CN108791681A - 一种测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于，包括：装配在自行车或电动助力车五通管内的中轴、分别连接在中轴两端的左曲柄和右曲柄、套设在中轴上且表面具有带状条纹的套管、连接至套管上的牙盘、环绕在套管表面带状条纹外围的线圈、套设在中轴上的磁环、固定在五通管处的霍尔传感器、以及用来连接、收发和运算相关电信号的电信号处理单元。本装置利用压磁效应及霍尔效应的感测方法，可准确测量从左右曲柄传至中轴的踩踏力矩、曲柄位置角度、中轴转动速度及踩踏功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触的压磁式力矩感测技术，以及磁环转动角度的感测技术，尤其是涉及自行车或电动助力车五通管处的力矩传感器、磁环位置角度和转速感测计、以及功率计。
背景技术
在自行车功率计及电动助力车等产品和相关的技术应用中，必须要精准且快速检测的诸多物理量中，就包含了两侧曲柄的双边踩踏力矩、踩踏频率(同义于中轴转速)、以及曲柄位置角度。因为能准确测量踩踏力矩及踩踏频率，就能准确获知力矩与踩踏频率的乘积，功率；因为能准确测量踩踏力矩及踩踏频率，助力车才能按照踩踏力矩与踩踏频率两者所组合而成的各种不同的踩踏情境，据以提供相应的助力；因为能准确测量曲柄位置角度，才能据以分析踩踏的用力时机，方能及时提供符合人体工学及高效的踩踏助力。
现有的用于检测中轴双边力矩及转速或功率的装置，如中国专利申请(公开号：CN203806093U)公开的一种电动自行车中轴力矩速度传感装置，包括装配于五通管内的中轴、固定在中轴两端的左曲柄和右曲柄、以及套设于中轴上的牙盘，所述中轴上套有一个当其受到周向扭转力时会产生周向形变的力矩套管，该力矩套管的一端与所述中轴固定，另一端与所述牙盘固定；所述力矩套管的外管壁上固定有一圈与该力矩套管紧贴布置的导磁合金薄片，所述导磁合金薄片上密布开设有若干空洞，所述导磁合金薄片的外围布置有检测磁性变化的线圈，所述线圈经一信号处理器与电机控制器相连，所述五通管内还固定设置有与所述信号处理器相连的速度感应霍尔，所述中轴上固定有与所述速度感应霍尔对应的速度感应磁钢。上述的这种检测装置的导磁合金薄片，需要紧贴布置在套管外管壁，但这种薄片紧贴的方式，不易获得具有良好线性度的量测数据，尤其在承受多次的周向扭转力时，薄片与管壁之间的紧贴程度，不易维持一致，影响可靠度。
又如中国专利申请(公开号：CN106275226A)公开的一种用于自行车或辅助动力自行车的双边功率计，包括应变片、信号处理传输电路、左轴、右轴和齿盘支架，所述应变片和所述信号处理传输电路通过导线相连接；其中，所述应变片与所述左轴紧密贴合，所述信号处理传输电路嵌入自行车的左曲柄内，所述右轴插入所述左轴内部，插入的端部与所述左轴固定连接，所述左轴的另一端与所述齿盘支架固定连接。上述的这种检测装置的应变片，需要接通电源，方能运作，因此设计和安装均变得复杂。
又如中国专利申请(公开号：CN203186537U)公开的一种助力自行车的扭矩检测装置，包括两端与曲柄相连接的输入轴、套设在所述的输入轴上且同轴心设置的输出轴、以及设置在输入轴与输出轴之间且能够检测输入轴扭转变形角度的角度传感器；所述的输出轴的输入端与输入轴之间通过花键相啮合；所述的输出轴的输出端与所述的链轮通过花键相啮合。上述的这种检测装置的整体结构较占空间，不便装设于常规五通管内。
又如中国专利申请(公开号：CN102297736B)公开的曲柄扭力感应装置，乃设于助力型电动车的五通轴位置，主要借由踩踏踏板时大齿盘带动链条所受到的反作用力，于五通轴支点产生一个向后的拉力，借由量测此向后的拉力大小，即可得知踩踏踏板所产生的扭力值，而该五通轴所受的向后拉力大小乃透过一个类似弹簧磅秤的原理，测量五通轴的位移量，并根据附设的弹簧弹力系数及形变量计算而得。上述的这种感应装置，在量测向后拉力的大小时，五通轴处需留出一些相应的弹性形变的空间，导致不易获得精密的扭力量测数据，尤其是加大了相关部件的制作难度。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种能够同时测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，并且具有高可靠度及量测的一致性，量测数据可具备较高解析度及较佳精度。
本发明的目的，可通过下列技术方案来实现：一种测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，包括：装配在自行车或电动助力车五通管内的中轴、分别连接在中轴两端的左曲柄和右曲柄、套接在中轴上且表面具有带状条纹的套管、连接于套管的牙盘、环绕在套管表面带状条纹外围的线圈、套设在中轴上的磁环、固定在五通管处的霍尔传感器、以及用来连接、收发和运算相关电信号的电信号处理单元，其中，所述带状条纹包括左右两段式的人形条纹及三段式的Z形条纹；所述套管为铁磁性材质，一端套设于中轴上，另一端则与牙盘相连；所述带状条纹的材质成分同于整只套管，且是在套管的表面直接进行机械加工而形成，所述套管在承受周向扭转力矩时，导致所述带状条纹产生剪切应变，由于压磁效应，导致所述线圈可产生相应的感应电动势；所述霍尔传感器在所述磁环跟随所述中轴转动时，所述霍尔传感器的感测点处的磁通密度(磁感应强度)发生相应变化，所述霍尔传感器则输出相应的电压。