专利名称：非接触式测量信号传送系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种测量信号传送系统与方法，特别是一种应用于轮车装置的本体与转体之间的非接触式测量信号传送系统与方法。
背景技术：
随着节能减碳以及乐活风气的盛行，造就单车产业的蓬勃发展。其中，为了增加日常生活使用上的便利性，具有电动动力辅助系统的电动自行车亦逐渐地成为了主流。电动动力辅助系统又可分为被动形式的系统与主动形式的系统。被动形式系统是直接接收骑乘者的指令，并对应而提供自行车动力。主动形式的系统则是根据额外检测的元件，去测量骑乘者在单车踏板上施予的力量，提供所需要的辅助力量。然而，单车踏板上施予的力量在被转换成信号后，此一信号若是要传送给车架上的电路，则需经过最少二个旋转面(踏板与曲轴之间的旋转面和曲轴与车架之间的旋转面)。为了让旋转面之间能够顺利的传递电信号，则需要在旋转面上设置电刷。这样的设计必须修改单车的齿盘，如此将会使得单车在结构上变得更复杂。另一方面，传统上亦提出利用无线的方式来传递，比如说用蓝牙传输装置。然而， 无线传送器与接收装置的成本远高于有线的传输方式，并且无线传输亦较容易受到其他噪声的干扰。因此，不论是利用电刷或是无线的传输方式来传递信号，都有其缺点存在。
发明内容
鉴于以上的问题，本发明提出一种非接触式测量信号传送系统。此一非接触式测量信号传送系统用于一轮车装置，轮车装置包括一本体与一转体。非接触式信号传送系统包括检测装置、第一磁耦合装置与压力感测装置。检测装置设置于本体。检测装置产生一交流信号。第一磁耦合装置包括第一初级侧与第一次级侧。第一次级侧接收该交流信号并自第一初级侧发出磁耦合信号。压力感测装置设置于转体。压力感测装置电性连接第一初级侧，并且接收磁耦合信号。压力感测装置包括受力部与基座。压力感测装置根据受力部与基座的相对位置而产生回传信号至第一初级侧。检测装置根据经由第一磁耦合装置回传的回传信号而输出受力信号。此外，本发明另提出一种非接触式测量信号传送方法。此方法用于一轮车装置。转动装置包括本体与转体。转体包括压力感测装置，本体包括检测装置。本体与转体之间通过第一磁耦合装置以非接触式的方式传递信号。此方法包括以下步骤由该检测装置产生一交流信号予该磁耦合装置；由第一磁耦合装置将交流信号转换为磁耦合信号；压力感测装置接收磁耦合信号，并依据位移程度而响应回传信号；根据回传信号输出受力信号。通过本发明所提出的非接触式测量信号传送系统与方法，在经由旋转面，信号可以非接触式的方式传递。因此，在不需要大幅改变自行车结构的前提之下，即可传递测量信号，以克服已知技术利用电刷或是无线的传输方式来传递信号所产生的缺点。
图1为本发明第一实施例的系统方块图2A、图2B与图2C为本发明的压力感测装置的外观示意图3为本发明的磁耦合装置的外观示意图4为本发明第二实施例的系统方块图5A为本发明第二实施例的连接关系等效电路图5B为本发明第二实施例的电路元件等效电路图6A为振幅频率响应图6B为相位频率响应图7为应用本发明的第一实施例的示意图8A、图8B为应用本发明的第二实施例的示意图；以及
图9为本发明所提出的非接触式测量信号传送方法。
主要元件符号说明10非接触式测量信号传送系统
12轮车装置
14本体
16转体
20压力感测装置
22可变阻抗
25弹性件
26受力部
27第二导磁元件
28基座
29第一导磁元件
291气隙
30第一磁耦合装置
32第一初级侧
34第一次级侧
40检测装置
50第二磁耦合装置
52第二初级侧
54第二次级侧
61框格
62框格
80自行车
82车架
848690929496
轮
轴板椅体胎推曲踏轮本轮手
