自动气象站风向传感器校准方法探讨

吴丽娜，宋 媛，雷晓妹，陈菊萍

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州730020)

0 引言

风向作为自动气象站常规观测要素之一，其观测数据在气象预报、工业、农业、航空等重要领域应用广泛[1，2]。目前国内气象部门使用的风向传感器多是光电式风向传感器，其观测数据一般采用7位格雷码方式输出。由于现行风向传感器检定规程所选取的检定点仅对7位格雷码的前4位进行全“0”和全“1”状态的检测，而未对后3位进行全“1”状态的检测。因此，在检定校准中很难发现风向传感器出现的超差现象。

针对上述问题，已有学者开展了相关研究，如王明辉等提出设计9个不同于检定规程的特定测试方位；魏明明[3，4]等提出了一种通过在原有规程的基础上增加2个特定点或者另外选取8个特定点的方法进行风向传感器校准；郑亮[5]等提出对风向传感器进行现场校准时，可选取3个点，即0°、121°和239°。这些研究工作在一定程度上解决了实际检定过程中的部分问题，但依然存在可改进之处。文章在现有研究的基础上，提出了一种改进的风向传感器校准方法，不但能消除现行检定规程中的不足，且较好地考虑了实际检定过程中可操作性和可靠性的问题。

1 风向传感器工作原理

1.1 格雷码介绍

格雷码的任意两个相邻码之间只有1位不同。例如，2的格雷码为0000011，3的格雷码为0000010，4的格雷码为0000110，因此遇到数字进位时，只有1位代码不同，变化微小。因而被大量应用于风向传感器的方位角编码[6，7]。

1.2 风向传感器工作原理

目前，国家气象部门使用的风向传感器多为二代站风向传感器。风向标是一种风向敏感器件，与其同轴的格雷码盘是一种金属圆盘。通过在金属盘上刻7个同心圆将码盘由内向外分别进行21、22、23、24、25、26、27等分处理。格雷码盘在风向标的带动下转动，码盘每转动2.815°(360°/27=2.815°)输出7位格雷码，对格雷码方位进行角度换算，得到传感器指示的角度。

2 现有检定规程中的不足

根据规定，风向传感器的测量范围是0°～360°，最大允许误差±5°。规定的检定点及对应的格雷码如表1所示。

表1 检定规程规定的风向检测点

从表1可以看出，8个检定点中仅对D6～D3位有完整的全“0”和全“1”状态的检测，而对D2～D0位只有对全“0”状态的检测，没有对其进行全“1”状态的检测，这样会导致风向传感器超差而不被发现。

按照现行检定规程中要求的检定点进行校准，如表1所示，如果在D2、D1、D0位出现故障，则无法检出。例如，当D2出现故障时，D2一直显示数值为0，规程要求的检定点测试完毕后，未发现超差。但在实际使用中，当风向是20°和110°时，角度显示为0°和90°，与实际风向均产生20°的偏差。同理，D1位如果一直为0，当风向是11°和281°时，此时对应的角度则会显示为20°和290°，均产生9°的偏差，也超出了最大允许误差的范围。

3 改进后的校准方法

采用现行检定规程中的检定点进行风向传感器校准时，由于不能有效判断部分输出状态位的故障，因此这些检定点在实际应用中存在不可靠性。为了有效解决上述缺陷，文章选取的风向校准点所对应的格雷码状态位都出现“0”到“1”或“1”到“0”的变化。基于此，文章提出以下改进的校准方法。

由风向码盘度数与格雷码对应表可知，0°时的格雷码为0000000，239°时的格雷码为1111111。这两个点对格雷码的7个状态位变化均能检测到，从理论上讲，这两个点已经能有效解决D2～D0位未对全“1”状态进行检测的问题。但在实际操作中，如果D0发生故障一直显示为1时，单靠239°检定点很难发现超差，因为D0的故障只可使检定出现±3°的偏差，而检定规程规定风向传感器的最大允许误差为±5°。所以文章增加28°(格雷码为：0001111)检定点，对D0位进行多次检测，以增加发现D0位故障的概率。

另外，格雷码盘在实际拆卸、安装中受到外界碰撞挤压而变形时，会使其对应方位角度的指示不准确。因此，在日常校准工作中，如果仅选择有一定距离的0°、28°、239°这3个检测点，当格雷码盘在其他区间出现问题时，可能会影响其计量特性而不被发现。所以也无法全面准确的判定该风向传感器的特性能否满足相应规程的规定。通过实际工作中大量实验验证得出，适当增加检测点，且使其满足均匀分布的要求，可有效解决上述问题。

通过反复试验比较，最终选取90°、180°、267°3个检测点，加上0°、28°、239°这3个检测点，6个检测点的格雷码如表2所示。通过其对应的格雷码显示可知，每个状态位被检测到出现高电平(“1”)和低电平(“0”)的次数均大于等于2次。因此，可有效解决规程中检定点D2～D0位高电平均无法被检测到的问题，且可有效全面地判定风向传感器的计量性能。

表2 选择7个检测点进行校准分析

4 结束语

文章通过对现有检定规程中选取的风向检定点进行分析，指出了该方法的欠妥之处，且结合实际工作提出一种改进的校准方法。最终选取0°、28°、90°、180°、239°、267°作为6个风向校准检测点，不但对格雷码的7个状态位均能进行检测，而且少于规程要求的8个检测点，提高了检测效率，且检定结果更加可靠。目前该方法已在实际检定过程中多次应用，取得了良好效果，对同类风向传感器的检定校准具有一定的借鉴意义。