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，在相邻两个区域的两相邻条纹段之间，可有三种组态：连接组态、间隙组态及一侧连接而另一侧留间隙的组态；所述机械加工的工艺是滚压式、切削式或喷砂式；所述带状条纹于投影面上，每一段条纹与垂直线夹角则保持在20度～70度及110度～160度之间；所述线圈则为两组串联的形式，且两组的绕线方向相反。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器可采用线性型式，所述磁环采用沿轴向或径向充磁的方式，形成正弦波形状的表面磁感应强度(以下简称表磁)，甚至所述磁环可充磁形成具有二极正弦波形状的表磁。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，还可增设第二霍尔传感器，所述第二霍尔传感器可采用开关型式或线性型式，并与所述霍尔传感器两者以周向间隔圆周角90度的方式排列。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器、所述表磁、所述左曲柄和所述右曲柄四者之间，以固定对应的方式安设。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器可采用开关型式，而所述磁环可采用沿轴向或沿径向充磁的方式，形成正弦波形表磁、凹形表磁或梯形表磁。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器或第二霍尔传感器采用霍尔效应法测量空间的二维磁场或三维磁场。
与现有技术相比，本测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置具有以下优点：
1、可以精准获知曲柄的位置角度。如此方能分析及掌握踩踏出力时机，并确保提供助力的及时性。
2、高可靠度及一致性的测量结果。因为套管表面的带状条纹，就是套管本体的一部分，如此即可免除如现有薄带粘贴工艺的种种顾虑因素；且可借由掌握套管的弹性限度，来确认本装置工作在套管的弹性區域，进而保证了测量结果的一致性。
3、较高精度的角度及转速的量测数据。因为线性霍尔传感器可提升量测的解析度；两正交霍尔传感器可提高量测的精度；而扩增量测二维及三维的空间磁场，更可同时提升角度及转速测量数据的解析度及精度。
4、结构简单紧凑。本发明所提出的技术方案，汇集中轴双边力矩、曲柄位置角度、踩踏频率及踩踏功率这四种物理量的量测方式于一体，可安设于自行车五通管内。
附图说明
图1为本发明的分解结构示意图；
图2为本发明的部分组合状态图；
图3为本发明的部分剖面图；
图4为套管及其表面人形条纹的斜视图；
图5为套管及其表面人形条纹的正视图；
图6为套管表面人形条纹与投影面垂直线夹角的示意图；
图7为套管表面Z形条纹与投影面垂直线夹角的示意图；
图8为人形条纹连接组态的示意图；
图9为Z形条纹连接组态的示意图；
图10为人形条纹间隙组态的示意图；
图11为Z形条纹间隙组态的示意图；
图12为Z形条纹一侧连接而另一侧间隙组态的示意图；
图13为磁环与中轴及霍尔传感器三者之间相对位置的正视及左侧视图；
图14为本发明另一实施方式中的磁环、中轴、霍尔传感器及第二霍尔传感器四者之间相对位置的正视及左侧视图；
图15为本发明对应到曲柄转动角度之磁环的正弦波形状表磁图；
图16为本发明对应到曲柄转动角度之正弦波形状的霍尔传感器感测电压图；
图17为本发明对应到曲柄位置角度之磁环的二极正弦波形状表磁图；
图18为本发明对应到曲柄位置角度之二极正弦波形状的霍尔传感器感测电压图；
图19为本发明对应到曲柄位置角度之两正交方波与正弦波形状的霍尔传感器感测电压图；
图20为本发明对应到曲柄位置角度之两正交正弦波形状的霍尔传感器感测电压图；
图21为本发明对应到曲柄转动角度之磁环的凹形表磁图；
图22为本发明对应到曲柄转动角度之磁环的梯形表磁图；
图23为本发明对应到曲柄转动角度之方波形状的霍尔传感器感测电压图；
图24为本发明对应到曲柄转动角度之两正交方波形状的霍尔传感器感测电压图。
图中1.中轴，2.套管，3.人形条纹，4.线圈，5.磁环，6.霍尔传感器，7.电信号处理单元，11.左曲柄，12.右曲柄，20.第二套管，21.牙盘，30.第二人形条纹，33.Z形条纹，41.承座，51.正弦波形表面磁感应强度，52.两正交方波与正弦波的感测电压波形，53.两正交正弦波的感测电压波形，54.凹形表磁，55.梯形表磁，61.第二霍尔传感器，200.第三套管，210.屏蔽罩，220.左轴承，222.第四套管，230.左牙碗，240.垫片，250.右轴承，260.右牙碗，300.第三人形条纹，510.正弦波形电压，520.二极正弦波形表面磁感应强度，530.二极正弦波形电压，540.方波形电压，550.两正交方波的感测电压波形，600.中轴总成，700.第一夹角，701.第二夹角，800.连接组态的人形条纹，801.连接组态的Z形条纹，802.间隙组态的人形条纹，803.间隙组态的Z形条纹，804.一侧连接而另一侧间隙组态的Z形条纹。
