CN115610569A - 一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及助力电动自行车领域，公开了一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器，该扭矩传感器包括中轴、扭力应变套、信号检测环固定套、第一角位移传感器和第二角位移传感器，第一角位移传感器包括第一磁环和第一磁信号检测环，第二角位移传感器包括第二磁环和第二磁信号检测环，该扭矩传感器结构简单可靠，且通过第一角位移传感器和第二角位移传感器采集的角位移数据可得到扭矩数据，在应用于助力自行车时，还可以基于角位移数据和扭矩数据计算出自行车的速度、方向、功率等信息。

Description

一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器

技术领域

本发明实施例涉及助力电动自行车领域，特别涉及一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器。

背景技术

随着人们的生活水平的提高，越来越多的人开始关注健康绿色休闲的出行方式，助力自行车出行作为一种有氧运动的健身方式，在实现低碳环保的同时，可以减少用户骑乘的疲劳感，深受人们喜爱。

中轴扭矩传感器作为助力自行车扭矩和转速的反馈元件，是助力自行车系统的关键性零部件之一，其灵敏度和精度直接影响着骑乘者的骑行体检，是提升助力自行车舒适感的关键性零部件。目前市场上已有的助力自行车中轴传感器有踏频转速传感器、模拟扭矩传感器和扭矩传感器三种。

在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上现有的扭矩传感器的相关技术中至少存在如下问题：踏频转速传感器只能反馈转速信号，不能有效地感知骑乘者的意图，骑行体验差；模拟扭矩传感器是在转速传感器的基础上，通过软件处理转速信号来模拟扭矩信息，仍然不能有效地反应使用者的意图；扭矩传感器采用应变片测量扭矩变化，制造成本高，普及应用困难。

发明内容

本申请实施例提供了一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种扭矩传感器，包括：中轴；扭力应变套，套设在所述中轴上，且所述扭力应变套的一端与所述中轴固定连接；信号检测环固定套，套设在所述扭力应变套外，且所述中轴和所述扭力应变套可相对所述信号检测环固定套转动；第一角位移传感器，包括第一磁环和第一磁信号检测环，所述第一磁环套设在所述中轴的一端，所述第一磁信号检测环固定在所述信号检测环固定套内侧的一端；第二角位移传感器，包括第二磁环和第二磁信号检测环，所述第二磁环套设在所述扭力应变套的另一端，所述第二磁信号检测环固定在所述信号检测环固定套内侧的另一端。

在一些实施例中，所述扭矩传感器还包括：扭力输出连接套，套设在所述中轴上，且与所述扭力应变套的另一端连接。

在一些实施例中，所述扭矩传感器还包括：第一轴承碗，可转动地与所述中轴的一端连接；第二轴承碗，可转动地与所述中轴的另一端连接；且有，所述信号检测环固定套的两端分别与所述第一轴承碗和所述第二轴承碗固定连接。

在一些实施例中，所述扭力应变套设有若干个通槽，所述若干个通槽沿所述扭力应变套的圆周方向分布。

在一些实施例中，所述信号检测环固定套的外侧设置有信号处理线路板，所述信号处理线路板分别与所述第一磁信号检测环和所述第二磁信号检测环电连接。

在一些实施例中，所述第一磁环和所述第二磁环为单对极径向充磁时，所述第一磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第一磁敏元件，各所述第一磁敏元件沿环形均匀分布在所述第一磁环的外侧，各所述第一磁敏元件与所述第一磁环的距离相等，所述第二磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第二磁敏元件，各所述第二磁敏元件沿环形均匀分布在所述第二磁环的外侧，各所述第二磁敏元件与所述第二磁环的距离相等。

在一些实施例中，所述第一磁环和所述第二磁环为多对极径向充磁时，所述第一磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第一磁敏元件，各所述第一磁敏元件沿环形分布在所述第一磁环的外侧，每相邻两个所述第一磁敏元件的间隔相等，各所述第一磁敏元件与所述第一磁环的距离相等，所述第二磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第二磁敏元件，各所述第二磁敏元件沿环形分布在所述第二磁环的外侧，每相邻两个所述第二磁敏元件的间隔相等，各所述第二磁敏元件与所述第二磁环的距离相等。

