CN106841677B - 一种游标式光电风向编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于游标式光电编码的风向编码器，通过在传统格雷码风向编码器的基础上，增设游标码，采用格雷码与游标码组合编码方式，在编码器的格雷码最外侧码道上沿着该码道顺序排列游标码；基础编码和游标编码同时读取，组合成一个12位的二进制编码，这个编码与0°~359°的风向角一一对应，实现了分辨率为1°的风向编码；达到在不增加码道数，即不增加编码器的外径尺寸的前提下，提高风向分辨率，实现分辨率从3°提高到1°的目标；提高分辨率的同时，不会提高制备成本和制备难度，具有极大的推广使用价值。

Description

一种游标式光电风向编码器
技术领域
本发明涉及气象仪器技术领域，具体是一种基于游标式光电编码的风向编码器。
背景技术
风向编码器是机械式测风传感器的一个组成部分，用来测量大气风向，测风传感器主要应用于公路、机场、码头和船舶等气象观测场所，为交通运输提供准确、可靠的风速风向信息，这些信息将帮助相关人员确定最优的工作方案，从而保证人员和交通工具的安全；目前，机械式测风传感器中多采用无触点式的光电编码器，这类无触点式风向编码器的编码方式多为基于光电原理的格雷码，由发光管、光敏管和码盘组成；工作时，发光管产生光源，发光管与光敏管之间安装有码盘，码盘固定在风标的传动部件上，它随风标转动而相对于发光管和光敏管转动；码盘上的栅格因为转动角度的不同而产生透光和遮光的作用，透光时对应位置的光敏管输出高电平，遮光时对应位置的光敏管输出低电平，对光敏管输出的高低电平进行组合编码，风向编码器便能够输出一个即时的风向角。
风向编码器的分辨率与格雷码的位数，即编码器的码道数有关，受编码器的外形尺寸限制，一般设计为7个码道，可实现的最小分辨率为3°；要想进一步提高分辨率，则需要增加码道数量，若要实现1°的分辨率，则需要将编码器增加至9个码道；风向编码器中一般选用直径为3mm的发光管和光敏管，码道与码道之间间隙至少为2mm；这样，每增加一个码道，风向编码器的直径就至少需要增加10mm；因此，使用传统的编码方式，提高分辨率需要放大编码器的外形尺寸，进而需放大风传感器的外形尺寸，提高了制备成本和制备难度，不适合推广使用，需要对现有技术进行改进改良。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过在传统格雷码风向编码器基础上增设游标码，无需放大编码器外形尺寸和风传感器外形尺寸提高风向分辨率的基于游标式光电编码的风向编码器，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：
一种基于游标式光电编码的风向编码器，包括风向传动轴、光敏管座、码盘、发光管座、7个格雷基础编码光电敏感器件组和5个光电敏感器件组；所述光敏管座、码盘、发光管座均固定在风向传动轴上，码盘上按格雷码编码刻有7个码道的栅格，格雷码部分采用了7个码道，实现了3°的分辨率。
所述发光管座上安装有发光管、光敏管座上安装有光敏管，发光管与光敏管互相对应，组成格雷基础编码光电敏感器件组，共设置7个格雷基础编码光电敏感器件组，按格雷码码道分布排列；码盘位于光敏管座和发光管座之间并随风向传动轴同步转动，风向传动轴与风标连接；从而使码盘随风标转动而相对于发光管和光敏管转动。
码盘上的栅格因为转动角度的不同而产生透光和遮光的作用，透光时对应位置的光敏管输出高电平，遮光时对应位置的光敏管输出低电平。对光敏管输出的高低电平进行组合编码，风向编码器便能够输出一个即时的风向编码，这也是游标式风向编码器的基础编码。
