专利名称：一种非接触电测量自行车脚蹬力矩的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型系非接触电测量自行车脚蹬力矩的装置，属于扭矩测量技术。
目前，已有测量扭矩的方法及其装置是通过在旋转件上贴应变片将扭矩以电信号输出。由于应变片在旋转系上，因此需要用电刷--导电环将电信号引出至固定系，并经后级放大器处理为可使用的信号。其主要问题是1．结构复杂、造价高；2．有磨损，寿命低；3．环节多，整体可靠性低；4．有不一致性，调整及标定复杂；5．不能耐水、尘、腐蚀、大温差及机械振动等恶劣环境。
本实用新型的目的是设计一种能够以低造价的简单结构实现对旋转系扭矩的非接触测量，同时满足实际使用所要求的高可靠性及抗恶劣环境性。
本实用新型一种非接触电测量自行车脚蹬力矩的装置，该装置是由中轴24、右脚蹬曲柄25、链轮26、光敏三极管27、栅28、栅29、发光二极管30、滚珠31、车架五通管32、轴碗33、端盖34及应变体35构成；中轴24、右脚蹬曲柄25、链轮26、栅28、栅29、及应变体35组成旋转系，随人骑行蹬踏同轴旋转；中轴24通过滚珠31及轴碗33安装于自行车架五通管32内，右脚蹬曲柄25紧固于中轴的右端；应变体35由多片弹性片连接内外圈构成，其内圈铆于右脚蹬曲柄25端盘上，其外圈铆于链轮26上；栅28及栅29为径向通光的光栅分别固联于应变体35的内外圈上；右脚蹬曲柄25端盘外径均布凸齿与链轮26内圈均布凹槽嵌套形成限位机构；光敏三极管27、发光二极管30、车架五通管32、轴碗33及端盖34组成固定系；端盖34由轴碗33压紧于车架五通管32上并与应变体35形成防尘气隙；光敏三极管27与发光二极管30沿经向安装于端盖34上形成测量头，其光通路由栅28、栅29双重遮挡。
骑车时人脚踏自行车脚蹬，力距由左右脚踏发出并由中轴26传递至右脚蹬曲柄25上，右脚蹬曲柄25通过端盘由两条途径将力距传递至链轮26，在量程以内力距由应变体35传递至链轮26，应变体35按所传递力距产生相应的扭向变形并使得栅28、栅29产生相对相位变化，测量头测得栅28、栅29的相位变化并输出正比于所传递力距的电信号。
当力距超过量程时右脚蹬曲柄25与链轮26形成的限位机构限制应变体35进一步变形，力距由右脚蹬曲柄25的端盘外圈传递至链轮26。
本实用新型的优点是1．结构简单，造价低；2．非接触测量，寿命长；3．环节简单，整体可靠性高；4．受温度变化引起的漂移小；5．一致性好，调整及标定简单；6．可以耐受水、尘、腐蚀、大温差、机械振动等恶劣环境。
本实用新型具有如下附图
图1传感器工作原理示意图。
图2A、B铰支结构应变体示意图。
图3A、B钢支结构应变体示意图。
图4A、B齿式结构限位机构示意图。
图5A、B、C轴向透射光测量结构示意图。
图6轴向反射光测量结构示意图。
图7A、B径向光测量结构示意图。
图8A、B、C轴向电容测量结构示意图。
图9径向电容测量结构示意图。
图10A、B、C轴向磁测量结构示意图。
图11径向磁测量结构示意图。
图12非接触电测量自行车脚蹬力矩的装置示意图。
图中标号如下1轴 2轴 3应变铰支体(应变体)4限位机构 5栅 6栅7测量头 8轴承 9弹簧10承扭盘11承扭盘12联接环13联接环14弹性片15限位轮16限位环17发光管18光敏元件
19极板 20极板21磁轭22励磁元件 23检磁元件24中轴25右脚蹬曲柄 26链轮27光敏三极管28栅 29栅 30发光二极管31滚珠 32车架五通管 33轴碗34端盖 35应变体兹配合图式详细说明如下请参阅图1传感器工作原理示意图所示，传感器由轴1、轴2、应变体3、限位机构4、栅5、栅6及测量头7组成。