在一些实施例中，相邻的两个所述第一磁敏元件的间隔角度，或者，相邻的两个所述第二磁敏元件的间隔角度的计算公式如下：

其中，T表示相邻的两个所述第一/第二磁敏元件的间隔角度，n表示所述第一磁环或所述第二磁环的磁极的对数，m表示任意两个第一/第二磁敏元件实际间隔的具有整周期的磁极对数。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种助力自行车，包括：如第一方面所述的扭矩传感器；踏板，与所述扭矩传感器的中轴连接；链条卡盘，与所述扭力传感器的扭力应变套连接。

为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例中提供了一种扭矩检测方法，应用于第一方面所述的扭矩传感器，所述方法包括：通过所述第一角位移传感器采集第一角位移数据，通过所述第二角位移传感器采集第二角位移数据；根据所述第一角位移数据和所述第二角位移数据，计算查表地址；根据所述查表地址查找标准数据表格，以得到当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩。

在一些实施例中，所述方法还包括：根据所述第一角位移数据的前后变化差值，获取当前速度信号和方向信号；根据所述当前速度信号和所述当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩，计算当前功率。

在一些实施例中，所述方法还包括：判断所述扭矩传感器是否处于受力状态；若否，将所述第一角位移数据和所述第二角位移数据标记为第一角位移值和第二角位移值；若是，向所述扭矩传感器施加扭矩，采集并记录从零扭矩到最大扭矩之间的角位移数据表；将所述角位移数据表按照查表地址保存，以得到所述标准数据表，其中，所述查表地址为：

δ＝|(θ1[n]-θ1_s)-(θ2[n]-θ2_s)|

δ表示所述查表地址，θ1[n]表示所述第一角位移值对应扭矩的角位移数据表，θ1_s表示所述第一角位移值，θ2[n]表示所述第二角位移值对应扭矩的角位移数据表，θ2_s表示所述第二角位移值，n表示施加扭矩的过程中的采样点数。

在一些实施例中，所述向所述扭矩传感器施加扭矩，采集并记录从零扭矩到最大扭矩之间的角位移数据表，包括：在受力状态下，通过外部向所述扭矩传感器从零扭矩施加到预设最大扭矩，且在施加扭矩的同时，通过高速数据采集系统实时同步读取第一角位移数据和第二角位移数据，并将同一时刻的扭矩、第一角位移数据和第二角位移数据映射保存。

为解决上述技术问题，第四方面，本发明实施例提供了一种处理器，包括：至少一个单片机；以及，与所述至少一个单片机通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个单片机执行的指令，所述指令被所述至少一个单片机执行，以使所述至少一个单片机能够执行如上第二方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器，该扭矩传感器包括中轴、扭力应变套、信号检测环固定套、第一角位移传感器和第二角位移传感器，第一角位移传感器包括第一磁环和第一磁信号检测环，第二角位移传感器包括第二磁环和第二磁信号检测环，该扭矩传感器结构简单可靠，且通过第一角位移传感器和第二角位移传感器采集的角位移数据可得到扭矩数据，在应用于助力自行车时，还可以基于角位移数据和扭矩数据计算出自行车的速度、方向、功率等信息。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1(a)是本发明实施例一提供的一种扭矩传感器的立体结构示意图；

图1(b)是图1(a)所示扭矩传感器的侧视剖视图；

图1(c)是图1(a)所示扭矩传感器中扭力应变套的结构示意图；

图2(a)是图1(a)所示第一/第二磁环为单对极磁环且所述第一/第二角位移传感器中具有三个磁敏元件时的结构示意图；

图2(b)是图1(a)所示第一/第二磁环为单对极磁环且所述第一/第二角位移传感器中具有六个磁敏元件时的结构示意图；

图3是图1(a)所示第一/第二磁环为多对极磁环时所述第一/第二角位移传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的一种扭矩检测方法的流程示意图；

图5是本发明实施例二提供的另一种扭矩检测方法的流程示意图；

图6是本发明实施例二提供的又一种扭矩检测方法的流程示意图；

图7是本发明实施例三提供的一种助力自行车的结构框图；

图8是本发明实施例四提供的一种处理器的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上，或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，或者其间可以存在一个或多个居中的元件。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不适用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决当前助力自行车中扭矩传感器结构复杂，成本高，其他的各类中轴传感器功能也较为单一的问题，本发明实施例中提供了一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器，该扭矩传感器结构简单可靠，且通过在扭力传递应变套的两端设置两个高精度的角位移传感器，即第一角位移传感器和第二角位移传感器，实现对角位移差的微变化的实时测量，从而实现对扭力变化的测量，在应用于助力自行车时，还可以基于角位移数据和扭矩数据计算出自行车的速度、方向、功率等信息。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