具体实施例方式以下在实施方式中进一步详细说明本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所提案的内容、权利要求书及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。请参照图1，图1为本发明第一实施例的系统电路方块图。本发明提出一种非接触式测量信号传送系统10。此非接触式测量信号传送系统10用于轮车装置12，轮车装置 12举例而言可为但不限于自行车或是轮椅，此轮车装置12可具有主动形式的电动动力辅助系统。轮车装置12包括本体14与转体16 (也可称为活动体)。转体16枢接于本体14， 转体16可相对于本体14而转动。非接触式测量信号传送系统10包括压力感测装置20、第一磁耦合装置30与检测装置40。压力感测装置20设置于转体16上。使用者可施加外力在此压力感测装置20，以使电动动力辅助系统根据使用者施加的外力，对应提供辅助的动力。第一磁耦合装置30包括一第一初级侧32与一第一次级侧34。第一初级侧32与第一次级侧34以非接触式的方式磁耦合。第一初级侧32电性连接至压力感测装置20，且第一次级侧34电性连接至检测装置40。第一次级侧34接收交流信号并自第一初级侧32 发出磁耦合信号。检测装置40配置于本体14并产生一交流信号。交流信号可通过振荡器所产生。 此外检测装置40具有一固定阻抗。在本实施例中，固定阻抗可为一电阻与一电容串联而成，但并不以此为限，此电路结构容后说明。请参照图2A、图2B与图2C，图2A、图2B与图2C为本发明的压力感测装置的外观示意图。压力感测装置20包括受力部沈与基座观，在本实施例中，受力部沈为一板体。 受力部沈与基座28之间以多个弹性件25连接。基座28固定于转体16，且受力部沈可受外力而于一个方向上自由移动。在弹性件的弹性限度内，弹性件的长度变化量与弹性件所受的力成正比。因此，使用者施加于受力部26上的外力，会正比于受力部沈的相对位移。
压力感测装置20还包括可变阻抗22，此可变阻抗22可为可变电感或是可变电容。 在此实施例中，可变阻抗22以一可变电感为例。可变阻抗22包括第一导磁元件四与第二导磁元件27。第一导磁元件四位于基座28，且第二导磁元件27位于受力部26。第一导磁元件四具有气隙四1，第二导磁元件27对应于气隙的位置而设置。第一导磁元件四于气隙291部分为一导磁空间。当第二导磁元件27位于导磁空间，且第一导磁元件四与第二导磁元件27之间的距离小于一间距时，第一导磁元件四与第二导磁元件27可组成一导磁体。第二导磁元件27移动时改变导磁体的大小，导磁体的大小则会影响磁通量的高低。磁通量的高低会改变可变阻抗22阻抗值的大小。因此当受力部沈产生位移时，第二导磁元件27也会随之移动，进而改变可变阻抗22阻抗值。因此，可变阻抗22的阻抗值(电感值)即会随着受力部26上受力的程度而改变。请参照图3，图3为磁耦合装置的外观示意图。第一初级侧32与第一次级侧34分别具有导体线圈，且此二个导体线圈相互对应而设置。此二个导磁线圈可为圆形的线圈第一磁耦合装置30传递电磁信号的原理与变压器相似，第一初级侧32通过的交流电流，会产生变动的磁场。而此变动的磁场，会在第一次级侧34上产生感应电动势，并且在第一次级侧34所构成的回路中产生磁耦合信号。当第一初级侧32与第一次级侧34之间以中轴(或称为旋转轴)产生旋转运动时， 导体线圈保持固定的一磁耦合系数。也就是说，导体线圈不会因为第一初级侧32与第一次级侧34产生旋转运动时而导致磁路的变化。检测装置40可通过第一磁耦合装置30传送磁耦合信号至压力感测装置20。