EL15-2C型風(fēng)向傳感器的結(jié)構(gòu)原理分析

陜西省大探中心 黃增林 李崇福

漢中市氣象局 張繼光 張 敏

EL15-2C型風(fēng)向傳感器的結(jié)構(gòu)原理分析

陜西省大探中心 黃增林 李崇福

漢中市氣象局 張繼光 張 敏

EL15-2C風(fēng)向傳感器在現(xiàn)代化氣象探測(cè)業(yè)務(wù)中，廣泛運(yùn)用于風(fēng)向要素的測(cè)量。該傳感器采用了絕對(duì)式格雷碼盤編碼技術(shù)，減小了尖峰電流脈沖對(duì)數(shù)字電路的影響，提高了數(shù)字電路的穩(wěn)定性。傳感器輸入和輸出均采用瞬變抑制二極管進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，傳動(dòng)部分采用迷宮結(jié)構(gòu)和○型環(huán)保護(hù)儀器內(nèi)部的敏感原件不受惡劣環(huán)境影響。本文著重分析了格雷碼的特性、傳感器的結(jié)構(gòu)以及電路原理。

格雷碼；結(jié)構(gòu)；電路原理

1 格雷碼特性[1]

格雷碼，稱二進(jìn)制循環(huán)碼，又稱格雷反射碼。常用于模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換。它是一種絕對(duì)編碼方式，典型的格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補(bǔ)碼，它的循環(huán)特性和單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)的重大誤差，它的反射特性和自補(bǔ)特性使得求反又非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，此種編碼方式可使錯(cuò)誤達(dá)到最小化。早期的自然二進(jìn)制編碼雖然可以直接由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，但在某些情況下，如表1所示，從十進(jìn)制的7轉(zhuǎn)換為8時(shí)，7的自然二進(jìn)制碼是0111,8的自然二進(jìn)制碼是的1000，每一位都要變。這樣會(huì)使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖，給數(shù)字電路造成不穩(wěn)定因素，從而產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)誤差。格雷碼則沒(méi)有這一缺點(diǎn)，它在相鄰位間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一位碼產(chǎn)生變化(7的格雷碼是0100，而8的格雷碼是1100)。這樣就大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)在邏輯上的混淆。相鄰的另一個(gè)數(shù)時(shí)，不會(huì)瞬間出現(xiàn)別的代碼，可保證計(jì)數(shù)的正確性。當(dāng)風(fēng)向的轉(zhuǎn)角位移量發(fā)生微小變化(也就是有可能引起數(shù)字量發(fā)生變化)時(shí)，格雷碼僅改變一位，這樣與自然二進(jìn)制編碼方式同時(shí)改變兩位或多位的情況相比就更為可靠，即可減小尖峰電流脈沖對(duì)數(shù)字電路的影響，從而提高數(shù)字電路的穩(wěn)定性，減少出現(xiàn)風(fēng)向偏差的可能性，保證風(fēng)向要素?cái)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。[3]EL15-2C型風(fēng)向傳感器正是采用了這個(gè)技術(shù)被廣泛運(yùn)用于風(fēng)向要素的測(cè)量。

表1 自然二進(jìn)制碼與格雷碼對(duì)照表

2 EL15-2C型風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成[2]

EL15-2C型風(fēng)向傳感器的輸入和輸出均采用瞬變抑制二極管進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。外部零件選用耐腐蝕的材料制造及噴涂層保護(hù)，傳動(dòng)部分采用迷宮結(jié)構(gòu)和○型環(huán)保護(hù)儀器內(nèi)部的敏感原件不受惡劣環(huán)境影響。

該傳感器由風(fēng)向標(biāo)部件、殼體、內(nèi)電路板（上下兩塊）和插座等主要部分所組成。傳感器出廠時(shí)標(biāo)準(zhǔn)配置為19芯插頭，其引腳定義及接線如圖1所示。

圖1 風(fēng)向航空頭接線圖

由于格雷碼在相鄰的兩個(gè)碼組之間只有一位不同，它的反射特性和循環(huán)特性較高，可避免出現(xiàn)瞬間錯(cuò)誤。在計(jì)數(shù)器中，數(shù)的計(jì)算是按一定順序進(jìn)行的，其相應(yīng)代碼也按一定順序變化，由于格雷碼的相鄰性特點(diǎn)，從一個(gè)數(shù)變到