实施例一

本发明实施例提供了一种扭矩传感器，请参见图1(a)、图1(b)和图1(c)，其中，图1(a)示出了本发明实施例提供的一种扭矩传感器的立体结构，图1(b)示出了图1(a)所示扭矩传感器的侧视剖视图，图1(c)是图1(a)所示扭矩传感器中扭力应变套的结构。如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，所述扭矩传感器10包括：中轴11、扭力应变套12、扭力输出连接套13、第一轴承碗14、第二轴承碗15、信号检测环固定套16、第一角位移传感器17和第二角位移传感器18。

所述中轴11，其一端上设置有键111；所述中轴11可用于与助力自行车的踏板20连接，或者其他电气设备上可施加扭力的结构连接，从而因施加的扭力转动，带动设置在中轴11上面的磁环转动，使得磁敏元件能够通过检测磁场变化确定扭力的大小。

所述扭力应变套12套设在所述中轴11上，且所述扭力应变套12的一端与所述中轴11固定连接，具体地，所述扭力应变套12的一端通过所述键111连接在所述中轴11上；在一些实施例中，所述扭力应变套12设有若干个通槽121，所述若干个通槽121沿所述扭力应变套12的圆周方向分布，从而能够增加扭力变形效果。所述扭力应变套12可采用合金钢材等材料，从而具有较好的弹性回复能力和一定的变形塑性。

所述扭力输出连接套13套设在所述中轴11上，且与所述扭力应变套12的另一端连接。具体地，所述扭力输出连接套13可以是与所述中轴11滑动摩擦配合，且所述扭力输出连接套13可通过内侧键槽与所述扭力应变套12的外部键槽连接，从而实现与所述第一轴承碗14和所述第二轴承碗15的间接连接；所述扭力输出连接套13用于带动电气设备如助力自行车上其他转动装置如轮子的转动。

所述第一轴承碗14，可转动地与所述中轴11的一端连接，具体可通过轴承与所述中轴11的一端和所述扭力输出连接套13的一端间接连接；所述第二轴承碗15，可转动地与所述中轴11的另一端连接，具体可通过轴承与所述中轴11的另一端和所述扭力输出连接套13的另一端间接连接。优选地，所述第一轴承碗14和所述第二轴承碗15可以是由铝材制成的铝碗。

所述信号检测环固定套16在所述扭力应变套12外，也即间接套设在所述中轴11上，且所述中轴11和所述扭力应变套12可相对所述信号检测环固定套转动16，所述信号检测环固定套16的两端分别与所述第一轴承碗14和所述第二轴承碗15固定连接。具体地，所述信号检测环固定套16的两端通过向外侧延伸形成的边沿分别固定在所述第一轴承碗14和所述第二轴承碗15的内侧，第一磁信号检测环172和第二磁信号检测环182则固定在所述信号检测环固定套16内侧的两端。

所述信号检测环固定套16的外侧还设置有信号处理线路板161，所述信号处理线路板161分别与所述第一磁信号检测环172和所述第二磁信号检测环182电连接；所述信号处理线路板161可以是印制电路板/印刷线路板(Printed Circuit Board，PCB)，且所述信号处理线路板161还需要设置有处理器/微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)，所述处理器能够执行扭矩检测方法，根据所述第一角位移传感器17和所述第二角位移传感器18采集的角位移数据计算扭矩，进而还可以计算速度、方向、功率等，所述信号处理线路板161上还可以设置有与处理器连接的通信接口，并通过所述通信接口将扭矩信号、速度信号、方向信号和/或功率信号输出。其中，可通过DA转换等通信接口输出模拟信号，例如，扭矩信号可采用模拟信号输出，速度信号可采用脉冲信号输出，方向信号可采用电平逻辑输出；还可以通过SPI或USART等通信接口输出串行数字信号，例如，将速度信号和方向信号直接打包为数字信号输出。