磁耦合信号在经过压力感测装置20后，会产生一回传信号，以回应压力感测装置20的阻抗值发生的变化。检测装置40再根据回传信号在振幅上或是相位上的改变值，而检测压力感测装置20以产生受力信号。此受力信号表示压力感测装置20的受力程度。因此，压力感测装置20的受力程度，可经由一旋转面，传递至检测装置40。请参照图4，图4为本发明第二实施例的系统方块图。在此实施例中，非接触式测量信号传送系统10还包括第二磁耦合装置50。第二磁耦合装置50电性连接于第一磁耦合装置30与检测装置40之间。第二磁耦合装置50包括第二初级侧52与第二次级侧54。 第二初级侧52电性连接第一次级侧34，且第二次级侧M电性连接检测装置40。在此一实施例中，因为此非接触式测量信号传送系统10具有二个磁耦合装置(第一磁耦合装置30与第二磁耦合装置50)。因此非接触式测量信号传送系统10的信号可经由二个旋转面，以非接触式的方式传递。请参照图5A与图5B，图5A为本发明第二实施例的连接关系等效电路图，图5B为本发明第二实施例的电路元件等效电路图。图5A中的可变阻抗22，经由二个磁耦合装置(第一磁耦合装置30与第二磁耦合装置50)，等效连结至检测装置40的电路。因此，此等效电路可再进一步简化成图5B的电路。图5B中的交流信号为一正弦波，其数学式可以VinXc0s(CoXt)表示。其中Vin为交流信号的振幅，ω为角频率，t表示时间。可变阻抗22与固定阻抗44可等效为电阻、电感与电容所串联而成的一等效电路。检测装置40可检测电容与电感之间节点上的电压做为回传信号，也可检测电容与电阻之间节点上的电压做为回传信号。回传信号的数学式，则以V。utXCOS(co Xt+θ)表示。其中V。ut为交流信号的振幅，Θ为相位变化量。请参照图6Α与图6Β，图6Α为振幅频率响应图，图6Β为相位频率响应图。图6Α与图6Β以电阻为10Ω (欧姆)、电容为0. IuF (法拉)为实验所得的对应结果。图6Α与图6Β中，线段6116 表示IOmH(亨利)所对应的频率响应，线段61b、62b表示20mH所对应的频率响应，线段61c、62c表示30mH所对应的频率响应，线段61d、62d表示 40mH所对应的频率响应，线段61e、6&表示50mH所对应的频率响应。在图6A中，垂直轴表示振幅，单位为分贝值(decibel，dB)。水平轴为对数坐标轴，且水平轴表示频率，单位为千赫兹(kHz)。其中，框格61所表示的区域为振幅可解析区。在振幅可解析区中，每一线段之间所对应的振幅，相距一间隔。并且每个线段所对应的振幅， 与阻抗值成正相关。因此，检测装置40即可产生振幅可解析区中对应频率的交流信号，并检测其振幅。检测装置40可再利用查表法，根据振幅对照查找阻抗值，以对应压力感测装置20的受力程度。在图6B中，垂直轴表示相位，单位为度(degree)。水平轴为对数坐标轴，且水平轴表示频率，单位为千赫兹(kHz)。在图6B中，框格62所表示的区域为相位可解析区。在相位可解析区中，每一线段之间所对应的相位变化量，相距一间隔。并且每个线段所对应的相位，与阻抗值成正相关。因此，检测装置40即可产生相位可解析区中对应频率的交流信号， 并检测其振幅。检测装置40可再利用查表法，根据相位变化量对照查找电容值，以对应压力感测装置20的受力程度。请参照图7，为应用本发明的第一实施例的示意图。本发明所提出的非接触式测量信号传送系统10可应用于一自行车80。自行车80包括车架82、曲轴84与踏板86。踏板86以枢接的方式设置于曲轴84，曲轴84同样以枢接的方式设置于车架82。本体14设置于车架82，转体16则设置于踏板86。第一初级侧32设置于踏板86，且第一次级侧34设置于曲轴84，因此踏板86与曲轴84之间可通过第一磁耦合装置30传递信号。