CN112067169B - 一种霍尔压电传感器及电动自行车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种霍尔压电传感器，包括施力体，所述施力体用于接收外力，所述施力体设有触动凸块；承力体，所述承力体用于支撑所述施力体；复位弹性体，所述复位弹性体位于所述施力体与所述承力体之间；杠杆，所述杠杆的第一臂与所述触动凸块邻接，所述杠杆的支点靠近所述第一臂；杠杆复位弹簧，所述杠杆复位弹簧设置于所述承力体与所述杠杆之间；磁钢，所述磁钢固定在所述杠杆的第二臂，霍尔传感器，所述霍尔传感器固定在所述磁钢的运动通路上。本发明采用线性霍尔为压电转换器件，无需信号放大处理，解决了称重传感器复杂的放大电路及环境修正电路的应用，可以简化后续应用电路及复杂的环境修正电路设计。

Description

一种霍尔压电传感器及电动自行车

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种电动自行车用霍尔压电传感器。

背景技术

电动自行车分为全电动自行车和电助力自行车以及混合这两种方式的电动自行车。全电动自行车就是带有转把的电动自行车，拧转把就象摩托车加油门一样，电动车启动前行；电助力自行车在脚踏部分加了传感器，传感器会把你的踩踏情况反馈给控制器，然后控制器控制电机工作，达到助力前行的模式。

电助力自行车关键的部件是助力传感器，助力传感器是装在电动自行车脚踏部分的，功能是向控制器传递目前骑车人的踏频和踩踏力等信息。目前助力车传感器大体分为两类，一类是速度传感器，传递的是踏频信息，另一类就是力矩传感器，可以理解为传递的是踩踏力。助力传感器信号传到控制器后，控制器会根据信号的大小来控制电机进行工作。速度传感器比较简单，有感应触点和磁钢圈组成，磁钢圈装在五通管中轴上随曲柄转动，使磁钢圈上的小磁钢与感应触点产生感应，从而将踩踏速度等信息传递给控制器。力矩传感器也是装在五通管中轴位置，它传递的不是踩踏的频率，而是踩踏的力量，与速度传感器相比，助力更精确，也就是踩的最用力的时候，电机的输出功率最大。力矩传感器与速度传感器相比更复杂和精密，适合于山地车等适合爬坡的情况，在上坡的时候，踩踏力更大，电机提供的功率更大。

目前，压电传感器领域的传感器结构大致有电桥式称重压电传感器、压电膜片式传感器及压电陶瓷式传感器，其主要用途是动态检测物体表面的压力变化并通过相应的A/D转换放大电路来拾取相应的电压信号输出，供特定场合的信号采集、控制。

但是，电桥式压电称重传感器因称重精度要求，转换电路并抗环境因素修正电路复杂，从而制造成本较高，使用场合仅限电子衡器类产品应用，其他一般应用场合很难适合使用；而压电膜片式传感器和压电陶瓷式传感器，因其根据特定的正负电荷的压电流动性能形成的正负极表面的电荷量与动态变化的外部压力的比例关系特性设计，因此，它仅适用于动态压力的检测，一旦外力施加于膜片或陶瓷表面不予释放，这时传感器内部因没有电荷流动，而建立一个新的平衡点，输出信号归零。因此，它的应用场合也受到特定限制。另外，由于目前的压电传感器都采用直接接触式压力感应检测方式，受表面材料性能制约，一般极限受压疲劳寿命≤10ⁿ，n＝7，因此在特定的高频率受压检测的工况下，百万级次的疲劳寿命显出其特定应用时的短板。

整体来看，在特定的电动助力自行车脚踏力矩传感器应用中，目前的力/电感应转换技术存在要么成本居高，要么应变体疲劳寿命不够，还有重复性、稳定性达不到设计要求等缺陷。

因此，提供一种新的压电传感器实为必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、高稳定性的压电传感器。