所述第一角位移传感器17，包括第一磁环171和第一磁信号检测环172，所述第一磁环171套设在所述中轴11的一端，所述第一磁信号检测环172固定在所述信号检测环固定套16内侧的一端；所述第一磁信号检测环172用于检测所述第一磁环171的磁场变化。

所述第二角位移传感器18，包括第二磁环181和第二磁信号检测环182，所述第二磁环181套设在所述扭力应变套12的另一端，所述第二磁信号检测环182固定在所述信号检测环固定套16内侧的另一端；所述第二磁信号检测环182用于检测所述第二磁环181的磁场变化。

在一些实施例中，请参见图2(a)和图2(b)，其示出了所述第一磁环171和所述第二磁环181为单对极径向充磁时，所述第一角位移传感器17或所述第二角位移传感器18的结构。其中，图2(a)示出了第一磁敏元件/第二磁敏元件的个数为三个的示例，此时第一磁敏元件172a/第二磁敏元件182a在同一圆周上按120°均匀分布，也即当所述第一磁环171/所述第二磁环181旋转时，在一个机械旋转周期产生一个周期的三相120度电气相位差的正弦信号；图2(b)示出了第一磁敏元件/第二磁敏元件的个数为六个的示例，此时第一磁敏元件172a/第二磁敏元件182a在同一圆周上按60°均匀分布，也即当所述第一磁环171/所述第二磁环181旋转时，180°对径分布的两个第一磁敏元件172a/第二磁敏元件182a产生对称正弦信号，通过处理器的AD采样后差分处理后，可获取到相较于三个第一磁敏元件172a/第二磁敏元件182a更高的模拟信号分辨率，同时减小安装的机械误差。且有，所述第一磁信号检测环172为在圆周方向上设置的三的倍数个第一磁敏元件172a，各所述第一磁敏元件172a沿环形均匀分布在所述第一磁环171的外侧，在图2中指示线D所示径向上各所述第一磁敏元件172a与所述第一磁环171的距离相等；所述第二磁信号检测环182为在圆周方向上设置的三的倍数个第二磁敏元件182a，各所述第二磁敏元件182a沿环形均匀分布在所述第二磁环182的外侧，在图2中指示线D所示径向上各所述第二磁敏元件182a与所述第二磁环182的距离相等。

在一些实施例中，请参见图3，其示出了所述第一磁环171和所述第二磁环181为多对极径向充磁时，所述第一角位移传感器17或所述第二角位移传感器18的结构，所述第一磁信号检测环172为在圆周方向上设置的三的倍数个第一磁敏元件172a，各所述第一磁敏元件172a沿环形分布在所述第一磁环171的外侧，每相邻两个所述第一磁敏元件172a的间隔相等，在图3中指示线D所示径向上各所述第一磁敏元件172a与所述第一磁环171的距离相等；所述第二磁信号检测环182为在圆周方向上设置的三的倍数个第二磁敏元件182a，各所述第二磁敏元件182a沿环形分布在所述第二磁环181的外侧，每相邻两个所述第二磁敏元件182a的间隔相等，在图3中指示线D所示径向上各所述第二磁敏元件182a与所述第二磁环181的距离相等。且有，相邻的两个所述第一磁敏元件172a的间隔角度，或者，相邻的两个所述第二磁敏元件182a的间隔角度的计算公式如下：

其中，T表示相邻的两个第一磁敏元件172a/第二磁敏元件182a的间隔角度，n表示所述第一磁环171或所述第二磁环181的磁极的对数，m表示任意两个第一磁敏元件172a/第二磁敏元件182a实际间隔的具有整周期的磁极对数。当所述第一磁环171/所述第二磁环181旋转时，在一个机械旋转周期产生n个周期的三相120度电气相位差的正弦信号。

需要说明的是，图2(a)、图2(b)、图3仅为本发明实施例的一种示例，所述第一磁环171和所述第二磁环181中磁极的对数，以及所述第一磁敏元件172a和所述第二磁敏元件182a数量和分布情况可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

