CN201311431Y - 一种风向传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种风向传感器，包括风向标、传动部件、风向编码器及基座；所述风向编码器包括转动盘及套设在所述转动盘外侧的定位盘，所述转动盘与所述传动部件相连，随传动部件的旋转而转动，所述定位盘固定在所述基座上；所述转动盘外圆周上设置有至少两层磁钢体层，所述磁钢体层上下垂直排列，每层包括有若干个磁钢体；在所述定位盘的内圆周上、与所述磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述感应元件层包括有若干个感应元件，所述感应元件输出端连接有测量电路；每层磁钢体层及与其对应的感应元件层构成风向传感器的编码盘。所述风向传感器基于电磁感应原理，能够降低传感器的加工精度，提高传感器的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种风向传感器，具体地说，是涉及一种基于电磁感应原理进行编码的无触点式风向传感器，属于仪器仪表技术领域。
背景技术
风向传感器是用来测量大气风向的一种传感器，它主要应用于公路、机场、码头和船舶的气象观测，为交通运输提供准确、可靠的气象信息，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。
风向传感器一般包括风向标、传动部件及风向编码器，目前，公知的风向传感器的风向编码方式分为无触点式和有触点式两种。
无触点式风向传感器编码多为基于光电原理的格雷码形式，此类风向传感器的风向编码器由发光管、光敏管和码盘组成，码盘设置在发光管和光敏管之间，并固定在风向传感器风标的传动部件上，能够随风标转动而相对于发光管和光敏管转动。传感器工作时，发光管产生光源，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。通过对光敏管输出的高低电平进行组合编码，传感器便能够输出一个即时的风向角。为使传感器能够正常有效地工作，加工和装配时必须使发光管、光敏管和相对转动的码盘上的栅格保持严格同轴，所以这种结构的传感器加工精度要求极高，其加工成本较高。此外，由于发光管及光敏管需要连接电源线及信号线，所以必须有线缆穿过传感器的转动部件处，从而导致传感器的可靠性降低。
触点式风向传感器多使用滑动电阻式，所采用的滑动电阻是一个非闭合的圆周结构。滑动电阻的触点固定在风向标的转动部件上，随风向标的转动而在电阻上滑动。风向标的转角不同，测量电路所测得的电阻值不同，从而可得到即时风向值。触点式风向传感器因为触点问题相对无触点式传感器寿命较短，可靠性较差，并且其测量范围无法达到360度全圆周。这类传感器也存在因转动部件处需要固定电源线及信号线而导致传感器可靠性降低的问题。
发明内容
本实用新型针对现有技术中风向传感器存在的上述技术问题，提供了一种风向传感器，所述传感器基于电磁感应原理，能够降低传感器的加工精度，而且提高了传感器的可靠性。
为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种风向传感器，包括风向标、传动部件、风向编码器及基座，其特征在于，所述风向编码器包括转动盘及套设在所述转动盘外侧的定位盘，所述转动盘与所述传动部件相连，随传动部件的旋转而转动，所述定位盘固定在所述基座上；所述转动盘外圆周上设置有至少两层磁钢体层，所述磁钢体层上下垂直排列，每层包括有若干个磁钢体；在所述定位盘的内圆周上、与所述磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述感应元件层包括有若干个感应元件，所述感应元件输出端连接有测量电路；每层磁钢体层及与其对应的感应元件层构成风向传感器的编码盘。
优选的，所述转动盘外边沿设置有三层磁钢体层，在所述定位盘的内边沿上、与所述每层磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述磁钢体层和所述感应元件层构成三层编码盘，所述三层编码盘上下垂直排列。
根据本实用新型，当所述编码盘为三层时，在第一层编码盘中，第一层磁钢体层包括8个磁钢体，所述8个磁钢体在所述转动盘外圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔45°设置一个，且每个磁钢体的长度与感应元件的长度相适应；第一层感应元件层包括8个感应元件，所述8个感应元件在所述定位盘内圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔5°设置一个；
在第二层编码盘中，第二层磁钢体层包括2个磁钢体，所述2个磁钢体在所述转动盘外圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔180°设置一个，且每个磁钢体长度为所述转动盘圆周长度的1/8；第二层感应元件层包括4个感应元件，所述4个感应元件在所述定位盘内圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔45°设置一个；
在第三层编码盘中，第三层磁钢体层包括1个磁钢体，所述磁钢体设置在所述转动盘外圆周上的风向标的转角零度位置，且其长度为所述转动盘圆周长度的1/2；第三层感应元件层包括1个感应元件，所述感应元件设置在所述定位盘上的风向标的转角零度位置。