傳感器與HY3000型采集器的連接如圖2所示。

風(fēng)向傳感器線路部分由上下兩個(gè)部分組成，上板包含電源模塊L06B、紅外發(fā)射管組件（8個(gè)實(shí)際使用7個(gè)）以及上下板的接插件，格雷碼盤處于上下電路板的中間位置。下板包含紅外接收和整形處理電路。上下電路板如圖3所示。

圖2 傳感器與采集器連接圖

圖3 傳感器上下電路板

放置在7位格雷碼盤上方的紅外發(fā)光二極管組成發(fā)射單元，放置在7位格雷碼盤下方的紅外接收二極管組成接收單元。

2.2 工作原理

風(fēng)向測(cè)量是利用一個(gè)低慣性的風(fēng)向標(biāo)部件做為感應(yīng)部件，風(fēng)向標(biāo)部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸下端的7位格雷碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼信號(hào)。

其電路原理是：采集器輸出的5V電壓通過(guò)電纜送至傳感器的上電路板，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的阻容濾波后，輸入到電源模塊U1（L06B）的①③端子，從⑤端子輸出穩(wěn)壓后的4.6V電壓，分兩路輸出，一路給上板的紅外發(fā)射管提供穩(wěn)定的電源，另一路送至下板的風(fēng)信號(hào)處理電路。上板的電阻R8、R7、R6和R5起限流作用，每個(gè)電阻和兩個(gè)紅外發(fā)射管串聯(lián)。

R8串聯(lián)的發(fā)射管對(duì)應(yīng)為D0和D1，R7串聯(lián)的發(fā)射管對(duì)應(yīng)為D2和D3，R6串聯(lián)的發(fā)射管對(duì)應(yīng)為D4和D5，R5串聯(lián)的發(fā)射管對(duì)應(yīng)為D6和D7（空）。電路原理如圖4所示。

圖4 上板電路原理

當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)主軸帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)2.8125o，上板的紅外發(fā)射組件與格雷碼盤即產(chǎn)生一組七位并行格雷碼源信號(hào)。下板紅外接收組件接收到這組格雷碼源信號(hào)后，由兩片風(fēng)信號(hào)處理芯片（CD4093）來(lái)完成格雷碼源信號(hào)的整形倒相處理。CD4093由四個(gè)2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成，如圖5.每個(gè)電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)功能的2輸入與非門，實(shí)際使用中兩個(gè)輸入端子短接（1和2，5和6，8和9，12和13）。

圖5 CD4093邏輯接線圖

3 風(fēng)向格雷碼紅外接收處理原理

以D6路輸出為例：如圖6所示。

風(fēng)向信號(hào)的輸入：

U2斯密特觸發(fā)器的第1、第5、第8以及第13引腳對(duì)應(yīng)輸入D0、D1、D2、D3和D4， U3斯密特觸發(fā)器的第1、第5和第8引腳對(duì)應(yīng)輸入D4、D5和D6。

圖6 D6輸出線路略圖

風(fēng)向信號(hào)的輸出：

U2斯密特觸發(fā)器的第3、第4、第10以及第11引腳對(duì)應(yīng)輸出D0、D1、D2、D3和D4，U3斯密特觸發(fā)器的第3、第4和第10引腳對(duì)應(yīng)輸出D4、D5和D6。

4 結(jié)束語(yǔ)

EL15-2C型風(fēng)向傳感器屬于光電式風(fēng)向傳感器，其核心是采用了絕對(duì)式格雷碼盤編碼（四位格雷碼或七位格雷碼），利用光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理，可以準(zhǔn)確的輸出相對(duì)應(yīng)的風(fēng)向信息。在維護(hù)工作中，只要熟悉了解其組成結(jié)構(gòu)和電路原理，所有問(wèn)題都會(huì)迎刃而解。本文介紹比較粗淺，僅供參考。不妥之處，敬請(qǐng)糾正。

[1]吳曉建,謝明,邱香,李紅英,鄔劍飛.格雷碼性質(zhì)研究(機(jī)電工程技術(shù))[J].2010年第39卷第09期P80.

[2]李黃.自動(dòng)氣象站使用手冊(cè)[M].氣象出版社,2007.10.

[3]胡玉峰.自動(dòng)氣象站工作原理與測(cè)量方法[M].氣象出版社,2004.06.

黃增林，陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心工程師。

張繼光，陜西省漢中市氣象局技術(shù)保障中心高級(jí)工程師。