本发明实施例提供的扭矩传感器在工作时，中轴11受到外部施加的力带动扭力输出连接套13转动，即带动第一磁环171和第二磁环172转动，信号检测固定套16两端的第一磁信号检测环172和第二磁信号检测环182可分别检测到第一次磁环171和第二磁环172的磁场变化；其中，扭力输出连接套13朝向第一磁环171的一端与中轴11通过键固定连接，扭力输出连接套13朝向第二磁环172的一端与中轴11不固定连接，中轴11受到外部施加的力带动扭力输出连接套13转动时，扭力输出连接套13在扭矩作用下，其朝向第二磁环172的一端相对中轴11有微小的转动，使得第一磁信号检测环172和第二磁信号检测环182采集到的角位移数据在存在偏差，因此可基于第一磁信号检测环172输出的第一角位移数据和第二磁信号检测环182输出的第二角位移数据之间的差值情况确定扭力变化引起的角度位移差的微变化，进而通过查表的方式确定施加在扭矩传感器上的扭矩。

实施例二

本发明实施例提供了一种响应频率高、检测精度高的扭矩检测方法，应用于如实施例一所述的扭矩传感器，请参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种扭矩检测方法的流程，所述方法包括但不限于以下步骤：

步骤S10：通过所述第一角位移传感器采集第一角位移数据，通过所述第二角位移传感器采集第二角位移数据；

在本发明实施例中，当采用如实施例一所述的扭矩传感器检测扭矩时，采用实施例一所述的扭矩传感器的设备、装置可通过中轴11施加力，中轴11带动第一磁环171转动，且中轴11还将力传递至与其固定连接的扭力应变套12，带动扭力应变套12及设置在扭力应变套12的第二磁环181转动。中轴11相对于信号检测固定套16转动后，信号检测环固定套16两端的第一磁信号检测环172和第二磁信号检测环182可分别检测到第一次磁环171和第二磁环172的磁场变化，并根据磁场变化的大小确定转动角度的大小，根据磁场变化的速度确定转动的速度等角位移数据，分别通过两个信号检测出环检测得到的角位移数据可表征施加在采用所述扭矩传感器的设备、装置上的力的扭矩。然后，可通过实施例一所述的信号处理线路板161上的处理器通过AD拾取的方式获取所述第一角位移传感器17输出的三相模拟信号和所述第二角位移传感器18输出的三相模拟信号，从而得到第一角位移数据θ1和第二角位移数据θ2。其中，第一角位移数据θ1和第二角位移数据θ2可设定其输出范围为0至65535。

步骤S20：根据所述第一角位移数据和所述第二角位移数据，计算查表地址；

在获取到所述第一角位移数据θ1和第二角位移数据θ2后，即可结合标准数据表格，计算出查表地址，具体地，可根据下述步骤S54所述的查表地址的公式，对于单对极径向充磁和多对极径向充磁两种情况下，通过相应的公式计算出查表地址。其中，当采用多磁极结构时，可增加机械周期的角度分辨率，从而检测得扭矩有效分辨率更高。

步骤S30：根据所述查表地址查找标准数据表格，以得到当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩。

在计算出所述查表地址后，根据所述查表地址δ查找标准数据表格，从而得到当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩T。进一步地，通过所述信号处理线路板161上的通信接口输出包含扭矩信息的模拟信号或串行数字信号。

在一些实施例中，当所述扭矩传感器应用于如助力自行车等电气设备中时，所述扭矩传感器还可以用于检测当前电气设备的速度、方向、功率等信息，具体地，请参见图5，其示出了本发明实施例提供的另一种扭矩检测方法的流程，所述方法还包括：

步骤S41：根据所述第一角位移数据的前后变化差值，获取当前速度信号和方向信号；

实时读取所述第一角位移数据θ1时，可根据当前采集的所述第一角位移数据θ1前后若干次采集的所述第一角位移数据θ1的数据，确定所述第一角位移数据θ1的前后变化差值，从而获取当前速度信号Sp和方向信号Dir。进一步地，同样可通过所述信号处理线路板161上的通信接口输出包含速度和方向信息的速度脉冲及方向电平信号或串行数字信号。且有，当所述扭矩传感器应用于助力自行车时，可以将助力自行车前进方向设置为Dir＝0，且在后踩踏板Dir＝1时，设定输出扭矩T＝0。

步骤S42：根据所述当前速度信号和所述当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩，计算当前功率。