根据本实用新型，具有上述三层编码盘的风向传感器的分辨率为5°。
根据本实用新型，所述测量电路包括若干个编码芯片，所述编码芯片的输入端连接所述感应元件的输出端，所述编码芯片的输出端输出与风向一一对应的二进制编码。
根据本实用新型，所述感应元件为霍尔开关元件。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：
1、风向传感器基于电磁感应原理进行编码，结构简单。转动部件及转动盘上没有任何电路，也没有需要供电的元件，因此不需要引出信号线及电源线，提高了传感器的可靠性。
2、风向编码器中对磁钢体及感应元件的相对位置精度要求较低，对电磁元件安装位置的加工及安装没有太高的同轴度精度要求，因此结构简单，加工精度要求较低，降低传感器的加工成本和造价。
3、用来编码的感应元件和磁钢体按圆周方向及垂直方向分布，无横向分布，能够缩小传感器尺寸，减小传感器体积，应用更加方便。
附图说明
图1为本实用新型风向传感器一个实施例的总体结构示意图；
图2为图1中风向编码器三层编码盘垂直分布的结构示意图；
图3为图2中第一层编码盘的结构示意图；
图4为图2中第二层编码盘的结构示意图；
图5为图2中第三层编码盘的结构示意图；
图6为图1中风向编码器的编码原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型风向传感器一个实施例的总体结构示意图，所述风向传感器包括风向标1、传动部件2、风向编码器3及基座4。所述风向传感器在使用时，大气流动能够使风向标1指向来风方向，风向标1的转动带动传动部件2，传动部件3使风向编码器3的编码发生改变，而风向编码器3的编码唯一地确定了风向角，从而给出风向信息。
图2为图1中风向编码器3的结构示意图。所述风向编码器包括圆柱体转动盘301及套设在所述转动盘301外侧的圆桶式定位盘302，所述转动盘301与所述传动部件2相连，能够随传动部件的旋转而转动；所述定位盘302固定在所述基座4上，定位不动，其0°编码位置与所述风向标1的转角零度位置重合。所述转动盘301外圆周上设置有三层磁钢体层，每层包括有若干个磁钢体；在所述定位盘302的内圆周上、与所述磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述感应元件层包括有若干个霍尔开关元件。每层磁钢体层及与其对应的感应元件层构成了风向传感器的编码盘，如图2中虚线所示。所述编码盘共有三层，三层编码盘垂直排列，自上而下分别为第一层编码盘3100、第二层编码盘3200及第三层编码盘3300。
图3、图4及图5分别示出了第一层编码盘3100、第二层编码盘3200及第三层编码盘3300的结构。
图3所示为第一层编码盘3100的结构示意图。如图所示，第一层编码盘包括设置在所述转动盘301外圆周上的、由8个磁钢体3111～3118组成的第一层磁钢体层，以及设置在所述定位盘302内圆周上、由8个霍尔开关元件3121～3128构成的第一层感应元件层。8个磁钢体3111～3118长度与感应元件的长度相适应，每隔45°设置一个，且磁钢体3111设置在风向标的转角零度位置处。8个霍尔开关元件3121～3128从所述定位盘302的0°位置、也即风向标的转角零度位置开始，按逆时针顺序固定在所述定位盘302的内圆周上，每隔5°设置一个。这样，风向标1每转动5°，带动转动盘302转动5°，使得磁钢体3111～3118中有一个与霍尔开关元件3121～3128中的一个对准。此时，被对准的霍尔开关元件会输出一个高电平，其余7个霍尔开关元件均输出低电平，通过对霍尔开关元件输出的高低电平进行编码，能够在45°范围内实现5°的风向角分辨率。例外的是，在风向标转动40°时，没有霍尔开关元件与磁钢体相对应，所述霍尔开关元件均输出低电平，但结合第二层编码盘及第三层编码盘的霍尔元件输出，仍然能够唯一确定风向角。
图4所示为第二层编码盘3200的结构示意图。图中，第二层编码盘包括设置在所述转动盘301外圆周上的、由两个磁钢体3211和3212组成的第二层磁钢体层，以及设置在所述定位盘302内圆周上、由4个霍尔开关元件3221～3224组成的第二层感应元件层。其中，磁钢体3211和3212长度为所述转动盘301圆周长度的1/8，也即45°圆弧结构，且从风向标转角零度位置开始、按逆时针顺序设置在所述转动盘301的外圆周上，每隔180°设置一个。4个霍尔开关元件3221～3224从所述定位盘302的0°位置、也即风向标的转角零度位置开始，按逆时针顺序固定在所述定位盘302的内圆周上，每隔45°设置一个。对于第二层编码盘3200，适当调整磁钢体3211或3212的位置，使得风向标1每转动45°，有且只有一个磁钢体3211或者3212与霍尔开关元件3221～3224中的一个对准。被对准的霍尔开关元件将输出一个高电平，其余的霍尔开关元件均输出低电平，通过对霍尔开关元件输出的高低电平进行编码，能够在180°范围内实现45°的风向角分辨率。
图5所示为第三层编码盘3300的结构示意图。图中，所述第三层编码盘包括1个设置在所述转动盘301外圆周上的磁钢体3311以及设置在所述定位盘302内圆周上的霍尔开关元件3321，且所述霍尔开关元件3321设置在所述定位盘302的0°位置、也即风向标的转角零度位置。所述磁钢体3311长度为所述转动盘圆周长度的1/2，也即180°圆弧结构，且从风向标转角零度位置开设、按逆时针顺序设置在所述转动盘301外圆周上。适当调整所述磁钢体3311的位置，使得风向标1按逆时针方向在0°至180°范围内转动时，所述磁钢体3311对准所述霍尔开关元件3321，使得所述霍尔开关元件3321输出高电平；而当风向标1按顺时针方向在0°至180°范围内转动时，所述磁钢体3311离开所述霍尔开关元件3321，使得所述霍尔开关元件3321输出低电平，从而在180°范围内实现45°的风向角分辨率。