具体实施方式
如图1～图3及图13所示，测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，包括：装配在自行车或电动助力车五通管内的中轴1、分别连接在中轴1两端的左曲柄11和右曲柄12、套接在中轴1上且表面具有带状条纹3、33的套管2、连接于套管2的牙盘21、环绕在套管2表面带状条纹3、33、外围的线圈4、套设在中轴上的磁环5、固定在五通管处的霍尔传感器6、以及用来连接、收发和运算相关电信号的电信号处理单元7，而所述电信号处理单元7则借由侦测线圈4及霍尔传感器6的电压，并计入时间后进行运算处理，即可获知中轴双边力矩、位置角度、转速及功率，其中，如图4～图7所示，所述带状条纹3、33包括左右两段式的人形条纹3及三段式的Z形条纹33；所述套管为铁磁性材质，一端套设于中轴1上，另一端则与牙盘21相连接，如此双边曲柄的力矩均可传到中轴1，而中轴1乃经由套管2才连接到牙盘21，而作为转接的套管2，则以牙盘21为负载，承受且传递着左右双边两曲柄所输入的踩踏力矩(简称双边力矩)；所述带状条纹3、33的材质成分同于整只套管2，且是在套管2的表面直接进行机械加工而形成，如此一体的带状条纹3、33与套管2，就具有较高的可靠度；所述套管2在承受周向扭转力矩时，导致所述带状条纹3、33产生剪切应变，由于压磁效应，以相邻且平行同一个方向的条纹作为一个区域，则带状条纹3、33相邻两个区域的磁导率将分别相应地增加及减少，导致所述线圈4可产生相应的感应电动势；所述霍尔传感器6在所述磁环5跟随所述中轴1转动时，所述霍尔传感器6的感测点处的磁通密度(磁感应强度)发生相应变化，所述霍尔传感器6则输出相应的电压，该电压即对应到磁环5转动角度的变化。
如图8～图12所示，在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，在相邻两个区域的两相邻条纹段之间，可有三种组态：连接组态800、801、间隙组态802、803及一侧连接而另一侧留间隙的组态804。不同组态的带状条纹3、33，适合相应不同的机械加工方式，可产生各自不同的剪切应变效果。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述机械加工的工艺是滚压式、切削式或喷砂式如图5及图6所示；又如图8～图12所示，所述带状条纹3、33于投影面上，每一段条纹与垂直线夹角700、701保持在20度～70度及110度～160度之间，如图6及图7所示，如此可利于形成从外向内挤压或拉伸的剪应力；所述线圈4则为两组串联的形式，且两组的绕线方向相反，用以消除共模干扰。
如图15及图16所示，在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器6可采用线性型式，所述磁环5采用沿轴向或径向充磁的方式，形成正弦波形状的表面磁感应强度(以下简称表磁)51，如此可获得趋近于平滑且单调性变化的线性输出结果，可提升测量的解析度及精准度；甚至所述磁环5可充磁形成具有二极正弦波形状的表磁520，如图17及图18所示，如此即可经由一只线性霍尔传感器的两个连续量测值，就能判定磁环5的位置角度。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，还可增设第二霍尔传感器61，如图14所示，所述第二霍尔传感器61可采用开关型式或线性型式，并与所述霍尔传感器6两者以周向间隔圆周角90度的方式排列，如此两霍尔传感器相互对应的量测数值，可具有较佳的解析度及精度。
如图19及图20所示，在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器6、所述磁环的二极正弦波形表面磁感应强度(520)、所述左曲柄11和所述右曲柄12四者之间，以固定对应的方式安设，如此霍尔传感器6输出电压即可对应到曲柄位置角度。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器可采用开关型式，而所述磁环可采用沿轴向或沿径向充磁的方式，形成正弦波形表磁51、凹形表磁54或梯形表磁55，如图21及图22所示，则开关型式的霍尔传感器将感应输出方波，如图23所示；若再搭配以正交方式排列的开关型式的第二霍尔传感器61，则此两霍尔传感器相互对应搭配所得的量测数值，如图24所示，就可具有较佳的解析度及精度。
在上述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置中，所述霍尔传感器6或第二霍尔传感器61可扩增所测量空间磁场的维度，从一维磁场到二维或三维磁场，如此可获得更多的有关磁环转动的情境，可增加量测的精准度，并提高可靠度。
Claims (16)
