专利名称：用于角速度、扭矩和功率的轴传感器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及转动轴，更具体地，但并非限制，涉及用于探测角速度、扭矩和功率的一种新颖的传感器装置。
背景技术：
通过应用于自行车类型的装置来描述本发明，但这仅是说明举例的目的，应理解到，本发明可用来探测任何轴的扭矩，例如，汽车、医疗监控装置和其他健身装置上的轴。
扭矩响应节流阀已用于助动车，以在自行车驾驶者所施加的功率达到一预定程度时给自行车提供机动功率。已有报道，至少在一个国家中，存在一个要求，为了节约燃油，只在达到了预定的速度之后才提供动力帮助，辅助的机动功率仅最多达到自行车驾驶者所提供的功率的程度。可从自行车和链轮驱动的两曲柄之间延伸的轴上的扭矩和角速度的测量得到功率值的大致测量。另外，可仅对一个曲轴柄进行测量，然后将数值加倍。
可应用多种技术来提供测量轴的扭矩的装置，其转动力与扭矩成比例。某些技术具有复杂的缺陷，因此，相对成本较高、重量较重，某些要求滑环还具有伴随的问题，某些在自行车环境中使用不能被封装，某些不适于使用在自行车环境中，在自行车环境该装置要暴露于液体和外部固体材料，例如水、冰、盐、污物、尘垢等等，没有一种提供用以防止轴过度扭转和过度弯曲的简单技术。
因此，本发明的主要目的是提供相对简单且成本较低的一种轴传感器。
本发明的另一目的是提供适于使用在自行车环境中的一轴传感器。
本发明的一附加目的是提供这样一种轴传感器，该传感器提供了用以防止轴过度扭转和过度弯曲的简单技术。
本发明的另一目的是提供一高度敏感的轴传感器。
本发明的又一目的是提供这样一种轴传感器，该传感器在轴转动时提供角速度、扭矩和功率值的指示，无需使用滑动环或遥测方法。
本发明的其他目的、以及具体的特征、元件和优点将从以下的描述和附图中阐明或变得显而易见。
本发明的公开本发明通过在较佳实施例中提供用于一机械的一轴传感器获得了以上目的，所述轴传感器包括第一和第二圆盘，以及一传感器组件，各圆盘垂直地固定连接于所述机械的一轴的一部分上，所述轴的所述部分承受扭矩，所述第一和第二圆盘沿所述轴的所述部分在间隔开的位置上运作地连接于所述轴的所述部分；传感器组件具有第一和第二传感器，各传感器与所述第一和第二圆盘设置成探测关系，以探测由于所述轴的所述部分的扭转而导致的所述第一和第二圆盘的相对位置，以输出代表与所述轴的扭转相关的至少一个参数的信号。
附图的简要描述通过参见附图将有利于理解本发明及其各个方面，提交附图的目的仅为说明举例，并非有意界定本发明的范围，在附图中
图1是按照本发明的一实施例构造的一轴扭矩传感器装置的局部端剖视图。
图2是沿图1中线“2-2”的侧视图。
图3是沿图1中线“3-3”的侧视图。
图4是本发明的信号处理电路的一实施例的示意/方块图。
图5是与图6所示的电路一起使用的一改型的圆盘的侧视图。
图6是本发明的信号处理电路的另一实施例的示意/方块图。
图7是按照本发明的另一实施例构制的一轴扭矩传感器装置的局部侧剖视图。
图8是沿图7中线“8-8”的端视图。
图9是示出了安装使用在本发明中的一传感头的一方法的侧视图。
图10是适于安装在健身或公路自行车中的图7所示的轴扭矩传感器的侧视图。
图11是本发明的又一实施例的一局部端视图。
图12是应用至一健身自行车或医疗器械的本发明的一方框图。
实施本发明的最佳模式现参见附图，在所有的附图中相似或相同的部分被赋予相同的标号，对附图标号的插入标记是将读者指引到能够最清楚地看到所述部分的附图上，尽管也可以在其他附图上看到该部分。
图1示出了按照本发明的基本实施例构制的、总的标为20、应用于自行车(未图示)的踏板轴30的一扭矩传感器。踏板轴30在一非转动轴承壳32内转动，非转动轴承壳32是自行车框架(未图示)的一部分。保持件34防止踏板轴30相对轴承壳32作轴向运动。一曲柄40固定地连接于踏板轴30的一端，可理解到一类似的曲柄(未图示)将固定地连接于踏板轴的另一端，并且合适的传动装置也运作地连接于踏板轴的另一端，也给一驱动轮提供功率。上述部件是传统自行车典型组成部分。
固定地垂直连接于踏板轴30且沿踏板轴一部分分隔开的是第一和第二圆盘50和52。图2和图3更清楚地示出，第一圆盘50具有环绕第一圆盘的内表面设置成圆形阵列的多个开口56，而第二圆盘52具有环绕第二圆盘的内表面设置成圆形阵列的多个开口58。如图1所示，第一和第二圆盘的内表面彼此面对。
