地面气象六要素智能采集系统 第5页
量湿度快速脉动的方法。但是由于目前还有许多技术问题未能得到较满意的解决。随这相关技术的进一步完善，也许将来会更多的使用光学测量法。
因此，自动气象观测系统所使用的湿度传感设备，目前仍多为电学湿度测量法。下面就电学测量的一般性原理和应用作一些粗浅的探讨。
电学测试法所使用的测湿元件主要有：碳膜测湿片和高分子薄膜湿敏电容等。
1）碳膜湿度片使用溶胀性较好的高分子聚合物－烃乙基纤维素和聚丙烯酰胺为感湿材料，加上导电材料碳黑，以及分散剂凝胶配置成的胶状液体，浸渍到聚苯乙烯片基上。片基长边两侧溅射上银电极。
简要工作原理：高分子聚合物吸湿后膨胀，使悬浮于其中的碳粒子接触概率减小，元件电阻增大；反之，当湿度降低时，聚合物脱水收缩，使碳粒子相互接触概率增加，元件电阻值减小，通过测量元件电阻值便可以确定空气相对湿度。取相对湿度33％时的电阻值 为基准，在其它相对湿度下建立电阻比值 与相对湿度间的对应关系，据此来测得相对湿度。
2）高分子薄膜湿敏电容的构成及其简要工作原理。高分子薄膜湿敏电容的结构如图：

 

 

 

 

 

 

在一个有机玻璃或玻璃片上首先用扩散法制作两个金电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件。感湿膜厚度仅（0.5～1）m，直接关系到测湿特性；太薄会使表面与底部的电极短路，太厚则使时间常数增大，以至完全不能感湿。基片厚约0.5mm，长、宽约5mm。由于电极引线很短、表面电极薄，难于焊接，因此两根引线都从基片上引出，形成两个电容串联的形式。相对湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数发生变化，从而使元件电容量改变。利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。高分子薄膜湿敏材料主要有聚酰亚胺(Polyimide)、醋酸丁酸纤维素、聚砜(Polysulfone)等。
当元件吸收（或释放）水汽时，吸湿材料的介质常数发生改变，从而使元件电容发生变化。根据电容的变化量便可测得相应的湿度。在实际是使用中湿敏电容是通过转换为一定的电信号来体现的。
由于湿敏元件的离散性，电路应有零点和满量程调整电路，在校准时使用两种不同的恒湿盐，在相对湿度为10％和80％两点调整输出的零值和满量程值，并保证期间的非线性偏差低于1％。
2.3.4误差分析
湿度的误差主要是原理性测量误差，而这类误差主要由于所使用的测试元件所引起。下面对次问题进行一些分析。主要误差来源:
2.3.4.1滞后与迟滞误差

 

 

 

 

常温条件下，湿敏电容的动态响应较迅速，时间常数在30s左右，如图2-3所示。常温下迟滞误差也较小，约为1％RH～2%RH。
饱和水汽压随温度的变化呈指数关系，低温时，即使相对湿度达到了100%，空气中的水汽压也很小。因此，低温下吸附式测湿元件较难达到与空气湿度的平衡，滞后误差和迟滞误差均明显增大。表4－8列出了某厂生产的10支湿敏电容传感器在－30℃时迟滞误差的实际测量结果。可以看出，该批湿敏电容的迟滞误差在相同的温度下有较大的分散性，且随温度的降低明显增大，甚至大到20%RH。
表2-3: －30℃时10支湿敏电容迟滞误差的测试结果       单位： %RH
       感器号
测试点%RH 72 33 39 64 71 60 70 69 38 63
59 3.1 12.1 3.6 6.8 4.6 5.8 10.0 4.5 3.6 8.2
51 4.5 17.0 4.0 8.5 6.0 9.4 14.5 7.1 6.5 11.7
37 5.3 19.3 5.1 10.3 7.4 11.4 17.5 8.0 6.9 14.9
22 5.1 18.6 5.3 11.1 8.0 11.1 16.8 8.4 7.1 14.2
15 4.2 13.1 4.5 8.3 6.4 9.0 12.2 6.8 6.0 11.2
2.3.4.2温度误差
温度不但影响湿敏电容的迟滞特性，也直接影响其感湿特性。图4－29列出的是同一支湿敏电容25℃、5℃和－30℃的测试结果。可以看出，低湿时，三种温度条件下几乎都与标准值相差不大；而高湿时，与标准湿度值比较， 25℃下约偏低3%RH，5℃下约偏低5%RH，－30℃下偏低达30%RH以上。即随着温度的降低，湿敏电容传感器的放大倍率明显变小，从而造成温度误差。
温度误差可以在测量电路上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异很大，但仍与元件本身的温度特性有关。一般，将感湿元件和测量电路的温度系数合在一起考虑，采用软件补偿方法，即通过在各温度条件下的湿敏特性测试，采用查表及插值求出温度补偿后的测量值；或采用多元非线性拟合，求出温度补偿公式。经补偿后，温度系数约为0.1～0.4pF/℃。下式是HD公司的HM1500型湿敏电容的温度补偿公式：
图2-4  湿敏电容传感器不同温度时的测湿结果
U = V out ×10 –3 （39.1 －0.056Ta）－38.5
实现温度误差的软件补偿，必须具备能够在较宽温度范围内进行湿度测试检定的设备，这是我国发展湿度敏感元件的当务之急。
2.3.4.3基点漂移
湿敏电容属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，引起其基点漂移。一般，湿敏电容传感器的基点漂移较其它气象传感器都要显著，年稳定性约为0.5%～1.0%RH/year。因此，检定周期较短，要求半年检定一次。
若污染严重，基点漂移量过大，又不能再生，只能将传感器作报废处理。
2. 4气压的测量
2.4.1概述
气压的概念：单位面积上大气分子运动所产生的压力，称为气压。气压在数值上等于单位面积上从所在地点垂直向上延伸直至大气上界的整个空气的重量，即：   —高度为z的测站所受的大气压强； —空气密度；g —重力加速度。
压强的计量单位：WMO规定，气象上用百帕作为气压的计量单位，符号是 。
压力的分类：压力分为绝对压力和表压力。绝对压力是以真空作为参考压力的差压；表压力是以环境气压作为参考压力的差压，其压力是对于大气压的相对值。气象上所的压力是一种绝对压力，气压表是绝压的，是基于与大气重力平衡原理的气压测量仪表，都有一个“真空参考端”。
2.4.2压力的测量方法
自1963年水银气压表发明以来，气压测量技术有了很大的发展，气压测量通常采用力平衡的方法。这些方法是：
液柱式：利用液体压力来平衡，如水银气压表；
活塞式：利用专用砝码的重力总用在活塞的有效面积上所产生的压力来平衡压力，传压介质有液体和气体两种；
弹力式：利用固体材料形变产生的弹性力来平衡气压，如空盒气压表；
随着传感器技术的发展现在还有以下几种：
谐振式：振筒气压仪；
气体测压：沸点气压仪；
半导体式：硅压阻
2.4.3测压元件
空盒：利用金属弹力与大气压强相平衡的原理来测定气压；
振动筒压力传感器；
石英晶体谐振梁压力传感器；
硅压阻传感器：其简要工作原理是半导体材料在外界应力的作用下，禁带宽度发生变化，从而使得载流子的浓度和迁移率发生变化，从而使得材料的电阻发生变化。具体是用单晶硅制成硅环，在硅杯感应膜片上，取径向为坐标轴，在膜片边缘

上一页  [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]  ... 下一页  >>