CN108801504A - 一种压力测量装置及自行车踩踏传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力测量装置及自行车脚踏传感器，包括轴承、弹性件、垫块和力传感器，弹性件内设置有垫块，垫块与弹性件接触点或接触线两侧存在空隙；弹性件与垫块构成轴承安装位，轴承设置在弹性件内，力传感器设置在设置在弹性件外侧。本发明通过通过将传感器贴在弹性件上，使用间接测量的方式测量拉力，结构简单，成本低廉；通过设置通过将传感器设置在固定组件上，不影响设备的正常运转，同时能保证较为准确的计量值；通过设置垫块和设置垫块间隙，保证弹性件的正常形变并对弹性件形变量进行保护，并保持较高的灵敏度。

Description

一种压力测量装置及自行车踩踏传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种压力测量装置及自行车踩踏传感器。

背景技术

压力传感器是最常用的传感器之一，按照原理可分为应变片式和弹簧式等，但现有的压力传感器，通常要求被测物体与传感器相对固定，在被测物体移动的情况下，传统的传感器无法良好实现测量，比如应变片的触点需要导线连接，在轴旋转时，通常无法使用或利用滑环进行连接，但此时，传感器寿命将受到滑环等构建的影响，可靠性不佳，缺乏一种适用于运转或移动情况下的压力传感器。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的不足本发明提供一种压力测量装置，通过将传感器外置，并利用转动或移动的组件受压对固定组件造成的压力进行测量，以间接测量的方式，解决现有直接测量方式中，传感器无法布置或寿命受限的问题。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种压力测量装置，其特征在于：包括轴承、弹性件、垫块和力传感器，所述弹性件内设置有垫块，所述垫块与弹性件接触点或接触线两侧存在空隙；所述弹性件与垫块构成轴承安装位，所述轴承设置在弹性件内，所述力传感器设置在弹性件外侧。

进一步地，所述弹性件为柱体，弹性件的内侧设置有卵圆形孔，该卵圆形孔包括一个半圆形部和一个椭圆形部或抛物线形部，半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成一整体，所述半圆形部与轴承外侧紧密贴合，所述弹性件外侧设置有挂钩或挂载凸起。

进一步地，弹性件的椭圆形部或抛物线形部为等厚薄壁件，弹性件的椭圆形部或抛物线形部的外侧贴有力传感器，所述传感器对称贴设在薄壁件处。

进一步地，所述挂钩或挂载凸起为弹性件本身，通过将弹性件或弹性件的半圆形部部分嵌入安装座，实现弹性件的固定。

进一步地，所述垫块为月牙形或C形，所述垫块设置有半圆形弧部，所述半圆形弧部直径与轴承外径相同，垫块弧形顶端与弹性件接触。

进一步地，所述垫块由硬质实心材料制造。

进一步地，所述压力传感器可以为应变片、康铜丝或磁铁和霍尔感应器组合。

进一步地，所述轴承至少包括内圈、外圈和滚动体，所述轴承可选用滚子轴承、滚柱轴承、推力轴承、调心轴承。

本发明还公开了一种自行车踩踏传感器，包括所述的压力测量装置、端盖、支撑轴承、轴体，所述端盖设置有两个，其中一个端盖内设置有压力测量装置，所述轴体穿在所述压力测量装置的轴承，其中另一端盖内设置有支撑轴承，支撑轴承内穿有轴体。

进一步地，还包括保护轴承，所述保护轴承套接在轴体上，所述保护装置设置在靠近所述压力测试装置的所述端盖内，所述端盖内径大于保护轴承外径。

进一步地，所述保护轴承与端盖的间隙在0.01-Xmm之间，其中，X>0.02mm。

进一步地，设置有压力传感器的端盖内设置有挂载点或挂载槽，所述挂载点与弹性件的挂载凸起配合，所述挂载槽可使弹性件部分嵌入槽内，其中挂载槽半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成，半圆形部与弹性件紧密贴合，椭圆形部或抛物线形部宽度大于弹性件的壁厚，所述椭圆形部或抛物线形部构成弹性件的应变保护结构。

本发明的有益效果为：

1)通过将传感器贴在弹性件上，使用间接测量的方式测量拉力，结构简单，成本低廉。

2)通过设置通过将传感器设置在固定组件上，不影响设备的正常运转，同时能保证较为准确的计量值。

3)通过设置垫块和设置垫块间隙，保证弹性件的正常形变并对弹性件形变量进行保护，并保持较高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明一种压力测量装置的第一实施例结构示意图；