所述码盘的7个码道上布置有格雷基础编码光电敏感器件组；所述码盘的最外侧码道上布置有作为游标编码的光电敏感器件组；游标码部分是在格雷码最小分辨率的同一码道即最外侧码道上增设的5对以发光管和光敏管组成的光电敏感器件组。这5个光电敏感器件组设置在编码器最外侧码道，沿圆周相互错开1°排列；码盘最外侧的栅格经过这5对发光管和光敏管，码盘转动时，栅格按规律经过光敏管座和发光管座之间的光线通道，造成光线的通透或隔断，通透时，光敏管短路，隔断时光敏管断路；透光对应位置的光敏管输出高电平，遮光对应位置的光敏管输出低电平；对5个光敏管输出的高低电平进行组合编码，风向编码器便能够输出一个即时编码，这也是游标式风向编码器的游标编码。
作为本发明进一步的方案：7个格雷基础编码光电敏感器件组分别为第一格雷基础编码光电敏感器件组、第二格雷基础编码光电敏感器件组、第三格雷基础编码光电敏感器件组、第四格雷基础编码光电敏感器件组、第五格雷基础编码光电敏感器件组、第六格雷基础编码光电敏感器件组和第七格雷基础编码光电敏感器件组；5个光电敏感器件组分别为第一光电敏感器件组、第二光敏感器件组、第三光电敏感器件组、第四光电敏感器件组和第五光电敏感器件组。
作为本发明再进一步的方案：所述第一格雷基础编码光电敏感器件组布置在码盘上最内侧的码道上，第七格雷基础编码光电敏感器件组布置在码盘上最外侧的码道上，其他格雷基础编码光电敏感器件组在径向上依次排列；为方便布置，避免器件组之间的径向干涉，格雷基础编码光电敏感器件组在码盘的圆周方向上依次错开40°。
作为本发明再进一步的方案：所述第一光电敏感器件组与第七格雷基础编码光电敏感器件组的夹角为7°；第二光敏感器件组与第七格雷基础编码光电敏感器件组的夹角为20°；第三光电敏感器件组与第七格雷基础编码光电敏感器件组的夹角为33°；第四光电敏感器件组与第七格雷基础编码光电敏感器件组的夹角为46°；第五光电敏感器件组与第七格雷基础编码光电敏感器件组的夹角为59°；5个光电敏感器件组之间夹角除递增1°以外，彼此再错开12°，以避免光电敏感器件组在圆周方向上的干涉。
作为本发明再进一步的方案：基础编码和游标编码同时读取，组合成一个12位的二进制编码，这个编码与0°~359°的风向角一一对应，实现了分辨率为1°的风向编码。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的编码器通过在传统格雷码风向编码器的基础上，增设游标码，采用格雷码与游标码组合编码方式，在编码器的格雷码最外侧码道上沿着该码道顺序排列游标码，达到在不增加码道数，即不增加编码器的外径尺寸的前提下，提高风向分辨率，实现分辨率从3°提高到1°的目标；在提高分辨率的同时，不会提高制备成本和制备难度，具有极大的推广使用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的游标工作原理图Ⅰ。
图4为本发明的游标工作原理图Ⅱ。
图5为本发明的游标工作原理图Ⅲ。
图6为本发明的游标工作原理图Ⅳ。
图7为本发明的游标工作原理图Ⅴ。
图8为本发明游标式风向编码器的编码方式图。
其中，1-风向传动轴；2-光敏管座；3-码盘；4-发光管座；5-第一格雷基础编码光电敏感器件；6-第二格雷基础编码光电敏感器件；7-第三格雷基础编码光电敏感器件；8-第四格雷基础编码光电敏感器件；9-第五格雷基础编码光电敏感器件；10-第六格雷基础编码光电敏感器件；11-第七格雷基础编码光电敏感器件；12-第一光电敏感器件；13-第二光敏感器件；14-第三光电敏感器件；15-第四光电敏感器件；16-第五光电敏感器件。
