EL15-2C型风向传感器的结构原理分析

2015-01-29陕西省大探中心黄增林李崇福

电子世界 2015年15期

关键词：码盘发射管数字电路

陕西省大探中心黄增林李崇福

汉中市气象局张继光张敏

EL15-2C型风向传感器的结构原理分析

陕西省大探中心黄增林李崇福

汉中市气象局张继光张敏

EL15-2C风向传感器在现代化气象探测业务中，广泛运用于风向要素的测量。该传感器采用了绝对式格雷码盘编码技术，减小了尖峰电流脉冲对数字电路的影响，提高了数字电路的稳定性。传感器输入和输出均采用瞬变抑制二极管进行过载保护，传动部分采用迷宫结构和○型环保护仪器内部的敏感原件不受恶劣环境影响。本文着重分析了格雷码的特性、传感器的结构以及电路原理。

格雷码；结构；电路原理

1 格雷码特性[1]

格雷码，称二进制循环码，又称格雷反射码。常用于模拟-数字转换和轴角-数字转换。它是一种绝对编码方式，典型的格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环特性和单步特性消除了随机取数时出现的重大误差，它的反射特性和自补特性使得求反又非常方便。格雷码属于可靠性编码，此种编码方式可使错误达到最小化。早期的自然二进制编码虽然可以直接由D/A转换器转换成模拟信号，但在某些情况下，如表1所示，从十进制的7转换为8时，7的自然二进制码是0111,8的自然二进制码是的1000，每一位都要变。这样会使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲，给数字电路造成不稳定因素，从而产生误码现象，造成数据误差。格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位码产生变化(7的格雷码是0100，而8的格雷码是1100)。这样就大大地减少了由一个状态转换到下一个状态时在逻辑上的混淆。相邻的另一个数时，不会瞬间出现别的代码，可保证计数的正确性。当风向的转角位移量发生微小变化(也就是有可能引起数字量发生变化)时，格雷码仅改变一位，这样与自然二进制编码方式同时改变两位或多位的情况相比就更为可靠，即可减小尖峰电流脉冲对数字电路的影响，从而提高数字电路的稳定性，减少出现风向偏差的可能性，保证风向要素数据采集的准确性。[3]EL15-2C型风向传感器正是采用了这个技术被广泛运用于风向要素的测量。

表1 自然二进制码与格雷码对照表

2 EL15-2C型风向传感器结构原理

2.1 结构组成[2]

EL15-2C型风向传感器的输入和输出均采用瞬变抑制二极管进行过载保护。外部零件选用耐腐蚀的材料制造及喷涂层保护，传动部分采用迷宫结构和○型环保护仪器内部的敏感原件不受恶劣环境影响。

该传感器由风向标部件、壳体、内电路板（上下两块）和插座等主要部分所组成。传感器出厂时标准配置为19芯插头，其引脚定义及接线如图1所示。

图1 风向航空头接线图

由于格雷码在相邻的两个码组之间只有一位不同，它的反射特性和循环特性较高，可避免出现瞬间错误。在计数器中，数的计算是按一定顺序进行的，其相应代码也按一定顺序变化，由于格雷码的相邻性特点，从一个数变到

传感器与HY3000型采集器的连接如图2所示。

风向传感器线路部分由上下两个部分组成，上板包含电源模块L06B、红外发射管组件（8个实际使用7个）以及上下板的接插件，格雷码盘处于上下电路板的中间位置。下板包含红外接收和整形处理电路。上下电路板如图3所示。

图2 传感器与采集器连接图

图3 传感器上下电路板

放置在7位格雷码盘上方的红外发光二极管组成发射单元，放置在7位格雷码盘下方的红外接收二极管组成接收单元。

2.2 工作原理

风向测量是利用一个低惯性的风向标部件做为感应部件，风向标部件随风旋转，带动转轴下端的7位格雷码盘在光电组件缝隙中转动，产生光电信号对应当时风向的格雷码信号。

其电路原理是：采集器输出的5V电压通过电缆送至传感器的上电路板，经过简单的阻容滤波后，输入到电源模块U1（L06B）的①③端子，从⑤端子输出稳压后的4.6V电压，分两路输出，一路给上板的红外发射管提供稳定的电源，另一路送至下板的风信号处理电路。上板的电阻R8、R7、R6和R5起限流作用，每个电阻和两个红外发射管串联。

R8串联的发射管对应为D0和D1，R7串联的发射管对应为D2和D3，R6串联的发射管对应为D4和D5，R5串联的发射管对应为D6和D7（空）。电路原理如图4所示。

图4 上板电路原理

当风向标随风旋转时，通过主轴带动码盘旋转，每转动2.8125º，上板的红外发射组件与格雷码盘即产生一组七位并行格雷码源信号。下板红外接收组件接收到这组格雷码源信号后，由两片风信号处理芯片（CD4093）来完成格雷码源信号的整形倒相处理。CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成，如图5.每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的2输入与非门，实际使用中两个输入端子短接（1和2，5和6，8和9，12和13）。