图2为本发明一种压力测量装置整体结构剖视图；

图3为本发明一种压力测量装置具有整体轴承套的结构示意图；

图4为本发明一种压力测量装置的另一种端盖侧视图；

图5为本发明一种压力测量装置的另一种端盖剖视图；

附图中各标注名称如下：1、轴承；2、内圈；3、外圈；4、滚动体；5、弹性件；6、垫块；8、传感器；9、空隙；10、挂载凸起；11、轴；12、端盖；13、保护轴承；14、支撑轴承；15、压力测量装置；16、挂载槽；17、放大电路安装位。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更佳清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种压力测量装置，包括轴承、弹性件、垫块和力传感器，弹性件内设置有垫块，弹性件与垫块构成轴承安装位，轴承设置在弹性件内，力传感器设置在设置在弹性件外侧。

第一实施例

请参阅图1：

一种压力测量装置，包括轴承1、弹性件5、垫块6和力传感器8，弹性件5内设置有垫块6，弹性件5与垫块6构成轴承1安装位，轴承1设置在弹性件5内，力传感器8设置在设置在弹性件5外侧，具体为:

轴承1外侧套接有弹性件5，该弹性件5由弹簧钢或其他弹性材料制造，以保证测量寿命。弹性件5为柱体，弹性件5的内侧设置有卵圆形孔，弹性件5外周可以为圆形或也为卵圆形。该卵圆形孔包括一个半圆形部和一个椭圆形部或抛物线形部，半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成一整体，半圆形部与轴承1外侧紧密贴合，弹性件5外侧设置有挂钩或挂载凸起10。

弹性件5的卵圆形孔与柱体构成壁厚变化的桶装结构。

在本发明的一个最佳实施例中，卵圆形孔的椭圆形部或抛物线形部为壁厚相等的桶装结构。弹性件5外侧设置有突出的挂载凸起10，该挂载凸起10为直径大于椭圆形短轴的半圆弧结构，该半圆弧结构设置在卵圆形孔的半圆形部外侧，使得弹性件5整体呈蘑菇形。

弹性件5的椭圆形部或抛物线形部为等厚薄壁件，弹性件5的椭圆形部或抛物线形部的外侧贴有力传感器8，传感器8对称贴设在薄壁件处。利用等厚材料的形变量相等的特性，可实现对力的精确测量。

垫块6由钢、铁等硬质实心材料制造。垫块6为月牙形或C形的柱体，垫块6设置有半圆形弧部，半圆形弧部直径与轴承1外径相同，垫块6弧形顶端与弹性件5接触，其中垫块6的圆弧形部分与卵圆形孔的圆形部分构成轴承1的安装位，为保证轴承1的良好固定并提高测量精度，可将该轴承1安装位设计成过盈配合。

垫块6与弹性件5接触点或接触线两侧存在空隙，使得弹性件5可有一定的变形空间。

在作为自行车中轴力矩测量时，该垫块6与弹性件5接触点或接触线两侧存在空隙9。垫块6的两个端点到弹性件5的距离为0.01-2mm。

在一些重载场合，该间距可以适当放大并选用其他传感器8作为测量原件。

弹性件5薄壁外侧设置有压力传感器8，该传感器8可以为应变片、康铜丝或磁铁和霍尔感应器组合。

当然，在用于更大型设备的情况下，如起重机、吊车等应用时，可将垫块6与弹性件5接触点或接触线两侧存在空隙9调整为更大间隙，如10mm或更多，并可设置康铜丝作为力矩传感器8或者采用磁铁与霍尔传感器8的组合，通过测量磁场强度来测量形变程度，进而实现力压力测量。

本实施例中，轴承1至少包括内圈2、外圈3和滚动体4，轴承1可选用滚子轴承1、滚柱轴承1、推力轴承1、调心轴承1等。

压力传感器8的输出连接有放大电路，并依靠放大电路输出测量信号。

本发明的测量过程原理为：

当轴承1受到横向力时，由于垫块6硬度高，变形小，垫块6会挤压弹性件5，此时，由于垫块6与弹性件5仅仅为点接触或线接触，在接触位置两侧存在空隙9，由于弹性件5的接触位置受压，会使得弹性件5的受压位置两侧向内靠近垫块6，使得垫块6两端到弹性件5的间距减小，弹性件5产生形变，此时设置在弹性件5上的应变片采集这种形变并转化为可测量的电学量，实现对压力的采集。