本发明的另一目的是提供一种具有稳定传感功能的电动自行车。

为实现上述目的，本发明提供一种霍尔压电传感器，包括施力体，所述施力体用于接收外力，所述施力体设有触动凸块；承力体，所述承力体用于支撑所述施力体；复位弹性体，所述复位弹性体位于所述施力体与所述承力体之间；杠杆，所述杠杆的第一臂与所述触动凸块邻接，所述杠杆的支点靠近所述第一臂；杠杆复位弹簧，所述杠杆复位弹簧设置于所述承力体与所述杠杆之间；磁钢，所述磁钢固定在所述杠杆的第二臂，霍尔传感器，所述霍尔传感器固定在所述磁钢的运动通路上。当施力体接收到外力时，施力体带动触动凸块向杠杆的第一臂运动，杠杆第一臂运动带动杠杆的第二臂与磁钢一起运动，磁钢相对霍尔传感器产生位移，霍尔传感器输出相应的电压信号；当外力释放时，杠杆复位弹簧使杠杆返回至初始位置；复位弹性体使施力体返回至初始位置。

进一步的，还包括磁钢托架，所述磁钢托架固定在所述第二臂，所述磁钢固定在所述磁钢托架上。

进一步的，所述复位弹性体为弹性橡胶圈或者压簧。

进一步的，所述杠杆复位弹簧为压簧或者叉簧。

为实现上述另一目的，本发明提供一种电动自行车，所述电动自行车包括上述任一所述的霍尔压电传感器。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用线性霍尔为压电转换器件，直接输出1—5V级电压信号，无需信号放大处理，解决了称重传感器复杂的放大电路及环境修正电路的应用。达到在特定的应用场合使压电传感技术得以应用，可以简化后续应用电路及复杂的环境修正电路设计。

2.本发明采用线性霍尔为压电转换器件，解决了压电膜片或压电陶瓷传感器只能对动态力的检测。当施加的外力平衡并持续作用于传感器时能够实时跟随并保持信号输出。

3.本发明受力体与检测线性霍尔器件为非接触式结构，且施力体、复位弹性体、承力体、杠杆、杠杆复位弹簧等部件采用耐压耐磨的金属件或ABS件加工，可以极大提升压电传感器的受压疲劳寿命＞10ⁿ(n＝8)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明霍尔压电传感器的立体视图；

图2为本发明霍尔压电传感器的第一局部剖视图；

图3为本发明霍尔压电传感器的第二局部剖视图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至图3，本发明的一种霍尔压电传感器，包括：施力体1，所述施力体1用于接收外力，所述施力体1设有触动凸块11。承力体3，所述承力体3用于支撑所述施力体1。复位弹性体2，所述复位弹性体2位于所述施力体1与所述承力体3之间。杠杆4，所述杠杆4的第一臂41与所述触动凸块11邻接，所述杠杆4的支点42靠近所述第一臂41。杠杆复位弹簧5，所述杠杆复位弹簧5设置于所述承力体3与所述杠杆4之间。磁钢6，所述磁钢6固定在所述杠杆4的第二臂43。霍尔传感器8，所述霍尔传感器8固定在所述磁钢6的运动通路上。当施力体1接收到外力时，施力体1带动触动凸块11向杠杆4的第一臂41运动，杠杆第一臂41运动带动杠杆的第二臂42与磁钢6一起运动，磁钢6相对霍尔传感器8产生位移，霍尔传感器8输出相应的电压信号；当外力释放时，杠杆复位弹簧5使杠杆4返回至初始位置，复位弹性体2使施力体1返回至初始位置。