再次参见图1，一第一传感头64与第一圆盘50上的开口56的圆对齐，而一第二传感头66与第二圆盘52上的开口58的圆对齐。开口56和58的两圆沿径向偏移(图2和图3)，所以第一和第二传感头64和66相对踏板轴30沿轴向重叠，使第一和第二圆盘50和52之间的距离最小。如果第一和第二传感头64和66可以制造得足够小，那么就不需要其重叠部分和开口56和58的两圆的径向偏移。在该情况下，因为头部相对开口56和58的速度将是相等的，传感头64和66的输出信号将更加相似。第一和第二传感头64和66可容纳在一模制的塑料块70中来进行保护。块70是不转动的且被一合适结构72所支承，结构72固定地连接于自行车框架的非转动部分例如轴承壳32，在轴承壳32中一般使用滚珠轴承。
对于图1所示的应用，第一和第二圆盘50和52可用大约五英寸直径和大约四分之一英寸厚度的钢板或其他合适材料制成。如图所示，在该情况下，多个开口56和58都是八个，大约为三十二分之三英寸深，且可以填充非磁性材料，以减轻可能进入开口中的尘垢和污物所造成的污染程度。如上所述且如图2和图3所示，开口56和58的圆沿径向偏移，在该情况下大约为二分之一英寸。可标定来自传感头64和66的输出信号，以补偿该偏移和伴随的速度差异。第一和第二圆盘50和52沿着踏板轴30彼此分隔开大约一英寸的距离。
在无负载的状态下，开口56和58的两圆在角度方向精确对齐，在负载状态下，当踏板轴30转动时，踏板轴给负载提供扭矩和能量。踏板轴30上的扭矩稍微角度方向移动第一和第二圆盘50和52，无需使传感头64和66机械接触转动的踏板轴，就可测量踏板轴传递的扭矩、角速度和功率。
尽管开口56和58以狭缝的形式示出在图1-3中，也可以使用其他形状的开口，包括(但不局限于)圆形、椭圆形、矩形、正方形等等。这些形状可产生清晰的边缘，因为传感器间隙长度(例如磁头)可以非常小。这些形状可以容纳能够产生相对较强磁场的磁性材料、磁铁、或者磁化的材料。这增加了信号对干扰的比值且减少了来自汽车、控制器等的可能的外部干扰效果，且降低了对防护的要求。而且，尽管所示的开口56和58各为八个，但可以应用任何数量的开口，使用的开口数目越多，可得到的信息量也就越多。
图4示出了本发明的电路的一个实施例，用以测量踏板轴30(图1)传递的角速度、扭矩和功率，该电路总的被标号80表示。电路80具有第一和第二磁头86和88，它们分别包括传感头64和66(图1)的部分。磁头86和88与使用在声音存储中的磁头相似，其间隙比那应用中的宽，以产生或探测离探测头64和66(图1)较远的更多磁通，且被设置得接近圆盘50和52(图1)的内表面上的开口56和58的圆。通过一系列电阻给磁头86和88提供电流，当开口56和58分别通过磁头时，从磁头输出信号。磁头86和88也可以使用其他类型的传感器，例如磁阻元件。
使用传统的电路，沿边探测器102和122可被设计为响应头部信号的前沿的快速变化部分。另外，也可以应用后沿探测，其要求(电确定)是充分的头部信号区域和或信号持续时间(转换为成比例的电压或电流)必须刚好发生在后沿探测器复位触发器130之前。也可以应用信号峰值探测。因此，可以减弱短时间的乱真电干扰和磁场干扰效果。
后沿探测方法也可用于角速度的确定。当使用声音类型的磁头时，触发器130能够在信号输出的固定电平置位和复位，且能够在可变电平置位和复位(作为所得到的角速度的一个功能)，以补偿因在不同角速度时的磁通时间变化率所引起的信号电平的变化。在后沿探测中，在足够区域或宽度的信号发生后，当沿边下落至固定的或角速度变化电平之下时确定置位和复位电平。当应用该方法时，图4中将角速度的反馈信号提供给沿边探测器102和122的虚线将包括在电路80中。
另外，可不提供铁磁材料的圆盘50和52，圆盘50和52也可用非磁性材料例如铝来形成，磁性和/或磁化的材料设置在开口56和58中，以产生越过带有磁性材料的头部的显著的磁阻变化和信号(这需要一系列电阻)，或者对于磁化材料的每单位时间的显著的磁通量的变化(在该情况下不需要电阻)。而且，插入到钢板中的铝可具有填充磁性或磁化材料的开口56和58。其他形式的设置也是可行的，且处在本发明的设想之内。例如，圆盘50和52可以是铁磁材料，而开口56和58填充有磁化材料。复合的圆盘50和52，例如钢质外层和非磁性的内层，而开口56和58设置在内层中以利用钢材的强度。具有最小磁性的不锈钢也可用于圆盘50和52。
一般而言，圆盘50和52可用以下的一种或多种合适材料形成磁性材料、非磁性材料、铁磁材料、非铁磁材料、具有某些铁磁性能的材料、以及复合材料。开口56和58可填充有以下一种或几种合适的材料空气、非磁性材料、磁性材料、以及可被磁化的材料。
来自第一磁头86的信号通过一放大器100且通过沿边探测器102，后者的输出触发单稳态的多谐振荡器104，当运行在平均电路106中时，多谐振荡器104的输出藉助例如低通滤波技术提供与踏板轴30(图1)的角速度成比例的一运行的平均模拟信号。另外，滤波可以比低通滤波更为复杂，以便于平滑和调节运行的平均周期。
