CN105807340B - 一种船用温湿度传感器的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用温湿度传感器的温度补偿方法，包括温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路的构建、温湿度传感器放大电路温度特性的确定以及温度补偿方法，温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路包括直流斩波器、低噪声前置放大器、带通滤波器、交流放大器、移相器、驱动电路、乘法器、积分器及直流放大器；温湿度传感器放大电路温度特性的确定是确定放大电路温度特性曲线；温度补偿方法是建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程。本发明通过对处于不同环境温度下的温湿度传感器放大电路进行温度补偿，满足了船用温湿度传感器在不同温度环境下对测量精度的要求，能显著提高温湿度传感器的测量精度。

Description

一种船用温湿度传感器的温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种温度补偿方法，具体是一种船用温湿度传感器的温度补偿方法。

背景技术

在海滨观测规范中，气象观测项目主要有风速、风向、大气压、空气温度、相对湿度、海面有效能见度、降水量、雾等气象要素。船舶海洋水文气象观测项目包括气压、气温、相对湿度、风、云、天气现象、海面有效能见度等气象要素。因此可见，气温和相对湿度是气象观测要素中的主要要素。

在国标海洋调查规范海洋气象观测中规定，空气温度是表示空气冷热程度的物理量，以摄氏度（℃）为单位；空气相对湿度是表示空气中实际所含水蒸汽的密度和同温下饱和水蒸气密度的百分比值，以百分数（%）表示。

测量空气温度的仪器主要有干湿球温度表和铂电阻温度传感器。其中，干湿球温度表是根据水银的热胀冷缩的物理特性制成的，不存在温度补偿措施；铂电阻温度传感器是根据铂电阻的电阻值随温度变化并输出电信号的原理来测定温度的，这种传感器机械结构复杂，没有针对传感器的温度补偿措施或补偿方法。

测量相对湿度的仪器主要有通风干湿表和湿敏电容湿度传感器。其中，通风干湿表的原理是利用机械或电动通风装置，使温度表球部处于恒定速度的气流中以获得测量数据，不存在温度补偿措施；湿敏电容湿度传感器是通过有机高分子膜制作的一种小型电容器，同样没有针对传感器的温度补偿措施或补偿方法。

目前，国内的温度传感器和相对湿度传感器是相互独立分开的，温度传感器是通过铂电阻设计温度转换电路进行温度的测量，相对湿度传感器是湿敏电容，电信号的处理电路比较复杂，无论是温度测量还是湿度测量都没有针对转换电路的温度补偿措施；国外的温湿度传感器没有自主知识产权，在保障及维护方面存在一定的风险，并且同样没有针对传感器测量方面的温度补偿措施或补偿方法。

国内外已有的温湿度传感器在性能上虽然可以基本满足要求，但是存在如下问题：温湿度传感器的测量精度会随着环境温度的变化而发生变化，尤其是在船用的恶劣海洋条件下，导致这个问题的原因是：温湿度传感器中的温湿度敏感元件感知环境输出微弱的温度和湿度电信号，该电信号经过放大电路放大，转换电路转换后输出温湿度测量结果，但是在微弱的电信号在传输过程中还存在着背景噪声以及传感器放大电路的温漂，从而影响到温湿度传感器的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环境适应性好、可靠性高的船用温湿度传感器的温度补偿方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种船用温湿度传感器的温度补偿方法，包括温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路的构建、温湿度传感器放大电路温度特性的确定以及温度补偿方法，所述的温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路包括直流斩波器、低噪声前置放大器、带通滤波器、交流放大器、移相器、驱动电路、乘法器、积分器及直流放大器；所述的温湿度传感器放大电路温度特性的确定包括随机的三组放大电路置于恒温恒湿试验机内进行温度等间隔递增变化，记录三组放大电路的数据并进行数据处理，得到放大电路温度特性曲线；所述的温度补偿方法包括通过放大电路温度特性曲线，结合转换电路中电压-温度转换系数和电压-相对湿度转换系数，建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程，即放大电路温度补偿方法。

所述温湿度传感器敏感元件微弱信号在提取时，温湿度传感器敏感元件输出的微弱信号是直流电信号，该信号中包含有效信号和噪声信号，经过提取放大电路将有效信号和噪声信号分离，所述直流斩波器将恒定的直流信号转换成周期性变化的信号，该信号分为两路，分别进入信息通道和参考通道；信息通道中，信号经过低噪声前置放大器的两级放大和带通滤波器，滤除远离有效信号频段的部分噪声，参考通道中，信号产生恒定相移；所述乘法器对信息信号和参考信号进行自相关运算提高信噪比，再经过积分器与直流放大器，输出易于测量的直流电压信号。