进而，根据所述当前速度信号Sp和所述当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩T，还可以计算出当前电气设备的功率，如助力自行车的功率为P＝η*T*Sp，其中，P表示所述当前功率，η为功率系数，由电气设备本身所决定，T表示当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩，Sp表示当前速度信号。进一步地，同样可通过所述信号处理线路板161上的通信接口输出包含功率信息的串行数字信号。

在一些实施例中，所述扭矩传感器在用于实际测量扭矩之前，还可以建立或更新、校准用于查找扭矩的标准数据表，例如，通过误差修正消除温漂等因素影响，具体地，请参见图6，其示出了本发明实施例提供的又一种扭矩检测方法的流程，所述方法还包括：

步骤S51：判断所述扭矩传感器是否处于受力状态；

首先，需要判断所述扭矩传感器处于标准模式的非受力状态下还是受力标定状态，也即判断所述扭矩传感器是否处于受力状态，若否，则处于非受力状态下，跳转至步骤S52，若是，则处于受力标定状态，跳转至步骤S53。

步骤S52：将所述第一角位移数据和所述第二角位移数据标记为第一角位移值和第二角位移值；

在非受力状态下时，获取、保存所述第一角位移数据θ1，并将所述第一角位移数据θ1标记为第一角位移值θ1_s；同时，获取、保存所述第二角位移数据θ2，并将所述第二角位移数据θ2标记为第二角位移值θ2_s。

步骤S53：向所述扭矩传感器施加扭矩，采集并记录从零扭矩到最大扭矩之间的角位移数据表；

在受力状态下，则通过外部向所述扭矩传感器施加扭矩T，并将施加的扭矩从零扭矩逐渐施加到预设最大扭矩，且在施加扭矩的同时，通过高速数据采集系统实时同步读取第一角位移数据θ1和第二角位移数据θ2，并将同一时刻的扭矩T、第一角位移数据θ1和第二角位移数据θ2映射保存，从而得到在同一时间上具有映射关系的角位移数据表θ1[n]、θ2[n]、T[n]，n表示施加扭矩的过程中高速数据采集系统的采样点数。

步骤S54：将所述角位移数据表按照查表地址保存，以得到所述标准数据表。

在获取到所述角位移数据表后，按照查表地址将不同的扭矩T[n]与该扭矩下的第一角位移数据表θ1[n]和第二角位移数据表θ2[n]对应保存，为保证数据的准确性，采用高速采集系统在同一扭矩下采集n组数据并保存至相应的数据表，采样点数n可根据实际需要进行设置。其中，所述查表地址可表示为：

δ＝|(θ1[n]-θ1_s)-(θ2[n]-θ2_s)|

δ表示所述查表地址，θ1[n]表示所述第一角位移值对应扭矩的角位移数据表，θ1_s表示所述第一角位移值，θ2[n]表示所述第二角位移值对应扭矩的角位移数据表，θ2_s表示所述第二角位移值，n表示施加扭矩的过程中的采样点数。

且有，当所述第一磁环171和所述第二磁环181为多对极径向充磁时，由于涉及多个磁极之间跨区间的判断，而两路角位移传感器之间的相对位移量较小，因此通常只会产生一个区间跳变，因而在所述查表地址δ>32768时，上述查表地址还可以表示为：

if：(θ1[n]-θ1_s)>(θ2[n]-θ2_s)，

δ＝|(θ1[n]-θ1_s)-int16((θ2[n]-θ2_s)+65535)|；

if：(θ1[n]-θ1_s)<(θ2[n]-θ2_s)，

δ＝|(int16(θ1[n]-θ1_s)+65535)-(θ2[n]-θ2_s)|

实施例三

本发明实施例提供了一种助力自行车1，请参见图7，其示出了本发明实施例提供的一种助力自行车1的结构框图，所述助力自行车1包括：扭矩传感器10、踏板20和链条卡盘30。

所述扭矩传感器10为实施例一提供的扭矩传感器10，且可通过实施例二提供的扭矩检测方法测量所述助力自行车1的扭矩，具体请参见实施例一、实施例二及其附图所示，此处不再详述。使用实施例一所述的扭矩传感器10时，可将所述扭矩传感器10固定在助力自行车的中轴孔中，且将所述扭矩传感器10的中轴与助力自行车的中轴孔同轴固定。