1.一种测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于，包括：装配在自行车或电动助力车五通管内的中轴(1)、分别连接在中轴(1)两端的左曲柄(11)和右曲柄(12)、套接在中轴(1)上且表面具有带状条纹(3，33)的套管(2)、连接于套管(2)的牙盘(21)、环绕在套管(2)表面带状条纹(3，33)外围的线圈(4)、套设在中轴上的磁环(5)、固定在五通管处的霍尔传感器(6)、以及用来连接、收发和运算相关电信号的电信号处理单元(7)，其中，
所述的带状条纹(3，33)包括左右两段式的人形条纹(3)及三段式的Z形条纹(33)；
所述套管(2)为铁磁性材质，一端套设于中轴(1)上，另一端则与牙盘(21)相连接；所述带状条纹(3，33)的材质成分同于整只套管(2)且是在套管(2)的表面直接进行机械加工而形成；
所述套管(2)在承受周向扭转力矩时，导致所述带状条纹(3，33)产生剪切应变，由于压磁效应，所述线圈(4)可产生相应的感应电动势；
所述霍尔传感器(6)在所述磁环(5)跟随所述中轴(1)转动时，所述霍尔传感器(6)的感测点处的磁通密度发生相应变化，所述霍尔传感器(6)则输出相应的电压。
2.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述带状条纹(3，33)中，以相邻且平行同一个方向的条纹作为一个区域，则相邻两个区域间两相邻条纹段之间，为连接组态(800，801)。
3.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述带状条纹(3，33)中，以相邻且平行同一个方向的条纹作为一个区域，则相邻两个区域间两相邻条纹段与段之间，为间隙组态(802，803)。
4.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述带状条纹(3，33)中，以相邻且平行同一个方向的条纹作为一个区域，则相邻两个区域间两相邻条纹段与段之间，为一侧连接而另一侧间隙组态(804)。
5.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述机械加工的工艺是滚压式、切削式、或喷砂式。
6.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述带状条纹(3，33)，于投影面上，每一段条纹与垂直线夹角(700，701)，在20度～70度及110度～160度之间。
7.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述线圈(4)为两组串联的形式，且两组的绕线方向相反。
8.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述霍尔传感器(6)采用线性型式，所述磁环(5)采用沿轴向或沿径向充磁的方式，形成正弦波形表面磁感应强度(51)。
9.根据权利要求8所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述磁环(5)采用沿轴向或沿径向充磁的方式，形成二极正弦波形表面磁感应强度(520)。
10.根据权利要求9所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：还设有第二霍尔传感器(61)，所述第二霍尔传感器(61)与所述霍尔传感器(6)两者以周向间隔圆周角90度的方式排列。
11.根据权利要求10所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述第二霍尔传感器(61)采用开关型式。
12.根据权利要求10所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述第二霍尔传感器(61)采用线性型式。
13.根据权利要求9～12所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述霍尔传感器(6)、所述磁环的二极正弦波形表面磁感应强度(520)、所述左曲柄(11)和所述右曲柄(12)四者之间，以固定对应的方式安设。
14.根据权利要求1所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述霍尔传感器(6)采用开关型式，所述磁环(5)采用沿轴向或沿径向充磁的方式，形成正弦波形表面磁感应强度(51)，或形成凹形表面磁感应强度(54)，或形成梯形表面磁感应强度(55)。
15.根据权利要求13所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：还设有第二霍尔传感器(61)，且所述第二霍尔传感器(61)采用开关型式，且所述第二霍尔传感器(61)与所述霍尔传感器(6)两者以周向间隔及形成90度电角度的方式排列，或是所述第二霍尔传感器(61)与所述霍尔传感器(6)两者以周向间隔及形成90度奇数倍电角度的方式排列。
16.根据权利要求1～15中任意一项所述的测量中轴双边力矩、位置角度、转速及功率的装置，其特征在于：所述霍尔传感器(6)或第二霍尔传感器(61)采用霍尔效应法测量空间的二维磁场或三维磁场。
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