1.1一般性考慮事項(xiàng)

檢測(cè)相對(duì)濕度的傳感器組件由一個(gè)傳感元件組成——在大多數(shù)情況下是一種聚合物——它根據(jù)周圍的條件吸收并分解水分子。氣體分子進(jìn)入和離開(kāi)固體物質(zhì)的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，并具有大量的特殊效應(yīng)。

相對(duì)濕度傳感器的精度可以用三個(gè)不同的、相當(dāng)獨(dú)立的術(shù)語(yǔ)來(lái)表征：校準(zhǔn)精度、滯后性和長(zhǎng)期漂移。除此之外，還考慮了短期穩(wěn)定性、極值條件行為（即在非常寒冷、炎熱、潮濕或干燥的環(huán)境中），以及非鋰的接近性。

1.2 準(zhǔn)確性 - 校準(zhǔn)

校準(zhǔn)準(zhǔn)確性是準(zhǔn)確性規(guī)格的主要組成部分。它提供了關(guān)于個(gè)別傳感器讀數(shù)在平衡狀態(tài)下的偏差信息，相對(duì)于校準(zhǔn)時(shí)刻的高精度參考（通常理解為銷售時(shí)的時(shí)間）。校準(zhǔn)準(zhǔn)確性的主要容差原因包括批次內(nèi)變異（例如校準(zhǔn)室內(nèi)的條件均勻性）、批次間變異、校準(zhǔn)參考的精度以及傳感器的穩(wěn)定性。校準(zhǔn)準(zhǔn)確性是相對(duì)于露點(diǎn)鏡（即高精度參考）來(lái)測(cè)量的。因此，用戶應(yīng)該能夠復(fù)現(xiàn)該值。Sensirion通過(guò)兩個(gè)不同的參數(shù)來(lái)指定校準(zhǔn)準(zhǔn)確性：最大準(zhǔn)確性和典型準(zhǔn)確性。

準(zhǔn)確性分布：對(duì)于一組傳感器，如生產(chǎn)批次，測(cè)量偏差相對(duì)于參考值的分布遵循正態(tài)分布。它由平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ來(lái)表征。

圖1傳感器繞平均值的偏差分布。

μ±2σ范圍的目標(biāo)是符合典型的精度限制，而μ±4σ范圍的目標(biāo)是符合最大的精度限制。

典型精度：集成系統(tǒng)的精度分布目標(biāo)是在μ±2σ范圍內(nèi)符合典型精度限制。

最大精度：集成系統(tǒng)的精度分布目標(biāo)是在μ±4σ范圍內(nèi)符合最大精度限制。這等同于目標(biāo)過(guò)程能力指數(shù)Cpk ≥ 1.33。100%的最終測(cè)試和樣本測(cè)試確保只有滿足最大精度限制的傳感器才符合銷售資格。

除非另有說(shuō)明，否則精度限制適用于整個(gè)供電電壓范圍。不同溫度下的相對(duì)濕度(RH)精度在相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)中說(shuō)明。

1.3 精度 - 滯后效應(yīng)

滯后值是指在一定記錄點(diǎn)上，同一傳感器在干燥環(huán)境和潮濕環(huán)境下測(cè)量值的差異——前提是環(huán)境停留時(shí)間足夠長(zhǎng)。換句話說(shuō)，濕度傳感器對(duì)其最近經(jīng)歷的條件有一定的“記憶”。具有干燥歷史的傳感器會(huì)帶有一些負(fù)偏移，而具有潮濕歷史的傳感器則會(huì)帶有一些正偏移。滯后效應(yīng)是由傳感器元件的組成和設(shè)計(jì)造成的。由于滯后效應(yīng)并不依賴于校準(zhǔn)質(zhì)量，而是依賴于應(yīng)用中的暴露范圍，因此這個(gè)值被認(rèn)為是校準(zhǔn)精度之外的附加值。

圖2 滯后測(cè)量示例。

測(cè)量從干燥到濕潤(rùn)和從濕潤(rùn)到干燥的路徑（圖上的實(shí)心點(diǎn)）。每個(gè)對(duì)數(shù)點(diǎn)的停留時(shí)間為40分鐘。空心點(diǎn)代表平均值，即校準(zhǔn)精度。

校準(zhǔn)精度和滯后值是通過(guò)在全濕度循環(huán)15% → 30% → 50% → 70% → 90% → 90% → 70% → 50% → 30% → 15%中運(yùn)行傳感器來(lái)確定的，每個(gè)記錄點(diǎn)的停留時(shí)間為40分鐘。為了確定在特定濕度值下的校準(zhǔn)精度，從上升路徑和下降路徑測(cè)量的值計(jì)算平均值。測(cè)量值與平均值之間的差異決定了滯后值。從一批傳感器中可以確定各種校準(zhǔn)精度值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用這些值可以檢查典型極限的符合性（見(jiàn)圖3）。

圖3 準(zhǔn)確度分布示例

符合（左側(cè)）或不符合（右側(cè)）指定的準(zhǔn)確度限制。開(kāi)放點(diǎn)代表平均值。誤差條表示μ±2σ范圍，并旨在保持在典型限制之內(nèi)。

1.4 精度 - 長(zhǎng)期漂移

傳感器元件的老化可能導(dǎo)致測(cè)量值與參考值相比出現(xiàn)漂移。這種長(zhǎng)期漂移是隨機(jī)的——它可能向上或向下移動(dòng)，或者隨時(shí)間改變方向。長(zhǎng)期漂移值是每年此類漂移的最大限度。