所述踏板20与所述扭矩传感器10的中轴11连接，具体可通过连接杆21与所述扭矩传感器10的中轴11连接；骑乘者通过所述踏板20施力，驱动所述助力自行车1前进。

所述链条卡盘30与所述扭力传感器10的扭力应变套12连接，具体可固定在所述扭矩传感器10的扭力输出连接套13上，从而当骑乘者踩踏所述踏板20后，可通过所述中轴11、所述扭力输出连接套13和所述链条卡盘30上的链条，带动自行车轮子的转动。

骑乘者在使用所述助力自行车1骑行的过程中，脚施加力到踏板20时，通过踏板连接杆21施加到中轴11，中轴11通过键111连接将力传递到扭力应变套12，扭矩应变套12连接扭力输出连接套13，带动固定在扭力输出连接套13上的链条卡盘30转动，链条卡盘30通过链条带动助力自行车后轮前进。由于扭力应变套12作为力的传递部件，在两端作为受力点和施力点，产生旋转扭力，通过设计扭力应变套12的结构，实现扭力应变套12的旋转微变形。在扭力应变套12的两端设置高精度的角位移传感器(第一角位移传感器17和第二角位移传感器18)，通过两个角位移传感器测量角位移数据，并根据两个角位移数据确定角位移变化差，进而通过查表后得到当前扭矩大小。同时，通过其中一个角位移传感器(第一角位移传感器17)，还可以获取转速和运行方向，从而通过扭矩和转速获取所述助力自行车1的当前功率。

实施例四

本发明实施例还提供了一种处理器，请参见图8，其示出了能够执行图4至图6所述扭矩检测方法的处理器的硬件结构。所述处理器100可以是实施例一中设置在所述信号处理线路板161上的处理器。

所述处理器100包括：至少一个单片机101；以及，与所述至少一个单片机101通信连接的存储器102，图8中以一个单片机101为例。所述存储器102存储有可被所述至少一个单片机101执行的指令，所述指令被所述至少一个单片机101执行，以使所述至少一个单片机101能够执行上述图4至图6所述的扭矩检测方法。所述单片机101和所述存储器102可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。

存储器102作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的扭矩检测方法对应的程序指令/模块。单片机101通过运行存储在存储器102中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例扭矩检测方法。

存储器102可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据扭矩检测装置的使用所创建的数据等。此外，存储器102可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器102可选包括相对于单片机101远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至扭矩检测装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器102中，当被所述一个或者多个单片机101执行时，执行上述任意方法实施例中的扭矩检测方法，例如，执行以上描述的图4至图6的方法步骤。

上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。

本申请实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个单片机执行，例如，执行以上描述的图4至图6的方法步骤。

本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时时，使所述计算机执行上述任意方法实施例中的扭矩检测方法，例如，执行以上描述的图4至图6的方法步骤。

本发明实施例中提供了一种扭矩传感器、助力自行车、扭矩检测方法及处理器，该扭矩传感器包括中轴、扭力应变套、信号检测环固定套、第一角位移传感器和第二角位移传感器，第一角位移传感器包括第一磁环和第一磁信号检测环，第二角位移传感器包括第二磁环和第二磁信号检测环，该扭矩传感器结构简单可靠，且通过第一角位移传感器和第二角位移传感器采集的角位移数据可得到扭矩数据，在应用于助力自行车时，还可以基于角位移数据和扭矩数据计算出自行车的速度、方向、功率等信息。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种扭矩传感器，其特征在于，包括：

中轴；

扭力应变套，套设在所述中轴上，且所述扭力应变套的一端与所述中轴固定连接；

信号检测环固定套，套设在所述扭力应变套外，且所述中轴和所述扭力应变套可相对所述信号检测环固定套转动；

第一角位移传感器，包括第一磁环和第一磁信号检测环，所述第一磁环套设在所述中轴的一端，所述第一磁信号检测环固定在所述信号检测环固定套内侧的一端；

第二角位移传感器，包括第二磁环和第二磁信号检测环，所述第二磁环套设在所述扭力应变套的另一端，所述第二磁信号检测环固定在所述信号检测环固定套内侧的另一端。

2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述扭矩传感器还包括：

扭力输出连接套，套设在所述中轴上，且与所述扭力应变套的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述扭矩传感器还包括：

