試點(diǎn)誤差與使用前各濕度測試點(diǎn)誤差的差值，其中濕度測試點(diǎn)誤差為該測試點(diǎn)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(guī)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(guī)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(shè)備型號對誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。為檢驗(yàn)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，對使用后靜態(tài)測試中14支濕敏電容傳感器的合格率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。
3穩(wěn)定性分析結(jié)果
3.1誤差年漂移量隨溫度變化情況測試時(shí)選取了-30℃，-10℃和20℃3個(gè)溫度點(diǎn)，圖1為各被試件在不同溫度點(diǎn)誤差年漂移量的箱形圖，每個(gè)箱形的數(shù)據(jù)為7個(gè)濕度測試點(diǎn)的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點(diǎn)為最大值，最低點(diǎn)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(nèi)線為中位線，箱外“+”點(diǎn)為異常值。從圖中可以看出，對大多數(shù)被試件來說，低溫時(shí)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(shí)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(guī)律，文中計(jì)算了誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語及定義技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)測量次數(shù)小于9次時(shí)，采用極差法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，如式（1）：表2給出了各被試件在不同溫度點(diǎn)時(shí)誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。總體來看，各被試件在-30℃時(shí)誤差年漂移量的區(qū)間為[-5.62，0.82]，-10℃時(shí)為[-3.73，0.95]，20℃時(shí)為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。
3.220℃時(shí)誤差年漂移量的變化規(guī)律南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時(shí)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(shè)備型號將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時(shí)8種型號的觀測設(shè)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(shè)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(fù)向移動(dòng)。在低濕點(diǎn)（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點(diǎn)（＞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(guān)系來看，II、III、V、VI型觀測設(shè)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(shè)備的兩套被試件除50%RH測試點(diǎn)存在1.81%RH的差異外，其余測試點(diǎn)誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測設(shè)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(fā)生往往與多個(gè)因素有關(guān)，但各個(gè)因素對事件發(fā)生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗(yàn)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(yàn)誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對測試點(diǎn)溫度、測試點(diǎn)濕度、觀測設(shè)備型號進(jìn)行3因素方差檢驗(yàn)，得出3個(gè)因素及其交互作用對誤差年漂移量的影響。為確定結(jié)果是否是“統(tǒng)計(jì)上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規(guī)定當(dāng)α值小于0.01時(shí)，結(jié)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(shè)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(shè)計(jì)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(zhǔn)確性和連續(xù)性，要求氣象儀器具有較好的穩(wěn)定性。因此氣象儀器必須進(jìn)行周期檢定以保障其準(zhǔn)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(wěn)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(yàn)的14套被試件經(jīng)過一年的動(dòng)態(tài)比對試驗(yàn)，使用后的靜態(tài)測試中有3套被試件仍符合技術(shù)指標(biāo)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(chǎn)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(guī)程第26部分：地面氣象自動(dòng)觀測儀》中規(guī)定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據(jù)本文研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過一年的使用，超過3/4的傳感器不能滿足技術(shù)要求。為保證濕敏電容傳感器的測量準(zhǔn)確度，德國科學(xué)工作者建議幾周校準(zhǔn)一次[8]，我國也建議應(yīng)每半年采用兩種飽和鹽溶液對濕敏電容傳感器進(jìn)行兩點(diǎn)調(diào)校。
4結(jié)束語
本文在觀測設(shè)備使用前和使用后對其濕敏電容傳感器進(jìn)行了兩次靜態(tài)測試并針對穩(wěn)定性對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。以誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性，分析了誤差年漂移量的變化規(guī)律，得出的結(jié)論如下：（1）誤差年漂移量在-30℃，-10℃和20℃時(shí)的置信區(qū)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(shí)的穩(wěn)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(diǎn)（≤40%RH）誤差年漂移量的置信區(qū)間為[-2.38，2.30]，高濕點(diǎn)（＞80%RH）為[-4.50，2.42]。說明室溫時(shí)，在高濕環(huán)境中，濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性較差。使用前各被試件在高濕點(diǎn)的測量誤差平均為-2.07%RH，使用后為-4.00%RH，說明經(jīng)過一年的使用濕敏電容傳感器的高濕性能變差。（3）文中進(jìn)行了3因素方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明，溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設(shè)計(jì)制造水平對濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性有顯著影響。（4）有78.6%的濕敏電容傳感器經(jīng)過1年的使用后不符合地面氣象觀測的準(zhǔn)確度要求，因此建議規(guī)定半年檢定一次，但這會增加人力、物力、財(cái)力等各項(xiàng)開支，其可行性需要進(jìn)一步研究。
作者：蘇騰王曉蕾葉松陳曉穎慕新倉孫學(xué)金馬祥輝郭俊單位：解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院