在Sensirion的情況下，長(zhǎng)期漂移是通過(guò)將一批傳感器暴露于高溫運(yùn)行壽命（HTOL）測(cè)試中確定的，測(cè)試條件為125°C下運(yùn)行408小時(shí)。這種暴露相當(dāng)于在25°C下更長(zhǎng)時(shí)間的老化，可以通過(guò)以下公式計(jì)算:

1.5 短期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性可以通過(guò)重復(fù)性來(lái)表征，即在相同條件下使用同一傳感器進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。此類術(shù)語(yǔ)的度量標(biāo)準(zhǔn)是重復(fù)性測(cè)量樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差。1.6 極端條件

電容式濕度傳感器在非常濕潤(rùn)和非常干燥的條件下會(huì)發(fā)生可逆漂移。以 Sensirion 濕度傳感器為例，在相對(duì)濕度大于 80%RH 的情況下——濕度越高，漂移越強(qiáng)——傳感器讀數(shù)會(huì)逐漸偏高。參考值是在恒定的 90%RH 下暴露 60 小時(shí)給出的。在非常干燥的條件下，如回流焊接，傳感器讀數(shù)也會(huì)逐漸偏低。此時(shí)需要進(jìn)行重新水合程序，將傳感器恢復(fù)到其正常讀數(shù)狀態(tài)。

1.7 非線性

此術(shù)語(yǔ)指的是校準(zhǔn)點(diǎn)之外的系統(tǒng)性偏差。通過(guò)線性化公式可以校正傳感器輸出以及溫度補(bǔ)償?shù)倪@種偏差。因此，使用適當(dāng)?shù)墓娇梢詫⒎蔷€性減小到非常小的程度。非線性值包含在準(zhǔn)確度容差內(nèi)，不應(yīng)被視為額外的項(xiàng)。

1.8 響應(yīng)時(shí)間

對(duì)于響應(yīng)時(shí)間，Sensirion指定了一個(gè)所謂的τ63%或者等效的τ1/e時(shí)間。對(duì)于暴露于突變環(huán)境中的傳感器（測(cè)量物理值的階躍函數(shù)），傳感器讀數(shù)通常隨時(shí)間以指數(shù)函數(shù)接近最終值。τ63%時(shí)間從傳感器環(huán)境變化的時(shí)刻開(kāi)始，直到傳感器讀數(shù)達(dá)到階躍高度的63%（見(jiàn)圖4）。

圖4 相對(duì)濕度響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的測(cè)量剖面

在測(cè)試響應(yīng)時(shí)間時(shí)，重要的是除了要測(cè)試的參數(shù)外，所有其他參數(shù)都保持不變。同時(shí)，必須確保系統(tǒng)啟動(dòng)的階躍函數(shù)與傳感器體驗(yàn)的階躍函數(shù)之間沒(méi)有死時(shí)間。對(duì)于溫度測(cè)量，基材的熱質(zhì)量和熱導(dǎo)率起著重要作用。因此，溫度響應(yīng)時(shí)間值被規(guī)定得非常模糊。

1.9 供電電壓

供電電壓（VDD）范圍由上限和下限以及典型值定義。在該范圍內(nèi)任何供電電壓均可用于連續(xù)操作。數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定了僅限于有限時(shí)間內(nèi)可以施加的絕對(duì)最大電壓。典型值定義了傳感器校準(zhǔn)和質(zhì)量控制執(zhí)行時(shí)的供電電壓。

1.10 電流和能量消耗

在操作過(guò)程中，傳感器會(huì)吸收一定的供電電流（IDD）。在空閑狀態(tài)時(shí)，這個(gè)電流與測(cè)量/通信時(shí)的電流是不同的。此外，在一組傳感器中，電流消耗存在一定的變化。集合的平均值被指定為典型值，而最小值和最大值定義了下限和上限。

功耗（P）的計(jì)算公式為 P = IDD * VDD，其中 IDD 是供電電流，VDD 是指定的恒定供電電壓。為了確定隨時(shí)間變化的平均功耗，我們需要考慮特定的測(cè)量分辨率和測(cè)量頻率（在相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中有所指示）。然后，平均功耗是在測(cè)量間隔內(nèi)測(cè)量時(shí)間和空閑狀態(tài)時(shí)間之間平均的功耗。對(duì)于指定的測(cè)量分辨率和頻率，隨時(shí)間的平均供電電流與平均功耗通過(guò)恒定的供電電壓VDD相關(guān)聯(lián)。請(qǐng)注意，在啟動(dòng)階段或在其他傳感器功能運(yùn)行期間會(huì)消耗額外的功率。

名詞解釋

露點(diǎn)：露點(diǎn)是空氣必須冷卻（在恒定氣壓下）到的溫度，以便水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)成液態(tài)水。

絕對(duì)濕度：絕對(duì)濕度是指在特定體積的干空氣中水蒸氣的質(zhì)量。單位是[g/m3]。

混合比混合比是：指在特定質(zhì)量的干空氣中水蒸氣的質(zhì)量。單位是[g/kg]。

熱指數(shù)：是根據(jù)實(shí)際氣溫和相對(duì)濕度來(lái)表達(dá)“感知”的空氣溫度。它是根據(jù)國(guó)家氣象服務(wù)和國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的天氣預(yù)報(bào)辦公室確定的。