来自第二磁头88的信号在放大器120中被放大，且通过沿边探测器122。沿边探测器102的前沿输出置位触发器130，触发器130被沿边探测器122的前沿输出复位，当扭矩或扭转存在于踏板轴30(图1)上时，这两个前沿输出稍微移位。
一般而言，临界电平和斜坡可应用在沿边探测器102和122中。
使用狭窄的开口56和58，例如图2和图3所示的槽口，位于放大器100和120的输出的头部信号在低扭矩时可能会重叠，在某些情况下，因为盘或开口的对不齐，沿边探测器122复位信号可比沿边探测器102置位触发器130稍微早一点发生。在前沿探测中，避免引入较大误差的一个方法是置位触发器130，使沿边探测器102的输出具有较短的持续时间(例如，在自行车应用中为一至两微秒)，且在越过临界值时仅在从放大器100的正斜坡上置位触发器130。沿边探测器122的复位输出具有相对较长的持续时间(例如，100-200微秒)，且在越过临界值时仅在从放大器120的正斜坡输出上复位触发器130。这能够确保当来自放大器100和120的信号存在重叠时，或者较小的圆盘开口在低扭矩情况下对不齐时，触发器130将在来自沿边探测器100的置位脉冲发生之后被复位。在后沿探测中，当来自沿边探测器102和122的输出信号越过临界值时，应用相似的探测输出宽度在负斜坡上来置位和复位触发器130。
临界电平可随用于前沿和后沿探测以及用于重叠和非重叠信号的角速度的函数而变化。这可在沿边探测器102和120中完成。
触发器130的输出宽度随轴速度和扭矩而变化。触发器130的输出被与平均电路106相似的平均电路140求平均，其输出是与扭矩成比例的一模拟信号。如果需要，平均电路140的输出可与比较器(或差分电路)144中的一基准相比较，以产生一个信号，该信号指示扭矩何时超过基准值。当达到一设定角速度后，该信号可使用在一反馈回路中，以控制健身自行车或医疗装置上的摩擦垫子。在较高的扭矩下很难用手调节这些垫子。该反馈信号通过其他装置(例如一磁场)也可用来调节施加在飞轮上的力，以控制阻扭矩。角速度和扭矩输出信号在乘法器150中倍增，以产生与功率成比例的一信号。乘法器150的输出可与比较器(或差分电路)152中的一基准相比较，以产生用于反馈目的的一信号，该信号与上述来自比较器144的信号的使用相似。
为了有助于减少电干扰环境的效果或可以增加精确度，可仅在来自第一和第二磁头86和88的信号通过使用后沿探测具有足够的区域和持续时间后，触发沿边探测器102和122。
简言之，一致的偏置误差可在扭矩电平输出时得到补偿。
图5示出了一圆盘160，圆盘160与图2和图3所示的圆盘50和52相似，且其上具有设置成一圆的八个开口162。设置在圆盘160上与开口162同一个圆中的是紧密间隔的一组三个开口164。该探测电路可通过传统的装置进行适当的改型，以探测组164且依据圆盘160的每一回转提供一信号。三个开口的组164可与矩形开口162紧密地设置，并且来自该组的信号可被排除在多谐振荡器104的速度输出之外，以避免将该组与有规律地间隔的开口相平均。
当然，也可以设置除组164之外的其他装置来指示圆盘160的每一回转。当应用结合图6描述的电路时，这样的布置是有利的。
图6示出了用以测量踏板轴30所传递的角速度、扭矩和功率的电路的另一实施例，该电路总的被标号180来表示。具有与电路80(图4)的元件相同功能的电路180的元件保持相同的标号。当需要提供几乎瞬时的角速度、扭矩或功率的测量时，电路180特别有用。
在此，触发器130的输出在乘法器190中被角速度倍增，且其输出施加至一积分器192，其幅度在“沿边2”处的触发脉冲之后在周期内保持恒定，直到积分器被下一狭缝的“沿边1”设定为零。积分器的输出通过一模拟门200，模拟门200在积分过程中被触发器130的负输出关闭，而后通过多个模拟门202，模拟门202通过的是所施加的最小信号，此后通过多个保持电路204，传输至一条形图显示器206。保持电路204可被到达它的输入信号的前沿复位。条形图显示器206允许自行车的使用者在踏板轴的每一回转中例如观察到踏板轴30(图1)的扭矩中的变化。另外，可应用一仪表来显示选定参数的平均值。还有，也可应用一个或多个仪表来显示各参数。
数字定序器210的输出施加至模拟门202，该数字定序器被来自组164(图5)的“一转一次”(“once around”)信号复位，且在被“沿边2”每次积分后前进。当头放大器输出施加至累加和衰减电路时，可得到“一转一次”信号，以致组164比间隔的开口162提供更高得多的幅值。该较高幅度的信号用来产生“一转一次”信号(例如，通过触发一单触发多谐振荡器)。