第二初级侧M设置于曲轴84，且第二次级侧56设置于车架82，因此曲轴84与车架82之间可通过第二磁耦合装置50传递信号。踏板86上具有压力感测装置20。压力感测装置20可感测骑乘者踩踏的力道大小，并且感测到的结果，经由第一磁耦合装置30、第二磁耦合装置50以非接触式的方式进行信号的传递至车架82上的检测装置40。检测装置40可将检测到的结果，转换成测量信号，并且再传送测量信号给电动动力辅助系统。电动动力辅助系统可根据测量信号，决定对应输出的动力给自行车80。将本发明应用于自行车80时，只需要将踏板86安装压力感测装置20，并且于枢接处加上第一磁耦合装置30与第二磁耦合装置50，即可利用踏板86检测踩踏的力道。因此，不需要大幅改变车身结构，本发明即可直接整合于目前现有的自行车80上。即使当压力感测装置20故障时，亦不会影响自行车80的骑乘性能。请参照图8A与图8B，图8A与图8B为应用本发明的第二实施例的示意图。本发明所提出的非接触式测量信号传送系统10可应用于一轮椅90。轮椅90包括本体92、轮胎 94与手推轮96。在一实施例中，轮胎94则是枢接于本体92，且手推轮96以弹性体(图中未绘示) 固定于轮胎94，例如是轮胎94的内侧或其轴部。使用者可施力至手推轮96以带动轮胎94 前进，此时由于弹性体的设置，使手推轮96与轮胎94产生相对位移。在弹性体的弹性限度内，手推轮96与轮胎94之间的相对位移量与使用者所施的力成正比。压力感测装置20设置于手推轮96上，通过手推轮96与轮胎94之间的相对位移，以感测使用者所施的力。第一磁耦合装置30则会设置于本体92与轮胎94的枢接处。检测装置40则设置于本体92 上。压力感测装置20感测使用者的推力，并且通过第一磁耦合装置30，以非接触式方式将感测结果传送至检测装置40。因此，轮椅90本身的动力辅助系统，将可以根据使用者的推力，产生对应的动力。请参照图9，为本发明所提出的非接触式测量信号传送方法。此一方法用于图1所述的非接触式测量信号传送系统10。在步骤SlOl中，由检测装置40产生交流信号。交流信号可由振荡器所产生。此交流信号可被再传送予第一磁耦合装置30。在步骤S103中，经由第一磁耦合装置30，将交流信号转换为一磁耦合信号。第一磁耦合装置30设置于旋转面，并可由非接触式的方式传递信号。在步骤S105中，压力感测装置20接收磁耦合信号，并依据位移程度而响应一回传信号。使用者在施予外力至压力感测装置20时，会使压力感测装置20中的可变阻抗22的阻抗值改变，以使交流信号的振幅与相位也随之改变。流经可变阻抗22并输出的信号，即为回传信号。在步骤S107中，回传信号亦会经由第一磁耦合装置30传递至检测装置40。检测装置40根据回传信号的特征，以输出受力信号。在本发明的一实施例中，检测装置40根据回传信号的增益，并在一查找表中找寻此增益所对应的受力信号。而在本发明的一实施例中，检测装置40根据回传信号的相位， 并在一查找表中找寻此增益所对应的受力信号。之后，检测装置40则会再将查找所得到的受力信号输出。在本发明的一实施例中，还包括步骤S109。在步骤S109中，根据受力信号，产生一辅助动力给予轮车装置。
权利要求
1.一种非接触式测量信号传送系统，用于一轮车装置，该轮车装置包括一本体与一转体，该转体相对于该本体转动，该非接触式信号传送系统包括一检测装置，该检测装置设置于该本体，该检测装置产生一交流信号；一第一磁耦合装置，包括一第一初级侧与一第一次级侧，该第一次级侧接收该交流信号并自该第一初级侧发出一磁耦合信号；以及一压力感测装置，设置于该转体，该压力感测装置电性连接该第一初级侧，并且接收该磁耦合信号，该压力感测装置包括一受力部与一基座，该压力感测装置根据该受力部与该基座的一相对位置而产生一回传信号至该第一初级侧，该检测装置根据经由该第一磁耦合装置回传的该回传信号而输出一受力信号。