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1-2，一种基于游标式光电编码的风向编码器，包括风向传动轴1、光敏管座2、码盘3、发光管座4、7个格雷基础编码光电敏感器件组和5个光电敏感器件组；所述风向传动轴1与风标连接；所述发光管座4上安装有发光管、光敏管座2上安装有光敏管，发光管与光敏管互相对应形成格雷基础编码光电敏感器件组，共设置7对，按格雷码码道分布排列；所述光敏管座2、码盘3、发光管座4均固定在风向传动轴1上，码盘3位于光敏管座2和发光管座4之间并随风向传动轴1同步转动；所述码盘3上按格雷码编码刻有7个码道的栅格，码盘3的7个码道上布置有格雷基础编码光电敏感器件组；所述码盘3的最外侧码道为最小分辨率码道，码盘3的最外侧码道上布置有作为游标编码的光电敏感器件组；码盘3转动时，栅格按一定的规律经过光敏管座2和发光管座4之间的光线通道，造成光线的通透或隔断，通透时，光敏管短路，隔断时光敏管断路。
7个格雷基础编码光电敏感器件组分别为第一格雷基础编码光电敏感器件组5、第二格雷基础编码光电敏感器件组6、第三格雷基础编码光电敏感器件组7、第四格雷基础编码光电敏感器件组8、第五格雷基础编码光电敏感器件组9、第六格雷基础编码光电敏感器件组10和第七格雷基础编码光电敏感器件组11；7个格雷基础编码光电敏感器件组组成游标式风向编码器的基础编码，并按由内之外的顺序依次布置在码盘3的码道上；所述第一格雷基础编码光电敏感器件组5布置在码盘3上最内侧的码道上，第七格雷基础编码光电敏感器件组11布置在码盘3上最外侧的码道上，其他格雷基础编码光电敏感器件组在径向上依次排列；为方便布置，避免器件组之间的径向干涉，格雷基础编码光电敏感器件组在码盘3的圆周方向上依次错开40°。
5个光电敏感器件组分别为第一光电敏感器件组12、第二光敏感器件组13、第三光电敏感器件组14、第四光电敏感器件组15和第五光电敏感器件组16；5个光电敏感器件组组成游标式风向编码的游标编码，布置在码盘3的最外侧码道上；所述第一光电敏感器件组12与第七格雷基础编码光电敏感器件组11的夹角为7°；第二光敏感器件组13与第七格雷基础编码光电敏感器件组11的夹角为20°；第三光电敏感器件组14与第七格雷基础编码光电敏感器件组11的夹角为33°；第四光电敏感器件组15与第七格雷基础编码光电敏感器件组11的夹角为46°；第五光电敏感器件组16与第七格雷基础编码光电敏感器件组11的夹角为59°；5个光电敏感器件组之间夹角除递增1°以外，彼此再错开12°，以避免光电敏感器件组在圆周方向上的干涉。
本发明的工作流程如图3-7所示，码盘与游标光电敏感器件组依次旋转角度为1°。角度值与游标编码的对应关系如表1所示，表中“1”表示光电敏感器件组的光敏管处于短路状态，“0”表示光电敏感器件组的光敏管处于断路状态，游标码每1°变化一次，6°为一个循环。
表1 角度值与游标编码的对应关系表
格雷基础编码每3°变化一次，360°为一个循环，基础编码与游标编码结合产生一个组合编码，在360°圆周范围内实现1°分辨率，编码如表2所示：。
表2 基础编码与游标编码组合的组合编码对应表
风向偏移角度（°） 格雷基础编码 游标编码 组合编码值
0 0 31 31
1 0 30 30
2 0 28 28
3 76 24 2456
4 76 16 2448
5 76 0 2432
6 77 31 2495
7 77 30 2494
8 77 28 2492
9 79 24 2552
10 79 16 2544
11 79 0 2528
12 78 31 2527
13 78 30 2526
14 78 28 2524
15 74 24 2392
16 74 16 2384
17 74 0 2368
18 75 31 2431
19 75 30 2430
20 75 28 2428
21 73 24 2360
22 73 16 2352
23 73 0 2336
24 72 31 2335
25 72 30 2334
26 72 28 2332
27 88 24 2840
28 88 16 2832
29 88 0 2816
... ... ... ...