积分器192的输出也可在乘法器中被角速度倍增，以产生与功率成比例的一信号，通过应用并入在电路中的标度因子，借助于开关222的置位可选择地将角速度、扭矩或功率显示在条形图显示器206上。
与图4中的电路80的情况一样，当应用后沿探测时，在发生足够区域或宽度的信号之后，当沿边下落至一固定的或角速度变化电平之下时，就确定了置位和复位电平。再次，当应用该方法时，图6中将角速度信号的反馈提供给沿边探测器102和122的虚线将包括在电路80中。
对于自行车的应用，例如，当存在两个功率输入(即，两个踏板)，且仅监测一个踏板输出时，假定来自两个踏板的功率大致相同，且利用一恒定的标度因子来显示需要的数值。当确定扭矩运行平均值时，在自行车的应用中也加倍单方面确定的扭矩。
图7示出了按照本发明的另一实施例构制的、总的被标为300的一扭矩传感器的布置。所示的传感器300是用于说明性的目的，且可以用键固于自行车的踏板轴310，该踏板轴设置在自行车框架(图未示)的部分312中，自行车框架容纳踏板轴和轴承，例如在设置在轴和端盖/轴承座圈316之间的314处，踏板轴310的右端可适应各种不同的自行车设计。
传感器300具有分别与第一和第二圆盘50和52(图2和图3)相似的第一和第二圆盘320和322，它们各自设置在中空扭转管子330的一端，扭转管子330可具有大约0.35至大约0.40英寸的内直径。传感器300借助于开花键槽或开平键槽的毂340固定于踏板轴310，毂340插入到轴的末端中且通过带螺纹的内六角(Allen)头型螺栓342固定在那儿。一密封的传感单元350以非转动的关系设置在第一和第二圆盘320和322之间，一定中心的簧片352从传感单元沿轴向延伸且可滑动地接触第一和第二圆盘的内表面，以相对第一和第二圆盘将传感单元保持在中央位置。该布置产生“几乎”相等的头部信号。
密封的传感单元350包含传感头和相关的部分，且较佳地被构制成以不暴露于有害环境的方式装配其诸部分。一个这样的构制方法是将传感体和相关部分设置在印刷电路板上，而后给印刷电路板涂覆一层合适的保护材料。另一这样的构制方法是将传感元件密封在塑料材料块中。在任一情况下，密封的传感单元350提供防止物理和化学损伤的保护，它制造经济，且保持传感头的位置。电子元件可设置在密封的传感单元350中，以保持它们接近传感头来减轻干扰，导线和屏蔽物及传感头不需要接触圆盘。只有高电平信号需要从传感单元350传送和将能量传输至传感单元。
中心簧片352也可以用塑料和/或塑料涂覆的金属来构制，且具有相同的性能，即使最初存在或因外力致使圆盘间距发生变化，也能够保持传感头与第一和第二圆盘320和322的内表面等距。不论使用哪一种，中心簧片352都可安装在印制的电路板上或塑料块上。
因为触发器130(图4)被来自传感头的相似处理的信号置位和复位，在置位和复位中将发生相同的延时，由此补偿变化的头部距离。尼龙和特氟隆特别适于形成密封的传感单元350和中心簧片352，这是因为它们能够抵抗相对较高的温度且具有很低的摩擦系数，由此当第一和第二圆盘320和322克服该中心簧片而运动时减少热量的产生和拖拉。
应注意到，第一和第二圆盘320和322形成传感器300的一壳体，并且连接于自行车框架的圆形密封件360的结构封闭该壳体，以防止外部物体的进入。该特征例如在自行车易于碰到的肮脏环境中特别重要。密封件360具有凸缘370，凸缘370啮合环绕第一和第二圆盘320和322的内表面界定的沟槽372，以将密封件固定就位。设置足够的余隙，以允许第一和第二圆盘320和322与密封件360之间的灵活运动，这是由于密封件相对自行车框架基本静止。密封件360可以是塑料挤压成形物，例如具有低摩擦和高温性能的特氟隆或尼龙。
内部有螺纹的固定支柱(standoff)380固定地连接于第一圆盘320的内表面，它从该内表面向内垂直地延伸。带螺纹的内六角头，或者其他类型，螺栓382插入到固定支柱380中，且具有末端的非螺纹端部384，端部384被宽松地插入到界定在第二圆盘322的内表面中的圆形开口386中，该圆形开口具有比末端384的直径稍大的直径，以下描述其结构的目的。固定支柱380和螺栓382相啮合，带有没有穿透第二圆盘322的螺栓，这进一步密封了由第一和第二圆盘320和322以及密封件360所产生的壳体。
应注意到，第一和第二圆盘320和322，扭转管子330和毂340是一体形成的，但也可以是单独固定的零件，各零件通过机械加工得到精确度、外形和位置的准确度。毂340也可以连接于踏板轴310的外部，第一和第二圆盘320和322连接在那儿，螺栓382和圆形开口386设置在毂中。传感器开口可保留在第一和第二圆盘320和322外方薄的部分。其他的结构也被本发明所设想。