轴1与轴2为互相传递待测扭矩的旋转部件。应变体3联接轴1及轴2，限制轴2沿轴向、径向产生相对平移及沿径向产生相对扭转，并按所传递扭矩使轴1与轴2产生沿轴向的相对扭转；设M为轴1与轴2相互传递的待测扭矩；Mmax为最大量程扭矩；θ为轴1与轴2相应相对扭转角度；θmax为轴1与轴2在最大量程扭矩时相应相对扭转角度；K1为综合弹性系数，在Mmax时有θ=K1*M。
限位机构4限制轴1与轴2沿轴向的相对扭转角度不超过极限值θmax。
栅5与栅6为光、电容或磁特性沿圆周按相同周期变化的环，栅5与栅6分别固联于轴1轴2沿轴向相对扭转角度θ产生相位差θ。
测量头7沿测量方向与栅5及栅6保持非接触，并沿测量方向对栅5与栅6的相位差θ敏感，其相应输出电信号为V。测量头7灵敏度为K2则在M≤Mmax时有V=K2*θ=K1*K2*M应变体3可采用铰支或钢支结构。如图2所示为铰支结构应变体示意图；应变体3由轴承8、承扭盘10、承扭盘11及弹簧9构成。轴承8支承轴1与轴2；承扭盘10与承扭盘11分别固联于轴1与轴2上；弹簧9沿圆周分布，两端分别与承扭盘10与承扭盘11相联；当轴1轴2之间传递扭矩时，弹簧9产生相应的变形。
如图3所示为钢支结构应变体示意图；应变体3由联接环12联接环13及弹性片14构成，联接环12与联接环13分别固联轴1与轴2上，弹性片14沿圆周分布，两端分别固联于联接环12与联接环13上。当轴1轴2之间传递扭矩时，弹性片14产生相应变形。
请参阅图4所示，限位机构4可采用齿式结构，限位机构4由限位轮15与限位环16组成；限位轮15与限位环16嵌套并分别与轴1及轴2固联。限位轮15为外圆有凸齿的轮，限位环16为内圆有凹槽的环，并且凸齿的宽度小于凹槽。当轴1与轴2相对扭转达到极限值时，限位轮15的凸齿与限位环16的凹槽接触限制相对扭转超过极限值。
栅5与栅6按需求可采用光、电容或磁测量结构。
如图5所示，为轴向透射光测量结构示意图。栅5与栅6为按相同周期透光度变化的透光栅；(黑色条为阻光区，无色条为透光区)；测量头7由发光管17及光敏元件18组成。当栅5及栅6处于初始位置时，发光管17所发光完全被栅5及栅6遮挡；随着栅5与栅6因轴1与轴2的相对扭转而产生相位变化，光通量相应增加。光敏元件18接收光并输出正比于光通量的电信号。
某些条件下要求测量头7在栅5和栅6的单侧工作；可采用轴向反射光测量结构，如图6所示。此时栅5为透光栅，栅6为反光栅(黑色条为吸光区，无色条为反光区)。
某些条件下可采用径向光测量结构，如图7所示。
请参阅图8所示，为轴向电容测量结构原理示意图。栅5与栅6是容栅结构(黑色条为导电区，无色条为绝缘区)；测量头7由极板19与极板20构成。极板19、栅5、栅6、极板20构成串联电容回路，其电容值随栅5与栅6的相位变化而变化，并由后级电路处理为可利用的力矩电信号。
某些条件下可采用径向电容测量结构如图9所示。
请参阅图10所示，为轴向磁测量结构原理示意图。栅5与栅6是为导磁材料制成的栅结构。测量头7由磁轭21、励磁元件22、检磁元件23构成。磁轭21、栅5、栅6、励磁元件22、检磁元件23构成磁回路，其磁阻随栅5与栅6的相位变化而变化。励磁元件22产生恒定交流或直流磁势，检磁元件23检测磁回路磁通并输出相应电信号，经后级电路处理为可利用的力矩电信号。
某些条件下可采用径向磁测量结构如图11所示。