所述温湿度传感器放大电路温度特性的确定是通过电阻箱和惠斯通电桥电路产生微弱电压信号作为放大电路的输入信号，该信号与温湿度传感器敏感元件的输出信号一致，将随机的三组放大电路置于恒温恒湿试验机内，恒温恒湿试验机内温度从-50℃~50℃之间以10℃的温度等间隔递增变化，依次记录放大电路的输出值，再对数据记录值进行数据处理，通过采用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到放大电路输出偏差随环境温度的变化的关系式，，（其中：为放大电路输出电压偏差值，T为环境温度），进而得到放大电路温度特性曲线。

所述温度补偿方法是利用放大电路温度特性曲线，结合后续转换电路中电压-温度转换系数和电压-相对湿度转换系数，采用多元回归分析方法，选取多种拟合方程对温度特性研究所得到的关系曲线进行拟合，采用最小二乘法对选取的多种拟合方程进行分析和评估，建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程，，（其中：为补偿后的温度，为补偿后的相对湿度），即放大电路温度补偿方法，利用温湿度传感器本身具有的温度测量功能，将测得的实时温度数据反馈到放大电路温度补偿方法中，得到温湿度补偿值，再利用补偿值对传感器测量值进行修正，从而减小温湿度传感器输出值中由放大电路温漂引起的误差，保证传感器测量精度。

作为本发明进一步的方案：

作为本发明再进一步的方案：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对引起温湿度传感器测量误差的背景噪声和传感器放大电路的温漂，利用温度补偿方法建立温度补偿模型并且融和到温湿度传感器的程序中，通过对处于不同环境温度下的温湿度传感器放大电路进行温度补偿，满足了船用温湿度传感器在不同温度环境下对测量精度的要求，适用于船用海洋环境的温湿度传感器温度补偿方法，能显著提高温湿度传感器的测量精度。

附图说明

图1为本发明中温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路的原理图。

图2为本发明中温湿度传感器放大电路温度特性的确定的流程图。

图3为本发明中1#放大电路输出值随温度变化曲线示意图。

图4为本发明中电阻设定100Ω时放大电路输出值随温度变化曲线示意图。

图5为本发明中1#放大电路输出偏差值随环境温度变化曲线示意图。

图6为本发明中1#放大电路的温度特性曲线示意图。

图7为本发明中2#放大电路输出值随温度变化曲线示意图。

图8为本发明中2#放大电路输出偏差值随环境温度变化曲线示意图。

图9为本发明中2#放大电路的温度特性曲线示意图。

图10为本发明中3#放大电路输出值随温度变化曲线示意图。

图11为本发明中3#放大电路输出偏差值随环境温度变化曲线示意图。

图12为本发明中3#放大电路的温度特性曲线示意图。

图13为本发明中复合温度特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-13，一种船用温湿度传感器的温度补偿方法，包括温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路的构建、温湿度传感器放大电路温度特性的确定以及温度补偿方法，所述的温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路包括直流斩波器、低噪声前置放大器、带通滤波器、交流放大器、移相器、驱动电路、乘法器、积分器及直流放大器；所述的温湿度传感器放大电路温度特性的确定包括随机的三组放大电路置于恒温恒湿试验机内进行温度等间隔递增变化，记录三组放大电路的数据并进行数据处理，得到放大电路温度特性曲线；所述的温度补偿方法包括通过放大电路温度特性曲线，结合转换电路中电压-温度转换系数和电压-相对湿度转换系数，建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程，即放大电路温度补偿方法。

请参阅图1，所述温湿度传感器敏感元件微弱信号在提取时，温湿度传感器敏感元件输出的微弱信号是微弱直流电信号，该信号中包含有效信号和噪声信号，在时域中很难将有效信号从噪声中分离出来，需要将时域信号转换成频率信号，再通过放大电路进行处理，信号放大电路包括直流斩波器、低噪声前置放大器、带通滤波器、交流放大器、移相器、驱动电路、乘法器、积分器及直流放大器等部分，经过提取放大电路将有效信号和噪声信号分离，所述直流斩波器将恒定的直流信号转换成周期性变化的信号，该信号分为两路，分别进入信息通道和参考通道；信息通道中，信号经过低噪声前置放大器的两级放大和带通滤波器，滤除远离有效信号频段的部分噪声，参考通道中，信号产生恒定相移；所述乘法器对信息信号和参考信号进行自相关运算提高信噪比，再经过积分器与直流放大器，输出易于测量的直流电压信号。