第一圆盘320的外表面具有通过多个带螺纹的内六角头螺栓连接在那儿的一踏板曲柄390，螺栓如在392处插入通过踏板曲柄而进入到第一圆盘320中。当然，重要的是，螺栓392的内端避开了块350和传感系统的其他内部部件。
从图7中可以看出，扭转管子330的内直径比踏板轴310的直径小。可理解到，应根据所需的扭矩程度来选择扭转管子330的直径及其壁厚，较小的直径及较薄的壁趋于增加灵敏性，但也趋于增加扭转管子过于扭转或过于弯曲的可能性。扭转管子330也可与踏板轴30(图1)的相似部分一样是实心的。
再次，无需机械接触转动的踏板轴，即可测量踏板轴310所传递的扭矩、角速度和功率。只有中心簧片352接触转动件，在该例中是第一和第二圆盘320和322。
图8更清楚地示出了本发明借以防止过度扭转的装置。如上所述，螺栓382(图7)的末端384被插入到界定在第二圆盘322的内表面中的圆形开口386中，螺栓末端的直径比圆形开口的直径稍小。因此，如果超过施加在扭转管子330上的一预定程度的扭矩，末端384将约束圆形开口386的壁，施加至扭转管子的扭矩将被限制于导致该约束所需的程度。再次参见图7，过度弯曲被推压第二圆盘322的内表面的固定支柱380的末端所防止。扭矩和弯曲限制的特征在下面的应用中特别有用，即在起始扭矩和弯矩较高，而运行扭矩(被监控)和弯矩较低的场合。螺栓382与圆形开口386的约束在第一和第二圆盘320和322的限制处可用来防止位移。
图9示出了用以安装邻近圆盘402的传感块400的装置，圆盘402具有界定在其内表面中的开口404。传感块具有位于其内的带有空气间隙412的磁性传感头410，且具有安装在其上的一中心簧片结构414，以顶靠着与圆盘402相对的一第二圆盘(图未示)滑动。可理解到，一相同的中心簧片结构和带有空气间隙的传感头将设置在传感块400的相对侧，该中心簧片结构顶靠圆盘402滑动。
传感块400结合于一环形悬臂式支承件420的上端，支承件420可由合适材料例如较薄的铝、钢、塑料或其他合适材料形成。悬臂式支承件420的下端固定在自行车的一静止部分上，例如，借助于通过支承件下端通过的安装孔。悬臂式支承件420足够柔韧，以允许传感块400容易地定位在圆盘402和相对圆盘之间的中心，但也足够刚强，以避免扭曲效果，扭曲效果将导致传感头410相对圆盘的偏移。产生接近其静止安装件的绞接效果的悬壁式支承件420的较薄厚度使得该支承件可容易地响应圆盘间隔的变化。该结构相对更昂贵和复杂的机构非常可靠，而昂贵和复杂的机构可能会不利地受到尘垢和污物的污染。连接于和来自传感块400的导线可连接于悬臂式支承件420，由此保护导线且防止过多的导线缠绕于静止部分。悬臂式支承件420被设置成离开固定支柱380。
图10示出了适于连接于大量健身和公路自行车的图7所示的传感器300。与图7中的相同部分具有相同形式和功能的传感器300的部分保持相同的标号。一个大致圆形的毂500通过多个带螺纹的内六角头螺栓502连接于第二圆盘322的外表面，螺栓502插入通过该毂而进入到第二圆盘中。一锥形的开口510沿轴向设置在毂500的中央，以接纳大量的静止的健身或公路或山地自行车中的一个的心轴(图未示)，设置一带螺纹的内六角头螺栓512，以拧进心轴中的一互补开口中。另外，开口510可以是方形或其他形状。
图10所示的结构的优点是可从一健身或公路自行车中容易地取下传感器300，且容易地替换或连接于另一自行车。
图7和图10所示本发明的结构通过拆下整个传感器300允许从传感器的外部容易地进入，以改变零件、保养等等。
图11示出了按照本发明的又一实施例构制的、总的被标号600表示的一传感器。该实施例应用光传感，而不是磁性传感。可理解到，图11未示的传感器600的元件与传感器300(图7至图10)的元件相似或相同，传感器600中的信号处理与传感器300中的信号处理相似或相同。
传感器600具有第一和第二圆盘610和612，每个圆盘分别具有设置在其内的多个开口614和616(在每个圆盘上只示出一个)，该圆盘具有反射的内表面。与块350(图7和图10)相似的一传感块620通过上述的装置设置在第一和第二圆盘610和612的中央。设置在传感块620中以在第一和第二圆盘610和612的内表面倾斜地指引细光束的分别是第一和第二光源630和632，光源例如为LED(发光二极管)。
在传感块620中还设置有第一和第二光探测器640和642，用以分别接收第一和第二光源630和632所产生且被第一和第二圆盘610和612的内表面反射的光，光探测器例如可以是光敏晶体管，它们相对光源产生的细光束具有较宽的收集区域。