... ... ... ...
... ... ... ...
333 13 24 440
334 13 16 432
335 13 0 416
336 12 31 415
337 12 30 414
338 12 28 412
339 4 24 152
340 4 16 144
341 4 0 128
342 5 31 191
343 5 30 190
344 5 28 188
345 7 24 248
346 7 16 240
347 7 0 224
348 6 31 223
349 6 30 222
350 6 28 220
351 2 24 88
352 2 16 80
353 2 0 64
354 3 31 127
355 3 30 126
356 3 28 124
357 1 24 56
358 1 16 48
359 1 0 32
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做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于游标式光电编码的风向编码器，包括风向传动轴(1)、光敏管座(2)、码盘(3)、发光管座(4)、7个格雷基础编码光电敏感器件组和5个光电敏感器件组；所述风向传动轴(1)与风标连接；所述发光管座(4)上安装有发光管、光敏管座(2)上安装有光敏管，发光管与光敏管互相对应成为格雷基础编码光电敏感器件组，共设置7对，按格雷码码道分布排列；7个格雷基础编码光电敏感器件组分别为第一格雷基础编码光电敏感器件组(5)、第二格雷基础编码光电敏感器件组(6)、第三格雷基础编码光电敏感器件组(7)、第四格雷基础编码光电敏感器件组(8)、第五格雷基础编码光电敏感器件组(9)、第六格雷基础编码光电敏感器件组(10)和第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)；5个光电敏感器件组分别为第一光电敏感器件组(12)、第二光敏感器件组(13)、第三光电敏感器件组(14)、第四光电敏感器件组(15)和第五光电敏感器件组(16)；其特征在于：所述光敏管座(2)、码盘(3)、发光管座(4)均固定在风向传动轴(1)上，码盘(3)位于光敏管座(2)和发光管座(4)之间并随风向传动轴(1)同步转动；所述码盘(3)上按格雷码编码刻有7个码道的栅格，码盘(3)的7个码道上布置有格雷基础编码光电敏感器件组；所述码盘(3)的最外侧码道上布置有作为游标编码的光电敏感器件组；所述第一光电敏感器件组(12)与第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)的夹角为7°；第二光敏感器件组(13)与第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)的夹角为20°；第三光电敏感器件组(14)与第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)的夹角为33°；第四光电敏感器件组(15)与第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)的夹角为46°；第五光电敏感器件组(16)与第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)的夹角为59°；5个光电敏感器件组之间夹角除递增1°以外，彼此再错开12°。
2.根据权利要求1所述的基于游标式光电编码的风向编码器，其特征在于，所述码盘(3)转动时，栅格按规律经过光敏管座(2)和发光管座(4)之间的光线通道，造成光线的通透或隔断，通透时，光敏管短路，隔断时光敏管断路。
3.根据权利要求1所述的基于游标式光电编码的风向编码器，其特征在于，7个格雷基础编码光电敏感器件组成基础编码并按由内之外的顺序依次布置在码盘(3)的码道上。
4.根据权利要求1所述的基于游标式光电编码的风向编码器，其特征在于，所述第一格雷基础编码光电敏感器件组(5)布置在码盘(3)上最内侧的码道上，第七格雷基础编码光电敏感器件组(11)布置在码盘(3)上最外侧的码道上，其他格雷基础编码光电敏感器件组在径向上依次排列；格雷基础编码光电敏感器件组在码盘(3)的圆周方向上依次错开40°。
5.根据权利要求1所述的基于游标式光电编码的风向编码器，其特征在于，所述码盘(3)的最外侧码道为最小分辨率码道。
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