请参阅图2，所述温湿度传感器放大电路温度特性的确定是通过电阻箱和惠斯通电桥电路产生微弱电压信号作为放大电路的输入信号，该信号与温湿度传感器敏感元件的输出信号一致，将随机的三组放大电路置于恒温恒湿试验机内，恒温恒湿试验机内温度从-50℃~50℃之间以10℃的温度等间隔递增变化，依次记录放大电路的输出值，为避免放大电路的个体差异性，选取同样电路配置的3组放大电路，分别标记为1#、2#、3#。对记录的数据进行分类，将1#放大电路的同一输入值对应的输出值归为1组，共11组，绘制1#放大电路在相同输入的情况下，输出值随环境温度变化的曲线，如图3和图4所示。用11组测量输出值分别与对应理论输出值相比较（理论输出值是指针对不同输入值，放大电路的设计输出值），输出偏差如图5所示。从图中可以看出，偏差值随环境温度的变化而逐渐变化。比较不同输入值对应的11组输出偏差曲线，发现其变化趋势是一致的。11组输出偏差曲线内包含的这种规律性偏差正是由放大电路的温漂造成的。将11组输出偏差曲线进行积分叠加，从中分离出由于放大电路温漂引起的输出偏差，如图6中“○”所示。采用最小二乘法拟合，得到1#放大电路的温度特性方程（1），拟合误差为0.4mV（RMS），其特性曲线如图6所示。

（1）

其中：为放大电路输出电压偏差值，T为环境温度。

采用相同的数据处理方法，绘制出2#放大电路在相同输入的情况下，输出值随环境温度变化的曲线，如图7所示。用11组测量输出值分别与对应理论输出值相比较，输出偏差如图8所示。从图中可以看出，偏差值随环境温度的变化而逐渐变化。比较不同输入值对应的11组输出偏差曲线，发现其变化趋势是一致的。这一现象与1#放大电路类似。将11组输出偏差曲线进行积分叠加，从中分离出由于放大电路温漂引起的输出偏差，如图9中“□”所示。采用最小二乘法拟合，得到2#放大电路的温度特性方程（2），拟合误差为0.5mV（RMS），其特性曲线如图9所示。

（2）

其中：为放大电路输出电压偏差值，T为环境温度。

采用相同的数据处理方法，绘制出3#放大电路在相同输入的情况下，输出值随环境温度变化的曲线，如图10所示。用11组测量输出值分别与对应理论输出值相比较，输出偏差如图11所示。从图中可以看出，偏差值随环境温度的变化而逐渐变化。比较不同输入值对应的11组输出偏差曲线，发现其变化趋势是一致的。这一现象与1#和2#放大电路类似。将11组输出偏差曲线进行积分叠加，从中分离出由于放大电路温漂引起的输出偏差，如图12中“＊”所示。采用最小二乘法拟合，得到3#放大电路的温度特性方程（3），拟合误差为0.6mV（RMS），其特性曲线如图12所示。

（3）

其中：为放大电路输出电压偏差值，T为环境温度。

所述温度补偿方法是利用放大电路温度特性曲线，结合后续转换电路中电压-温度转换系数和电压-相对湿度转换系数，采用多元回归分析方法，选取多种拟合方程对温度特性研究所得到的关系曲线进行拟合，采用最小二乘法对选取的多种拟合方程进行分析和评估，建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程，，（其中：为补偿后的温度，为补偿后的相对湿度），即放大电路温度补偿方法，利用温湿度传感器本身具有的温度测量功能，将测得的实时温度数据反馈到放大电路温度补偿方法中，得到温湿度补偿值，再利用补偿值对传感器测量值进行修正，从而减小温湿度传感器输出值中由放大电路温漂引起的误差，保证传感器测量精度。

温度补偿方法利用数学模型对得到的温度特性进行描述，通过温度补偿技术，对放大电路温漂引起的误差进行补偿。采用回归分析方法，对1#、2#、3#放大电路的温度特性曲线进行重新拟合，得到放大电路的复合温度特性曲线，如图13所示。其拟合误差为5.1mV（RMS），拟合方程为：

（4）

其中：为放大电路输出电压偏差值，T为环境温度。

根据拟合方程（4）可知，环境温度变化导致的放大电路输出电压产生偏差范围是-5.6mV~6.2mV。

放大电路输出电压经过AD转换计算后，得到相应的温度和相对湿度值.根据设计，电压-温度转换系数，电压-湿度转换系数。当温湿度传感器测得的环境温度为T时，放大电路温漂引起的电压偏差转换成温度误差和湿度误差表示为