第一和第二圆盘610和612都相对传感块620以前述的方式转动，如图11所示，各圆盘倾斜地移动，使来自第二光源632的光束没有完全到达槽口616的边缘，因此，该光束被第二圆盘612的内表面反射，且被光探测器642探测。同时，来自第一光源630的光束到达第一槽口614，切口614扩散了该光束，所以光束没有被第一圆盘610的内表面反射，且因此没有被第一光探测器640探测到。以此方式，可通过来自第一和第二光探测器640和642的信号的损失来探测第一和第二开口614和616的边缘。
处理电路被设计为忽略第一和第二圆盘610和612中微小的内表面反射变化。第一和第二开口614和616可以是开放的或填充有低反射的材料。如果需要，可以使用擦拭垫(图未示)使第一和第二圆盘610和612的内表面保持相对洁净。
本发明在评估肌肉力量和运动的医疗应用中特别有用和有效，当使用两个单元时也可用来探测不对称性。按照后一结构的一系统的简图示出在图12中，其中该系统总的被标号700指示。在此，系统700具有第一和第二电路710和712，每一电路具有诸传感器且与图4所示的电路80相似，每一传感器都与例如健身自行车或医疗评估装置上的踏板相连。第一和第二电路710和712输出代表角速度、扭矩或功率的信号，这些信号被第三电路720接收，后者提供代表第一和第二电路的角速度、扭矩或功率输出之间不对称性的一输出信号。第三电路720的输出可用来评估使用健身自行车或医疗评估装置的人的能力。在健身自行车或医疗评估装置上设置分开的轴的情况下，不对称的角速度很重要。
可以应用模拟、数字或计算机技术来设计图4和图6所示的元件。
在上述本发明的实施例中，应意识到，其单个的元件和/或特征并非必须局限于某一具体实施例，而是在可应用的情况下可相互替换，且可以使用在任何所选择的实施例中，即使该实施例并没有具体示出。
当使用诸如“上”、“下”、“内”、“外”“向内”、“向外”等词语时，是指示出在附图中的各个元件的位置，本发明并非必须局限于这些位置。
因此，可看出已充分获得前面的描述中所阐明的那些目的，因为只要不脱离本发明的范围，在上述的结构中可进行一定的变化，所以应意识到，包含在上面的描述或示出在附图中的所有内容仅为举例说明，而非限制。
也应当理解到，下面的权利要求书意欲涵盖在此描述的本发明的所有一般和具体特征，从语言角度，本发明范围的表述应落在其间。
权利要求
1．一种用于一机械的轴传感器，所述轴传感器包括(a)第一和第二圆盘，各圆盘垂直地固定连接于所述机械的一轴的一部分上，所述轴的所述部分承受扭矩，所述第一和第二圆盘沿所述轴的所述部分在间隔开的位置运作地连接于所述轴的所述部分；以及(b)一传感器组件，该传感器组件具有第一和第二传感器，各传感器与所述第一和第二圆盘设置成探测关系，以探测由于所述轴的所述部分的扭转而导致的所述第一和第二圆盘的相对位置，以输出代表与所述轴的扭转相关的至少一个参数的信号。
2．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括环绕且密封界定在所述第一和第二圆盘之间的空间的一盖子，所述第一和第二圆盘、所述盖子、以及所述轴的所述部分构成了一密封壳体，所述传感器组件设置在该壳体中。
3．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于(a)所述第一和第二圆盘分别具有界定在所述第一和第二圆盘的面向内的表面中的诸开口的第一和第二环形阵列；以及(b)所述第一和第二传感器是磁性传感器，分别设置成邻近诸开口的所述第一和第二环形阵列，以探测诸开口的所述第一和第二环形阵列的相对位置。
4．如权利要求3所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于(a)所述第一和第二圆盘由从以下选出的一种或多种合适材料形成磁性材料、非磁性材料、铁磁材料、非铁磁材料、具有某种铁磁性能的材料、及复合材料；以及(b)诸开口的所述第一和第二环形阵列填充有从以下选出的一种或多种合适材料空气、非磁性材料、磁性材料、以及磁化的材料。
5．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述第一和第二传感器及与其相关的电路设置在保护性材料的块中。
6．如权利要求5所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括设置在所述保护性材料块的任一侧的诸中心簧片，诸中心簧片接触所述第一和第二圆盘的表面，以使所述保护性材料块相对所述第一和第二圆盘保持在选定的位置。
7．如权利要求6所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述保护性材料块固定地安装在一悬臂件的末端，该悬臂件具有连接于所述机械的一部分的最近端，该最近端相对所述轴的所述部分是静止的，以使所述保护性材料块可相对容易地在所述第一和第二圆盘之间移动。