在上述过程中，通过改变垫块6形状，能给弹性件5更大的压强，增加形变量，同时通过控制垫块6两端到弹性件5的距离，可有效控制性件的形变量，防止弹性件5由于过度形变损坏或使得传感器8失效。在压力达到一定程度后，将由垫块6整个面承压，减小压强，保护弹性件5和应变片。

为获得更好的形变效果，弹性件5与垫块6接触部分应悬空，以获得更大的形变量。

第二实施例，

请参阅图1-3：

本实施例为压力测量装置在自行车中轴力矩传感器8上的应用，具体为：

轴承1外侧套接有弹性件5，弹性件5与垫块6弧形部分构成轴承1安装位，弹性件5为柱状，该柱状弹性件5包括一个卵圆形孔，该卵圆形孔包括一个半圆形部和一个椭圆形部，半圆形部和椭圆形部构成一整体，半圆形部轴承1外侧紧密贴合，弹性件5设置在力矩中轴的端盖内，弹性件5的外周在卵圆形孔顶端位置曲率大于其他位置曲率，使得弹性件5的外周在卵圆形孔顶端位置部分不与中轴贴合接触，弹性件5的外周在卵圆形孔顶端位置的两侧贴合有作为力传感器8的应变片，该应变片的输出连接有放大电路。图1中，弹性件5外侧为蘑菇状，蘑菇状的挂载凸起10与中轴端盖连接并固定，使得弹性件5顶部悬空，提高受力形变量。

在该实施例中，

端盖一端设置有螺纹连接部10，该螺纹连接部10与自行车五通连接。端盖的轴承11内设置有轴，该轴上设置有牙盘和曲柄。

需要特别注意的是，该传感器8应横向布置，即，传感器8中心与轴承1中心的连线与地面水平。

用作力矩测量时，该传感器8的工作原理为：工作时，当人踩踏踏板，通过曲柄带动轴和牙盘旋转，牙盘通过链条带动车轮旋转。由于车轮的运行阻力，使得链条绷紧，链条对牙盘产生向后的拉力，该拉力通过轴施加在轴承1上，由于力传感器8横向布置，当轴承1受到向后的压力时，压力作用于轴承1并通过垫块6传递到弹性件5，使得弹性件5在垫块6位置受压形变，通过应变片的阻值改变进行压力测量，此时通过换算可得出输入扭矩或可直接使用该拉力值作为车辆的控制信号，在车辆静止或滑行时，由于链条不受力，不产生向后的拉力，此时，即便人站立在自行车上，由于人对轴承11的压力向下，不产生向后的拉力，此时的传感器8输出小或无信号，以此作为判别车辆助力的依据。

本实施例中，垫块6与弹性件5接触点或接触线两侧存在空隙9。垫块6的两个端点到弹性件5的距离为0.01-2mm，更佳的一个方案中，该距离限制在0.01-1mm，当然，该距离可根据需要自行调整。

当然该压力测量装置还可以作为骑行的功率计或体能消耗的传感器8数据来源。并适用于前驱或后驱轮毂电机的方案。

请参阅图2和图3，在第二实施例的一个改进方案中，可在轴体11上套接保护轴承13，通过在保护轴承13和端盖12之间设置合理的间隙实现对传感器的保护，使得拉力超过一定范围时，弹性件形变被限制，避免传感器损坏。具体包括：

五通管和设置在五通管上的压力测量装置15、端盖12支撑轴承和轴体，端盖12设置有两个，两个端盖12分别与五通管的两端，并且通过螺纹连接在一起，轴体11穿过五通管，轴体11的两端分别从两个端盖12内伸出，其中一个端盖12内设置有压力测量装置15，轴体11穿在压力测量装置15的轴承1，并与轴体11过盈配合，另一端盖12内设置有支撑轴承14，支撑轴承14同时套接在轴上。优选的，还包括保护轴承13保护轴承13套接在轴体11上，保护轴承13靠近压力测量装置布置并设置在压力测量装置内侧。

特别的，设置压力测量装置15一侧的端盖12，其螺纹连接部分长于设置支撑轴承14一侧的端盖12；或者，设置压力测量装置一侧的端盖12，其设置在五通管外侧部分的长度大于设置支撑轴承14一侧的端盖12，使得保护轴承13可被设置在端盖12内，端盖12内径大于保护轴承13外径。保护轴承13与端盖12的间隙在0.01-Xmm(X>0.02)之间，本实施例中，端盖12间隙在0.05-5mm之间。