2.如权利要求1所述的非接触式测量信号传送系统，其中该第一磁耦合装置的该第一初级侧与该第一次级侧分别具有一导体线圈，当该第一初级侧与该第一次级侧之间以一中轴产生旋转运动时，该导体线圈保持固定的一磁耦合系数。
3.如权利要求1所述的非接触式测量信号传送系统，还包括一第二磁耦合装置，该第二磁耦合装置电性连接于该第一磁耦合装置与该检测装置之间，该第二磁耦合装置包括一第二初级侧与一第二次级侧，该第二次级侧自该检测装置接收该交流信号，并且经由该第二初级侧传送该交流信号至该第一次级侧。
4.如权利要求3所述的非接触式测量信号传送系统，其中该轮车装置为一自行车，该自行车包括一车架、一曲轴与一踏板，该本体设置于该车架，该转体设置于该踏板，该踏板枢接于该曲轴，该曲轴枢接于该车架，该踏板具有该压力感测装置与该第一初级侧，该曲轴具有该第一次级侧与该第二初级侧，该车架具有该第二次级侧与该检测装置，该压力感测装置是将该受力信号经由该第一磁耦合装置与该第二磁耦合装置以非接触式的方式传递至该检测装置。
5.如权利要求1所述的非接触式测量信号传送系统，该基座包括一第一导磁元件，该第一初级侧电性连接该第一导磁元件，该受力部包括一第二导磁元件，该第二导磁元件移动时改变一导磁体的大小，以改变该第一导磁元件的一电感值。
6.如权利要求1所述的非接触式测量信号传送系统，其中该检测装置根据该回传信号于一特定频率的一振幅改变，而输出该受力信号。
7.如权利要求1所述的非接触式测量信号传送系统，其中该检测装置根据该回传信号于一特定频率的一相位改变，而输出该受力信号。
8.一种非接触式测量信号传送方法，用于一轮车装置，该轮车装置包括一本体与一转体，该转体包括一压力感测装置，该本体包括一检测装置，该本体与该转体之间具有一第一磁耦合装置，该非接触式测量信号传送方法包括由该检测装置产生一交流信号予该第一磁耦合装置；由该第一磁耦合装置将该交流信号转换为一磁耦合信号；该压力感测装置接收该磁耦合信号，并依据一位移程度而响应一回传信号；由该第一磁耦合装置传递该回传信号至该检测装置；以及该检测装置根据该回传信号的一特征以输出一受力信号
9.如权利要求8所述的非接触式测量信号传送方法，其中在该检测装置根据该回传信号的该特征以输出该受力信号的该步骤中，还包括根据该回传信号的一增益及一查找表而输出该受力信号。
10.如权利要求8所述的非接触式测量信号传送方法，其中在该检测装置根据该回传信号的该特征以输出该受力信号的该步骤中，还包括根据该回传信号的一相位及一查找表而输出该受力信号。
11.如权利要求8所述的非接触式测量信号传送方法，还包括 根据该受力信号，产生一辅助动力予该轮车装置。
全文摘要
一种非接触式测量信号传送系统及其方法，该系统包括检测装置、磁耦合装置与压力感测装置。检测装置设置于轮车装置的本体，并用以产生一交流信号。磁耦合装置包括第一初级侧与第一次级侧，第一次级侧接收交流信号并自该第一初级侧发出一磁耦合信号。设置于转体上的压力感测装置接收磁耦合信号，并包括受力部与基座。压力感测装置在接收到使用者的按压后，根据受力部与基座之间的相对位移，产生一回传信号。检测装置根据回传信号，输出一受力信号。
文档编号G08C17/04GK102542770SQ201010611908
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月17日
发明者蔡建峰 申请人:财团法人工业技术研究院