进一步的，本发明的霍尔压电传感器还包括磁钢托架7，所述磁钢托架7固定在所述第二臂，所述磁钢6固定在所述磁钢托架7上。

进一步的，所述复位弹性体为弹性橡胶圈或者压簧。

进一步的，所述杠杆复位弹簧为压簧或者叉簧。

本发明霍尔压电传感器的工作原理如下：施力体1和承力体3之间有复位弹性体2构成紧密配合关系，当外力F施加于施力体1时，施力体1和承力体3之间会有一个δS的位移，同时复位弹性体2会产生一个与F方向相反的反作用力f1，并保证当外力F撤销时施力体1可靠复位。δS的位移通过触动凸块11邻接作用于杠杆4的第一臂41(主动臂)上，在的第一臂4上产生F'，其中，F'＝F-f1。杠杆4的第一臂41长度L＜第二臂42(从动臂)的长度L'，且n＝L'/L，n为杠杆放大比率，所以同时在第二臂42产生F”。在第二臂42与承力体3之间有杠杆复位弹簧5，杠杆复位弹簧5存在复位力f2保证第二臂42的动作始终与外力F有关且仅与外力F唯一有关。当第二臂42产生δS'位移时，磁钢6同步产生δS'位移，霍尔传感器8与处于磁钢6产生δS'的位置偏差时，霍尔传感器8将产生与δS'位移成线性关系的电压信号输出，从而实现变化的外力F与跟随变化的δS'位移通过线性霍尔检测并输出与F成线性关系的电压信号的压电传感器的功能。

上述计算公式具体表达为：

F——施加的外力；f1——复位弹性体的复位力；F'——作用于杠杆主动臂的力；δS——施力体的微变位移；L——杠杆的第一臂长；L'——杠杆的第二臂长；F”——杠杆的第二臂力；f2——杠杆复位力；δS'——杠杆第二臂(放大)位移；n——杠杆放大比率；k1、k2——比例常数。

a、力矩关系：

有F'*L＝F”*L'

F”＝F'*L/L'＝F'/n＝(F-f1)/n 因f1和n为定值

F”＝k1*F

b、位移关系：

有δS'*L'＝δS*L

δS'＝δS*L/L'＝δS/n 因δS正比于F-f1

有δS'＝k2*(F-f1)/n 因k2、f1和n为定值

δS'＝k1*F

本发明还提供一种电动自行车，所述电动自行车包括上述任一所述的霍尔压电传感器。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用线性霍尔为压电转换器件，直接输出1—5V级电压信号，无需信号放大处理，解决了称重传感器复杂的放大电路及环境修正电路的应用。达到在特定的应用场合使压电传感技术得以应用，可以简化后续应用电路及复杂的环境修正电路设计。

2.本发明采用线性霍尔为压电转换器件，解决了压电膜片或压电陶瓷传感器只能对动态力的检测。当施加的外力平衡并持续作用于传感器时能够实时跟随并保持信号输出。

3.本发明受力体与检测线性霍尔器件为非接触式结构，且施力体、复位弹性体、承力体、杠杆、杠杆复位弹簧等部件采用耐压耐磨的金属件或ABS件加工，可以极大提升压电传感器的受压疲劳寿命＞10ⁿ(n＝8)。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种霍尔压电传感器，其特征在于，包括：

施力体，所述施力体用于接收外力，所述施力体设有触动凸块；

承力体，所述承力体用于支撑所述施力体；

复位弹性体，所述复位弹性体位于所述施力体与所述承力体之间；

杠杆，所述杠杆的第一臂与所述触动凸块邻接，所述杠杆的支点靠近所述第一臂；

杠杆复位弹簧，所述杠杆复位弹簧设置于所述承力体与所述杠杆之间；

磁钢，所述磁钢固定在所述杠杆的第二臂，

霍尔传感器，所述霍尔传感器固定在所述磁钢的运动通路上；

当施力体接收到外力时，施力体带动触动凸块向杠杆的第一臂运动，杠杆第一臂运动带动杠杆的第二臂与磁钢一起运动，磁钢相对霍尔传感器产生位移，霍尔传感器输出相应的电压信号；

当外力释放时，杠杆复位弹簧使杠杆返回至初始位置；复位弹性体使施力体返回至初始位置。

2.根据权利要求1所述的霍尔压电传感器，其特征在于：还包括磁钢托架，所述磁钢托架固定在所述第二臂，所述磁钢固定在所述磁钢托架上。

3.根据权利要求1所述的霍尔压电传感器，其特征在于：所述复位弹性体为弹性橡胶圈或者压簧。

4.根据权利要求1所述的霍尔压电传感器，其特征在于：所述杠杆复位弹簧为压簧或者叉簧。

5.一种电动自行车，其特征在于，所述电动自行车包括权利要求1-4任一所述的霍尔压电传感器。

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