作为另一个方案，保护轴承13的限位也可依靠五通管进行，在该方案中，保护轴承13不设置在端盖12内，即保护轴承13的侧面不被端盖12覆盖，保护轴承13的直径可大于支撑轴承14的直径，保护轴承13直径仅需小于五通管的内径，为合理控制弹性件变形，保护轴承13的直径比五通管内径小0.1-5mm。

保护原理为，链条拉动齿盘产生向后的拉力，拉力通过轴体11传递到轴承1上，并使得弹性件造成一定形变，当形变量小于一定值时，保护轴承并未与端盖12或五通管内壁接触，此时，弹性件形变与拉力成线性或曲线下变化，当拉力达到甚至超过一定值时，随着弹性形变增加，轴体11靠向一侧并使得保护轴承与五通管或端盖12内壁接触，此时，多余的拉力依靠保护轴承13承载，避免了弹性件继续形变造成弹性失效或应变片脱落。

第三实施例

请参阅图1、图4和图5：

相比于实施例1与实施例2，本方案不设置挂载凸起直接利用弹性件挂载，相比于实施例2，本方案取消了保护轴承利用端盖的挂载位置实现保护。具体为：

一种压力测量装置，包括轴承1、弹性件5、垫块6和力传感器8，弹性件5内设置有垫块6，弹性件5与垫块6构成轴承1安装位，轴承1设置在弹性件5内，力传感器8设置在设置在弹性件5外侧。

轴承1外侧套接有弹性件5，该弹性件5由弹簧钢或其他弹性材料制造，以保证测量寿命。弹性件5为柱体，弹性件5的内侧设置有卵圆形孔，弹性件5外周可以为圆形或也为卵圆形。该卵圆形孔包括一个半圆形部和一个椭圆形部或抛物线形部，半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成一整体，半圆形部与轴承1外侧紧密贴合，弹性件5为壁厚一致的空心柱状结构。

弹性件5的椭圆形部或抛物线形部为等厚薄壁件，弹性件5的椭圆形部或抛物线形部的外侧贴有力传感器8，传感器8对称贴设在薄壁件处。利用等厚材料的形变量相等的特性，可实现对力的精确测量。

垫块6由钢、铁等硬质实心材料制造。垫块6为月牙形或C形的柱体，垫块6设置有半圆形弧部，半圆形弧部直径与轴承1外径相同，垫块6弧形顶端与弹性件5接触，其中垫块6的圆弧形部分与卵圆形孔的圆形部分构成轴承1的安装位，为保证轴承1的良好固定并提高测量精度，可将该轴承1安装位设计成过盈配合。

垫块6与弹性件5接触点或接触线两侧存在空隙，使得弹性件5可有一定的变形空间。

特别的，该弹性件5的高度大于轴承和垫块的高度，使得弹性件的一侧或两侧可部分嵌入端盖中。

端盖内设置有测量装置，端盖设置有挂载点或挂载槽，所述挂载点与弹性件的挂载凸起配合。

本方案中，端盖设置有挂载槽，其中挂载槽形状与弹性件形状相似，即，挂载槽由半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成，为实现挂载与安装，半圆形部与弹性件的半圆形部紧密贴合，最佳的，该配合为零配合，椭圆形部或抛物线形部宽度大于弹性件的壁厚，使得弹性件的椭圆形部或抛物线形部可在挂载槽椭圆形部或抛物线形部内进行形变，所述椭圆形部或抛物线形部构成弹性件的应变保护结构，即，当弹性件的变形达到一定程度后，弹性件的外壁将与端盖挂载槽的内壁接触，限制弹性件的进一步形变，实现对弹性件5和力传感器8的保护。

该端盖还设置有盖板，最佳的，盖板与端盖对应的位置也设置有挂载槽，该挂载槽与端盖的挂载槽形状尺寸相同且相对设置，使得弹性件的两侧分别嵌入端盖和盖板的挂载槽，实现弹性件的固定。

此外，该端盖12还设置有放大电路安装位17，该放大电路安装位17设置在端盖侧面。

第四实施例

本实施例为压力测量装置作为一种称重传感器8或拉力传感器8的应用，具体为，将压力测量装置贴合有传感器8的一面向下垂直地面安装，且保证弹性件5的四周固定并保证设置垫块6的位置悬空。传感器8的输出连接放大器或处理电路并输出。

