在冷鏈物流監(jiān)控、冷庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)管理、極地環(huán)境監(jiān)測(cè)等低溫應(yīng)用場(chǎng)景中，溫濕度傳感器的測(cè)量精度直接影響數(shù)據(jù)可靠性。不少研發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，傳感器在常溫環(huán)境下測(cè)量準(zhǔn)確，但在零下溫度區(qū)間的測(cè)量值持續(xù)高于實(shí)際環(huán)境溫度，這種現(xiàn)象很大程度上源于傳感器自身的發(fā)熱誤差。自發(fā)熱是溫濕度傳感器工作時(shí)的固有特性，在低溫環(huán)境下由于熱量散發(fā)緩慢，誤差會(huì)被進(jìn)一步放大，需要重點(diǎn)分析激勵(lì)電流與工作占空比對(duì)誤差的影響規(guī)律。
其自發(fā)熱源于內(nèi)部電路的電能損耗。主流的集成式溫濕度傳感器內(nèi)部包含感溫元件、信號(hào)處理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作時(shí)會(huì)有微小電流通過電路產(chǎn)生熱量，這種現(xiàn)象被稱為焦耳熱。雖然單顆傳感器的靜態(tài)功耗通常僅為微瓦級(jí)，但在靜止空氣、低溫環(huán)境下，熱量難以通過空氣對(duì)流快速散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致傳感器自身的結(jié)溫高于周圍環(huán)境溫度，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其中溫度參數(shù)的測(cè)量偏差尤為明顯。
激勵(lì)電流的大小直接決定自發(fā)熱的強(qiáng)度。激勵(lì)電流是驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)部測(cè)量電路工作的核心參數(shù)，電流越大，電路的有功功率損耗越高，產(chǎn)生的熱量也就越多。部分研發(fā)人員為了提高傳感器的響應(yīng)速度，會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)大激勵(lì)電流，這種做法在常溫環(huán)境下影響有限，但在零下溫度區(qū)間會(huì)顯著放大誤差。例如在零下20攝氏度的冷庫(kù)環(huán)境中，若將激勵(lì)電流從推薦的100微安調(diào)高至500微安，傳感器的自發(fā)熱量會(huì)增加五倍，測(cè)量值可能比實(shí)際溫度偏高0.5攝氏度以上，超出冷鏈監(jiān)測(cè)的允許誤差范圍。因此在低溫場(chǎng)景下，應(yīng)優(yōu)先參考傳感器技術(shù)文檔中的低功耗工作參數(shù)，在保證測(cè)量精度的前提下盡可能減小激勵(lì)電流。
工作占空比是影響熱量積累的關(guān)鍵因素。為了降低整體功耗，多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)溫濕度傳感器采用間歇工作方式，即周期性地在工作和休眠狀態(tài)之間切換，工作占空比指的是單個(gè)周期內(nèi)工作時(shí)間占總周期的比例。占空比越高，傳感器在單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱積累越多，低溫環(huán)境下熱量消散速度慢，誤差會(huì)隨使用時(shí)間持續(xù)增大。例如某款傳感器在零下10攝氏度的環(huán)境中，占空比為10%時(shí)自發(fā)熱帶來的誤差約為0.1攝氏度，若將占空比提升至50%，誤差會(huì)上升至0.6攝氏度。因此在滿足監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性要求的前提下，應(yīng)盡可能降低工作占空比，例如將采樣間隔從1秒調(diào)整為10秒，減少傳感器的持續(xù)工作時(shí)間。
針對(duì)自發(fā)熱誤差，可從硬件設(shè)計(jì)和軟件算法兩方面進(jìn)行優(yōu)化。硬件層面，應(yīng)將傳感器與主控芯片、電源模塊等發(fā)熱元件分開布局，在傳感器周邊預(yù)留足夠的散熱空間，避免防護(hù)外殼全部封閉探頭區(qū)域。軟件層面，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試建立自發(fā)熱誤差補(bǔ)償模型，在不同環(huán)境溫度、不同占空比條件下測(cè)量傳感器的溫升曲線，在固件中加入對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償算法，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。測(cè)試驗(yàn)證時(shí)可將傳感器置于高精度低溫試驗(yàn)箱中，對(duì)比不同參數(shù)設(shè)置下的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的偏差，逐步優(yōu)化至誤差滿足應(yīng)用要求。
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