第一轴承碗，可转动地与所述中轴的一端连接；

第二轴承碗，可转动地与所述中轴的另一端连接；且有，

所述信号检测环固定套的两端分别与所述第一轴承碗和所述第二轴承碗固定连接。

4.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，

所述扭力应变套设有若干个通槽，所述若干个通槽沿所述扭力应变套的圆周方向分布。

5.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，

所述信号检测环固定套的外侧设置有信号处理线路板，所述信号处理线路板分别与所述第一磁信号检测环和所述第二磁信号检测环电连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，

所述第一磁环和所述第二磁环为单对极径向充磁时，

所述第一磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第一磁敏元件，各所述第一磁敏元件沿环形均匀分布在所述第一磁环的外侧，各所述第一磁敏元件与所述第一磁环的距离相等，

所述第二磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第二磁敏元件，各所述第二磁敏元件沿环形均匀分布在所述第二磁环的外侧，各所述第二磁敏元件与所述第二磁环的距离相等。

7.根据权利要求1-5任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，

所述第一磁环和所述第二磁环为多对极径向充磁时，

所述第一磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第一磁敏元件，各所述第一磁敏元件沿环形分布在所述第一磁环的外侧，每相邻两个所述第一磁敏元件的间隔相等，各所述第一磁敏元件与所述第一磁环的距离相等，

所述第二磁信号检测环为在圆周方向上设置的三的倍数个第二磁敏元件，各所述第二磁敏元件沿环形分布在所述第二磁环的外侧，每相邻两个所述第二磁敏元件的间隔相等，各所述第二磁敏元件与所述第二磁环的距离相等。

8.根据权利要求7所述的扭矩传感器，其特征在于，

相邻的两个所述第一磁敏元件的间隔角度，或者，相邻的两个所述第二磁敏元件的间隔角度的计算公式如下：

其中，T表示相邻的两个所述第一/第二磁敏元件的间隔角度，n表示所述第一磁环或所述第二磁环的磁极的对数，m表示任意两个第一/第二磁敏元件实际间隔的具有整周期的磁极对数。

9.一种助力自行车，其特征在于，包括：

如权利要求1-8任一项所述的扭矩传感器；

踏板，与所述扭矩传感器的中轴连接；

链条卡盘，与所述扭力传感器的扭力应变套连接。

10.一种扭矩检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8任一项所述的扭矩传感器，所述方法包括：

通过所述第一角位移传感器采集第一角位移数据，通过所述第二角位移传感器采集第二角位移数据；

根据所述第一角位移数据和所述第二角位移数据，计算查表地址；

根据所述查表地址查找标准数据表格，以得到当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩。

11.根据权利要求10所述的扭矩检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述第一角位移数据的前后变化差值，获取当前速度信号和方向信号；

根据所述当前速度信号和所述当前施加在所述扭矩传感器上的扭矩，计算当前功率。

12.根据权利要求10所述的扭矩检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断所述扭矩传感器是否处于受力状态；

若否，将所述第一角位移数据和所述第二角位移数据标记为第一角位移值和第二角位移值；

若是，向所述扭矩传感器施加扭矩，采集并记录从零扭矩到最大扭矩之间的角位移数据表；

将所述角位移数据表按照查表地址保存，以得到所述标准数据表，其中，所述查表地址为：

δ＝|θ1[n]-θ1_s)-(θ2[n]-θ2_s)|

δ表示所述查表地址，θ1[n]表示所述第一角位移值对应扭矩的角位移数据表，θ1_s表示所述第一角位移值，θ2[n]表示所述第二角位移值对应扭矩的角位移数据表，θ2_s表示所述第二角位移值，n表示施加扭矩的过程中的采样点数。

13.根据权利要求12所述的扭矩检测方法，其特征在于，所述向所述扭矩传感器施加扭矩，采集并记录从零扭矩到最大扭矩之间的角位移数据表，包括：

在受力状态下，通过外部向所述扭矩传感器从零扭矩施加到预设最大扭矩，且在施加扭矩的同时，通过高速数据采集系统实时同步读取第一角位移数据和第二角位移数据，并将同一时刻的扭矩、第一角位移数据和第二角位移数据映射保存。

14.一种处理器，其特征在于，包括：

至少一个单片机；以及，

与所述至少一个单片机通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个单片机执行的指令，所述指令被所述至少一个单片机执行，以使所述至少一个单片机能够执行如权利要求10-13任一项所述的扭矩检测方法。

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