（5）

（6）

设补偿后的温度和相对湿度分别为和，则有

（7）

综上所述，温湿度传感器温度补偿方法方程为：

为验证温度补偿方法的效果，制作三台温湿度传感器原理样机，对经过温度补偿的三台温湿度传感器原理样机以及一台未经温度补偿的温湿度传感器进行验证试验，验证试验均在山东省海洋环境监测重点实验室进行。试验数据如表1~8所示。试验结果表明：经温度补偿的温湿度传感器温度测量最大误差为0.2℃，相对湿度测量最大误差为1.3%RH，未经温度补偿的温湿度传感器温度测量最大误差为0.5℃，相对湿度测量最大误差为3.2%RH，由此可见，经温度补偿的温湿度传感器的测量精度远优于气象规范的要求以及现用船载温湿度传感器的测量精度，本发明温湿度传感器配备有专用百叶箱，并进行了陆试和海试，环境适应性好，可靠性高，完全可以满足港口、岸站、舰船等海洋环境的气象观测要求。

表1：1#温湿度传感器温度准确性测试结果

表2：1#温湿度传感器相对湿度准确性测试结果

表3：2#温湿度传感器温度准确性测试结果

表4：2#温湿度传感器相对湿度准确性测试结果

表5：3#温湿度传感器温度准确性测试结果

表6：3#温湿度传感器相对湿度准确性测试结果

表7：4#温湿度传感器温度准确性测试结果

表8：4#温湿度传感器相对湿度准确性测试结果

本发明针对引起温湿度传感器测量误差的背景噪声和传感器放大电路的温漂，利用温度补偿方法建立温度补偿模型并且融和到温湿度传感器的程序中，通过对处于不同环境温度下的温湿度传感器放大电路进行温度补偿，满足了船用温湿度传感器在不同温度环境下对测量精度的要求，适用于船用海洋环境的温湿度传感器温度补偿方法，能显著提高温湿度传感器的测量精度。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种船用温湿度传感器的温度补偿方法，其特征在于，包括温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路的构建、温湿度传感器放大电路温度特性的确定以及温度补偿方法，所述的温湿度传感器敏感元件微弱信号提取放大电路包括直流斩波器、低噪声前置放大器、带通滤波器、交流放大器、移相器、驱动电路、乘法器、积分器及直流放大器；所述的温湿度传感器放大电路温度特性的确定包括随机的三组放大电路置于恒温恒湿试验机内进行温度等间隔递增变化，记录三组放大电路的数据并进行数据处理，得到放大电路温度特性曲线；所述的温度补偿方法包括通过放大电路温度特性曲线，结合转换电路中电压-温度转换系数和电压-相对湿度转换系数，建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程，即放大电路温度补偿方法；

所述温湿度传感器敏感元件微弱信号在提取时，温湿度传感器敏感元件输出的微弱信号是直流电信号，该信号中包含有效信号和噪声信号，经过提取放大电路将有效信号和噪声信号分离，所述直流斩波器将恒定的直流信号转换成周期性变化的信号，该信号分为两路，分别进入信息通道和参考通道；信息通道中，信号经过低噪声前置放大器的两级放大和带通滤波器，滤除远离有效信号频段的部分噪声，参考通道中，信号产生恒定相移；所述乘法器对信息信号和参考信号进行自相关运算提高信噪比，再经过积分器与直流放大器，输出直流电压信号；

所述温湿度传感器放大电路温度特性的确定是通过电阻箱和惠斯通电桥电路产生微弱电压信号作为放大电路的输入信号，该信号与温湿度传感器敏感元件的输出信号一致，将随机的三组放大电路置于恒温恒湿试验机内，恒温恒湿试验机内温度从-50℃～50℃之间以10℃的温度等间隔递增变化，依次记录放大电路的输出值，再对数据记录值进行数据处理，通过采用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到放大电路输出偏差随环境温度的变化的关系式，进而得到放大电路温度特性曲线；

所述温度补偿方法是利用放大电路温度特性曲线，结合后续转换电路中电压-温度转换系数和电压-相对湿度转换系数，采用多元回归分析方法，选取多种拟合方程对温度特性研究所得到的关系曲线进行拟合，采用最小二乘法对选取的多种拟合方程进行分析和评估，建立温度及相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程，即放大电路温度补偿方法，利用温湿度传感器本身具有的温度测量功能，将测得的实时温度数据反馈到放大电路温度补偿方法中，得到温湿度补偿值，再利用补偿值对传感器测量值进行修正。

2.根据权利要求1所述的船用温湿度传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的放大电路输出偏差随环境温度的变化的关系式为ΔV＝f(T)，其中：ΔV为放大电路输出电压偏差值，T为环境温度。

3.根据权利要求1所述的船用温湿度传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述温度误差值与环境温度变化的映射关系方程为T′＝T-31.25×f(T)，其中：T′为补偿后的温度，所述相对湿度误差值与环境温度变化的映射关系方程RH′＝RH-31.25×f(T)，其中：RH′为补偿后的相对湿度。