8．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述传感器组件连接于所述机械的一非转动件。
9．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于(a)所述第一和第二圆盘分别具有界定在所述第一和第二圆盘的面向内的表面中的诸开口的第一和第二环形阵列；以及(b)所述第一和第二传感器是光传感器，分别设置成邻近诸开口的所述第一和第二环形阵列，以探测诸开口的所述第一和第二环形阵列的相对位置。
10．如权利要求9所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于(a)所述第一和第二圆盘的所述面向内的表面是可反射的；(b)所述第一和第二传感器各具有一光源和一光探测器，以及(c)诸开口的所述第一和第二环形阵列的相对位置是通过探测或没有探测到每个所述光源发出且被所述第一和第二圆盘的面向内表面反射的光束来确定的，诸开口的所述第一和第二环形阵列的任何开口使光线进入而不反射。
11．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括设置在所述第一和第二圆盘之间的多个第一止动件，以防止所述轴的所述部分过度扭转。
12．如权利要求11所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述多个第一止动件中的每一个都包括一根轴，该轴固定地连接于所述第一和第二圆盘中的一个圆盘上，且从该圆盘延伸进入到界定在另一圆盘中的一开口中，所述开口具有比所述轴较大的直径，因此，当过大的扭矩施加至所述轴的所述部分上时，所述轴将约束所述开口，以防止所述轴的所述部分的所述过大扭转。
13．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括设置在所述第一和第二圆盘之间的多个第二止动件，以防止所述轴的所述部分的过度弯曲。
14．如权利要求13所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述多个第二止动件中的每一个都包括一部分，该部分固定地连接于所述第一和第二圆盘中的一个圆盘上，且从该圆盘延伸至一位置，在该位置所述部分的末端接近另一圆盘的内表面，因此，当所述轴的所述部分弯曲时，所述末端将约束所述内表面，以防止所述轴的过度弯曲。
15．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述至少一个参数可从以下选出角速度、扭矩和功率。
16．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于(a)所述第一和第二圆盘分别具有界定在其面向内的表面中的诸开口的第一和第二环形阵列；(b)所述第一和第二传感器分别设置在诸开口的所述第一和第二环形阵列的邻近处，以探测所述第一和第二开口阵列的相对位置；(c)诸开口的所述第一和第二环形阵列与所述第一和第二传感器相对所述轴的所述部分分别沿径向偏移，以使所述第一和第二圆盘之间的距离最小。
17．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述第一和第二传感器及其相关电路设置在密封的印刷电路板中。
18．如权利要求17所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括中心簧片，该中心簧片设置在所述密封的印刷电路板的任一侧且接触所述第一和第二圆盘的表面，以使所述密封的印刷电路板相对所述第一和第二圆盘保持在选定的位置。
19．如权利要求17所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述密封的印刷电路板固定地安装在一悬臂件的末端，该悬臂件具有连接于所述机械的一部分上的最近端，其最近端相对所述轴的所述部分是静止的，以使所述密封的印刷电路板在所述第一和第二圆盘之间相对容易地移动。
20．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括用以指示所述至少一个参数的数值的一显示器。
21．如权利要求20所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述至少一个参数的所述数值以运行平均值来显示。
22．如权利要求20所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述至少一个参数的所述数值基本以瞬时值来显示。
