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1 风向传感器的工作原理 光电倍雷码式风向传感器的感应部件是一个具有良好启动性能的风向标，风向标转动时带动格雷码盘，EL15-2C和ZQZ-TF2种型号的传感器将格雷码盘均采用7位格雷码，分辨率为2.812°。风向传感器每转动2.812°就会输出一组新的7位格雷码，主采集器将收到的7位格雷码数字信号转为风向。 格雷码是一种特殊的二进制编码，其最大的特点是相邻两位格雷码只有1位数字不同，即只有1位格雷码发生0与1的变化。这有助于消除误读，提升可靠性。7位格雷码转换为风向，需要先转换为二进制，再将二进制转为十进制，最后十进制乘以分辨率即可得到风向。表1反映了风向角度和格雷码的对照情况。 格雷码和风向角度的互相转换的关键的是格雷码和二进制的互相转换，格雷码和二进制的转换采用异或算法。格雷码和风向角度的换算如图1所示，风向312°对应的格雷码为1011000，将其对应的格雷码换算成二进制时，二进制的最高位等于格雷码的高位为1，对比二进制的最高位和格雷码的高位，采用异或算法来计算二进制的次高位，即相同为0，相异为1。示例中二进制的最高位为1，格雷码的高位（0，1）与0相异，因此二进制的次高位取1。其他位的二进制计算方式类似。根据风向角度计算格雷码时，最关键的步骤是将二进制换算为格雷码，格雷码的高位等于二进制的最高位，对比二进制的最高位和高位，若相同，则格雷码的高位取0，反之则为1，其余位的格雷码计算方式类似。 （图示说明：展示了格雷码与二进制之间的转换逻辑，采用异或运算。）
2 光电倍雷码式风向传感器常见的故障类型及其处理方法2.1 软件故障及其处理方法新型自动气象站配套的业务主机安装了ISOS地面综合观测业务软件，需要正确设置软件参数，常见的软件故障有自动项目挂机设置错误、参数错误。当风向数据异常时，应先查看自动项目挂接设置是否正确，尤其是更换业务主机时需着重检查此项。正确的挂接设置如图2所示，挂接风向传感器，不挂接1.5m风速风向传感器。同时，检查传感器是否正常开启，具体方法为通过业务软件的“维护终端”发送命令“SENST WD”，正确的返回值应为1；若为0，则发送命令“SENST WD 1”启用风向传感器。
（图示说明：展示了ISOS软件中正确的风向传感器挂接设置界面。）
导致风向要素异常的常见硬件故障有传感器故障、线缆故障和主采集器故障。排查硬件故障应先统计和分析风向数据，确认风向是否为236°、239°和0°等特殊角度，是否缺少某些风向。当风向持续为236°、239°和0°时，应使用万用表检查供电、接地是否正常，风向传感器的供电电压为5V。若统计结果显示缺少某些特定角度风向，可以查阅风向角度和格雷码对照表，统计与缺少的风向相同的格雷码，从而确定故障的格雷码。 例如，统计ZQZ-TF风向传感器的风向角度，若发现缺少偏南风，则可以判定第二位格雷码存在问题，因为正常的前两位格雷码与风向对应关系如图3所示。只有第二位格雷码一直为0时才不会出现偏南风。ZQZ-TF型风向传感器正常的信号电压为高电平时为4.0~5.0V，格雷码对应为1；低电平时为0.0~1.0V，格雷码对应为0。此时可以利用万用表测量信号电压来明确具体的故障位置。具体做法是将风向标固定在180°附近，使用万用表分别测量第二位格雷码的信号电压，当电压为高电平时说明测量点正常，为低电平时说明测量点异常，可避免易后难的原则，按照主采集器、防雷板、风向线缆、风模转换设备和风向传感器的顺序进行检查，确定故障点后及时更换相应部件。
（图示说明：展示了前两位格雷码与风向角度的对应逻辑。）