图6示出了上述风向编码器的编码原理框图。所述实施例采用两个编码芯片组成测量电路，对三层编码盘中的13个霍尔开关元件输出的脉冲信号进行编码。其中，第一层编码盘中的8个霍尔开关元件3121～3128的输出端连接编码芯片1的输入端，第二层编码盘中的4个霍尔开关元件3221～3224及第三层编码盘中的霍尔开关元件3321的输出端分别连接编码芯片2的输入端，通过编码芯片1和编码芯片2对13个霍尔开关元件的高低信号进行编码，并输出与风向角一一对应的8位二进制编码，从而实现风向传感器在360°范围内5°的转向角分辨率。
下面举例说明霍尔开关元件输出状态与风向角的对应关系。
当风向角为逆时针15°时，第三层编码盘3300中的磁钢体3311离开霍尔开关元件3321，霍尔开关元件3321输出低电平0；第二层编码盘3200中的磁钢体3211对准霍尔开关元件3222，则在第二层编码盘3200中只有霍尔开关元件3222输出高电平1，其余霍尔元件输出低电平0；在第一层编码盘3100中，磁钢体3111对准霍尔开关元件3124，则该元件3124输出高电平1，第一层编码盘中的其余霍尔开关元件均输出低电平0。通过编码芯片对上述霍尔开关元件的输出电平信号进行编码，就能得到一个与15°风向角相对应的二进制编码。
当风向角为逆时针260°时，第三层编码盘3300中的磁钢体3311对准霍尔开关元件3321，霍尔开关元件3321输出高电平1；第二层编码盘3200中的磁钢体3212对准霍尔开关元件3223，则在第二层编码盘3200中只有霍尔开关元件3223输出高电平1，其余霍尔元件输出低电平0；在第一层编码盘3100中，磁钢体3117对准霍尔开关元件3128，则该元件3128输出高电平1，第一层编码盘中的其余霍尔开关元件均输出低电平0。通过编码芯片对上述霍尔开关元件的输出电平信号进行编码，就能得到一个与260°风向角相对应的二进制编码。
当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式而已，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1、一种风向传感器，包括风向标、传动部件、风向编码器及基座，其特征在于，所述风向编码器包括转动盘及套设在所述转动盘外侧的定位盘，所述转动盘与所述传动部件相连，随传动部件的旋转而转动，所述定位盘固定在所述基座上；所述转动盘外圆周上设置有至少两层磁钢体层，所述磁钢体层上下垂直排列，每层包括有若干个磁钢体；在所述定位盘的内圆周上、与所述磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述感应元件层包括有若干个感应元件，所述感应元件输出端连接有测量电路；每层磁钢体层及与其对应的感应元件层构成风向传感器的编码盘。
2、根据权利要求1所述的风向传感器，其特征在于，所述转动盘外边沿设置有三层磁钢体层，在所述定位盘的内边沿上、与所述每层磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述磁钢体层和所述感应元件层构成三层编码盘，所述三层编码盘上下垂直排列。
3、根据权利要求2所述的风向传感器，其特征在于，
在第一层编码盘中，第一层磁钢体层包括8个磁钢体，所述8个磁钢体在所述转动盘外圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔45°设置一个，且每个磁钢体的长度与感应元件的长度相适应；第一层感应元件层包括8个感应元件，所述8个感应元件在所述定位盘内圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔5°设置一个；
在第二层编码盘中，第二层磁钢体层包括2个磁钢体，所述2个磁钢体在所述转动盘外圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔180°设置一个，且每个磁钢体长度为所述转动盘圆周长度的1/8；第二层感应元件层包括4个感应元件，所述4个感应元件在所述定位盘内圆周上从所述风向标的转角零度位置开始每隔45°设置一个；
在第三层编码盘中，第三层磁钢体层包括1个磁钢体，所述磁钢体设置在所述转动盘外圆周上的风向标的转角零度位置，且其长度为所述转动盘圆周长度的1/2；第三层感应元件层包括1个感应元件，所述感应元件设置在所述定位盘上的风向标的转角零度位置。
4、根据权利要求3所述的风向传感器，其特征在于，所述传感器的分辨率为5°。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的风向传感器，其特征在于，所述测量电路包括若干个编码芯片，所述编码芯片的输入端连接所述感应元件的输出端，所述编码芯片的输出端输出与风向一一对应的二进制编码。
6、根据权利要求5所述的风向传感器，其特征在于，所述感应元件为霍尔开关元件。
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