23．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述至少一个参数可从以下选出角速度、扭矩和功率。
24．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述至少一个参数可从以下选出扭矩和功率。
25．如权利要求24所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于所述信号与一基准信号相比而产生一差别信号，该差别信号应用在一反馈回路中，以调节所述机械的特征。
26．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括(a)分别连接于所述第一和第二传感器的第一和第二沿边探测器；以及(b)作为所述轴的角速度的功能，用来调节所述第一和第二沿边探测器的输送的装置。
27．一种用于健身自行车或医疗器械的传感装置，所述健身自行车或医疗器械具有第一和第二功率输入装置，所述传感装置包括(a)分别运作地连接于所述第一和第二功率输入装置的第一和第二轴传感器；(b)分别运作地连接于所述第一和第二轴传感器的第一和第二处理电路，以提供代表与所述第一和第二功率输入装置相关的一参数的第一和第二输出信号；以及(c)第三电路，以接收所述第一和第二输出信号，且指示施加至所述第一和第二功率输入装置的角速度、扭矩或功率的大小和不对称性。
28．如权利要求1所述的一种用于一机械的轴传感器，其特征在于还包括用以使所述传感器组件定位在所述第一和第二圆盘之间的中心的装置。
29．用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，所述方法包括(a)将第一和第二圆盘设置成固定地垂直连接于所述轴的一部分，所述轴的所述部分承受扭矩，所述第一和第二圆盘沿所述轴的所述部分在间隔开的位置运作地连接于所述轴的所述部分；(b)设置具有第一和第二传感器的一传感器组件，第一和第二传感器与所述第一和第二圆盘设置成传感关系；(c)使用所述传感器组件来探测由于所述轴的所述部分的扭转而引起的所述第一和第二圆盘的相对位置，以输出代表至少与所述轴的扭矩相关的一个参数的信号。
30．如权利要求29所述的用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，其特征在于还包括(d)步骤(c)包括探测分别界定在所述第一和第二圆盘中的第一和第二开口阵列。
31．如权利要求30所述的用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，其特征在于还包括(e)设置分别连接于第一和第二传感头的第一和第二沿边探测器，以接收代表所述第一和第二开口阵列的相对位置的第一和第二信号，且提供与斜坡、幅值、临界值、以及/或前沿相关的第一和第二输出信号。
32．如权利要求31所述的用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，其特征在于还包括(f)从所述第一和第二输出信号计算角速度。
33．如权利要求31所述的用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，其特征在于还包括(g)作为所述轴的角速度的功能，调节所述第一和第二输出信号。
34．如权利要求32所述的用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，其特征在于还包括(h)作为所述角速度的功能，调节所述沿边探测器的临界值。
35．如权利要求32所述的用以确定至少与一机械中的一根轴的扭矩相关的一个参数的一种方法，其特征在于还包括(ⅰ)仅在所述第一和第二信号具有足够的区域或持续时间后，激发所述第一和第二沿边探测器。
全文摘要
在较佳实施例中,用于一机械的一轴传感器,该轴传感器具有:第一和第二圆盘(50)和(52),以及传感器(64,66)组件,各圆盘垂直地固定连接于该机械的轴(30)的一部分,轴的该部分承受扭矩,第一和第二圆盘沿轴的该部分在分隔开的位置运作地连接于轴的该部分;传感器(64、66)组件具有与第一和第二圆盘的关系,以探测由于轴的该部分的扭转所引起的第一和第二圆盘的相对位置,输出代表与轴的扭转相关的至少一个参数的信号。
文档编号G01P3/481GK1297528SQ00800373
公开日2001年5月30日 申请日期2000年1月31日 优先权日1999年2月5日
发明者D·A·戈德曼 申请人:柯蒂斯仪器股份有限公司