风向卡滞故障一般表现为风向持续保持某个角度不变，同时风速也不是静风。引起风向卡滞的因素主要是采用天气，当出现雨天气时，风向传感器易结冰，风向系统无法转动，导致风向保持某个角度不变。当中午气温回升，夜间气温降低，气象站工作人员会发现风向传感器在中午时段正常，夜间风向卡滞。因此，发现风向卡滞时应及时清理风向传感器上的水层。 2.4 故障排查流程当风向要素出现异常时，应遵循先易后难、先软件后硬件、先室内后室外、先低后的原则来排查风向故障。故障排查流程见图4，具体流程如下： 一是检查软件是否故障，检查ISOS软件自动项目挂接是否正确，检查参数“SENST WD”是否返回1；二是检查风向是否为特殊角度；三是通过数据分析或实地查看，检查风向是否卡滞，排除风天气风向标是否不转动；四是通过数据分析，检查是否有格雷码一直为0或1；五是使用万用表测量供电和信号电压，按照先低后的原则，先测量主采集器和箱内部的电压，再到风控上测量传感器和风模的电压。
（图示说明：展示了从软件到硬件、从室内到室外的逐级排查流程图。）
2019年7月15日，气象资料业务系统（MDOS）操作平台提示临清站风向缺失，临清站逐小时风向变化如图5所示。该站自动对型号为DZZ5，风向传感器型号为EL15-2C。从图5可以看出，2019年6—7月临清站风向出现明显缺失的情况，遵循风向故障排查流程和相应原则，先在室内进行检查，通过ISOS地面综合观测业务软件查询发现缺失的风向分布在正北、正东、正南、正西左右各23°，对比双套新型站的风向实时记录，发现双套站的风向偏差过大。查阅风向角度和格雷码对照表，发现缺失风向对应的第四位格雷码为0，说明第四位格雷码一直为1。例如，当风向角度为3°时，对应的正确格雷码为0000001，当第四位格雷码一直为1时，格雷码错误显示为0001001，此时主采集器会将3°错误识别为39°（格雷码对应0001001）。
（图示说明：展示了2019年6—7月临清站风向缺失的时间序列图。）
此时可以判定该故障为硬件故障，需要到现场查看并使用万用表测量第四位格雷码的信号电压。气象站工作人员通过实地查看观测场，发现风向传感器的风向标正常转动，与备份站的风向标转动方向一致。按照先低后的原则，先检查地面的主采集器机箱，再检查风塔上的线缆和传感器。使用万用表测量风向和风速传感器的供电情况，发现供电电压为5V，供电系统正常；测量主采集器第四位格雷码对应的端子信号电压，测得电压值为5.02V，DZZ5型自动站的风向信号线路时主采集器的电压为5V，据此判断第四位格雷码信号线存在断路点；继续测量防雷板对应位置的电压，电压值为5.02V；检查主采集器机箱底部的航空插头，未发现虚接的情况，线路连接正常；检查风线缆，未发现明显破损处；最终爬上风塔，测量接线盒处第四位格雷码对应的线缆电压，发现电压在0~5V跳变，表现正常。基于此，可以判定故障点位于风线缆，重新检查后发现埋在地下的风线缆存在1处破损，台站向上级申请更换风线缆组件，更换风向记录恢复正常。
3 风向传感器日常维护要点第一，如果本站配备了双套自动站，定期对比两套风向传感器的风向表指向是否一致。第二，定期检查双套站的ISOS地面综合观测业务软件，查看双套站的风向数据偏差是否过大。第三，定期检查信号线缆是否破损，尤其是在观测场除草后。第四，及时备份观测数据。第五，定期全面检查防雷设施，复测接地电阻。第六，标明，强风等恶劣天气可能造成传感器冻结或损坏，当预报出现相应恶劣天气时，气象站工作人员应加强观测场巡视，风向异常时及时清除覆盖水层，或更换风向传感器。第七，按照业务规定，定期进行检查，检查周期不得超过2年。
4 结束语光电格雷码式风向传感器作为新型自动气象站的主要配套设施，其稳定运行对气象观测至关重要。梳理了软件配置异常、硬件信号故障及标示异常等问题，并提出逐级排查与分段检测的解决方案。日常维护中，气象站工作人员需加强双套数据对比，线缆状态检查及防雷接地测试，同时关注恶劣天气下的传感器防护。未来，气象站工作人员可进一步使用物联网技术优化故障预警机制，或探索解冻装置，以提升传感器的环境适应性。 参考文献： [1]王坦帅.新型自动气象站风向传感器工作原理和常见故障分析[J].农业灾害研究,2025,15(03):157-159. 特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！
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发表于 2025-10-31 06:02:46