工作时，当轴体11受到一个向下的压力，轴体11将压力传递给轴承1，轴承1通过垫块6将压力传递给弹性件5，弹性件5因此受力变形，应变片采集该形变并转化为压力信号输出，相比于常规的静态测量方式，该传感的测量优势在于，既可以像传统的传感器8一样进行静态压力测量，还可以在运动过程中进行测量，比如将该传感器8设置在传送带上，滚轮带动轴传动，同时传送带上的压力通过滚轮和轴对轴承1施压产生形变进行测量，此时并不影响轴的运转工作，实现传送带工作过程的实时测量。由此扩展，该传感器8还可用于车辆轮轴等处的压力测量，用于测量车辆的装在量和行驶中的冲击力等。

本发明一种压力测量装置的有益效果为：

1)通过将传感器贴在弹性件上，使用间接测量的方式测量拉力，结构简单，成本低廉。

2)通过设置通过将传感器设置在固定组件上，不影响设备的正常运转，同时能保证较为准确的计量值。

3)通过设置垫块和设置垫块间隙，保证弹性件的正常形变并对弹性件形变量进行保护，并保持较高的灵敏度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。可以采用不同的组合方式来实施本发明，如电机可以采用同心同轴安装或者一侧安装，减速机构可以通过行星轮减速或者其他齿轮、链条减速结构，中轴可以采用单轴结构或者左右轴结构，传感器可以采用各种扭矩传感器或者速度传感器，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种压力测量装置，其特征在于，包括轴承、弹性件、垫块和力传感器，所述弹性件内设置有垫块，所述垫块与弹性件接触点或接触线两侧存在空隙；所述弹性件与垫块构成轴承安装位，所述轴承设置在弹性件内，所述力传感器设置在弹性件外侧。

2.根据权利要求1所述的一种压力测量装置，其特征在于，所述弹性件为柱体，弹性件的内侧设置有卵圆形孔，该卵圆形孔包括一个半圆形部和一个椭圆形部或抛物线形部，半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成一整体，所述半圆形部与轴承外侧紧密贴合，所述弹性件外侧设置有挂钩或挂载凸起。

3.根据权利要求2所述的一种压力测量装置，其特征在于，弹性件的椭圆形部或抛物线形部为等厚薄壁件，弹性件的椭圆形部或抛物线形部的外侧贴有力传感器，所述传感器对称贴设在薄壁件处。

4.根据权利要求2所述的一种压力测量装置，其特征在于，所述挂钩或挂载凸起为弹性件本身，通过将弹性件或弹性件的半圆形部部分嵌入安装座，实现弹性件的固定。

5.根据权利要求1所述的一种压力测量装置，其特征在于，所述垫块为月牙形或C形，所述垫块设置有半圆形弧部，所述半圆形弧部直径与轴承外径相同，垫块弧形顶端与弹性件接触。

6.根据权利要求1或5所述的一种压力测量装置，其特征在于，所述垫块由硬质实心材料制造。

7.根据权利要求1或3所述的一种压力测量装置，其特征在于，所述压力传感器可以为应变片、康铜丝或磁铁和霍尔感应器组合。

8.根据权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于，所述轴承至少包括内圈、外圈和滚动体，所述轴承可选用滚子轴承、滚柱轴承、推力轴承、调心轴承。

9.一种自行车踩踏传感器，其特征在于，包括使用权利要求1-8任一所述的压力测量装置、端盖、支撑轴承、轴体，所述端盖设置有两个，其中一个端盖内设置有压力测量装置，所述轴体穿在所述压力测量装置的轴承，其中另一端盖内设置有支撑轴承，支撑轴承内穿有轴体。

10.根据权利要求9所述的一种自行车踩踏传感器，其特征在于，还包括保护轴承，所述保护轴承套接在轴体上，所述保护装置设置在靠近所述压力测试装置的所述端盖内，所述端盖内径大于保护轴承外径。

11.根据权利要求10所述的一种自行车踩踏传感器，其特征在于，所述保护轴承与端盖的间隙在0.01-Xmm之间，其中，X>0.02mm。

12.根据权利要求9所述的一种自行车踩踏传感器，其特征在于，设置有压力传感器的端盖内设置有挂载点或挂载槽，所述挂载点与弹性件的挂载凸起配合，所述挂载槽可使弹性件部分嵌入槽内，其中挂载槽半圆形部和椭圆形部或抛物线形部构成，半圆形部与弹性件紧密贴合，椭圆形部或抛物线形部宽度大于弹性件的壁厚，所述椭圆形部或抛物线形部构成弹性件的应变保护结构。