如图12所示为一种非接触电测量自行车脚蹬力矩的装置，该装置是由中轴24、右脚蹬曲柄25、链轮26、光敏三极管27、栅28、栅29、发光二极管30、滚珠31、车架五通管32、轴碗33、端盖34及应变体35构成；中轴24、右脚蹬曲柄25、链轮26、栅28、栅29、及应变体35组成旋转系，随人骑行蹬踏同轴旋转；中轴24通过滚珠31及轴碗33安装于自行车架五通管32内，右脚蹬曲柄25紧固于中轴的右端；应变体35由多片弹性片连接内外圈构成，其内圈铆于右脚蹬曲柄25端盘上，其外圈铆于链轮26上；
栅28及栅29为径向通光的光栅分别固联于应变体35的内外圈上；右脚蹬曲柄25端盘外径均布凸齿与链轮26内圈均布凹槽嵌套形成限位机构；光敏三极管27、发光二极管30、车架五通管32、轴碗33及端盖34组成固定系；端盖34由轴碗33压紧于车架五通管32上并与应变体35形成防尘气隙；光敏三极管27与发光二极管30沿经向安装于端盖34上形成测量头，其光通路由栅28、栅29双重遮挡。
骑车时人脚踏自行车脚蹬，力距由左右脚踏发出并由中轴26传递至右脚蹬曲柄25上，右脚蹬曲柄25通过端盘由两条途径将力距传递至链轮26，在量程以内力距由应变体35传递至链轮26，应变体35按所传递力距产生相应的扭向变形并使得栅28、栅29产生相对相位变化，测量头测得栅28、栅29的相位变化并输出正比于所传递力距的电信号。
当力距超过量程时右脚蹬曲柄25与链轮26形成的限位机构限制应变体35进一步变形，力距由右脚蹬曲柄25的端盘外圈传递至链轮26。
权利要求1．一种非接触电测量自行车脚蹬力矩的装置，其特征在于该装置是由中轴(24)、右脚蹬曲柄(25)、链轮(26)、光敏三极管(27)、栅(28)、栅(29)、发光二极管(30)、滚珠(31)、车架五通管(32)、轴碗(33)、端盖(34)及应变体(35)构成；中轴(24)、右脚蹬曲柄(25)、链轮(26)、栅(28)、栅(29)、及应变体(35)组成旋转系，随人骑行蹬踏同轴旋转；中轴(24)通过滚珠(31)及轴碗(33)安装于自行车架五通管(32)内，右脚蹬曲柄(25)紧固于中轴的右端；应变体(35)由多片弹性片连接内外圈构成，其内圈铆于右脚蹬曲柄25端盘上，其外圈铆于链轮(26)上；栅(28)及栅(29)为径向通光的光栅分别固联于应变体(35)的内外圈上；右脚蹬曲柄(25)端盘外径均布凸齿与链轮(26)内圈均布凹槽嵌套形成限位机构；光敏三极管(27)、发光二极管(30)、车架五通管(32)、轴碗(33)及端盖(34)组成固定系；端盖(34)由轴碗(33)压紧于车架五通管(32)上并与应变体(35)形成防尘气隙；光敏三极管(27)与发光二极管(30)沿经向安装于端盖(34)上形成测量头，其光通路由栅(28)、栅(29)双重遮挡。
专利摘要该装置由中轴、右脚蹬曲柄、链轮、光敏三极管、栅28、栅29、发光二极管、滚珠、车架五通管、轴碗、端盖及应变体构成;中轴通过滚珠及轴碗安装于自行车架五通管内,右脚蹬曲柄紧固于中轴的右端;应变体由多片弹性片连接内外圈构成;栅28及栅29分别联接应变体上;右脚蹬曲柄与链轮形成限位机构;光敏三极管、发光二极管、车架五通管、轴碗及端盖组成固定系;端盖由轴碗压紧于车架五通管上并与应变体形成防尘气隙;光敏三极管与发光二极管沿径向安装于端盖上形成测量头。
文档编号G01L5/24GK2323365SQ9820168
公开日1999年6月9日 申请日期1998年3月9日 优先权日1998年3月9日
发明者钱广宇 申请人:钱广宇