扭矩传感器及其扭力桶的制作方法

1.本技术涉及传感器领域，尤其涉及一种扭矩传感器及其扭力桶。


背景技术：

2.基于扭角相位差原理的扭矩传感器主要通过扭力桶上的两个传感器感应各自对应的参照输出各自的信号。理论上感应到的二个对应参照的值一样，所以得到的信号也应该是一样的。但实际上由于加工误差和装配误差，两个传感器感应到的对应参照的值会有偏差，就会导致数据不够准确。因此，为了得到更好的信号数据，需要在加工扭力桶的工艺流程中产生更小的误差。


技术实现要素：

3.本技术的多个方面提供一种扭矩传感器及其扭力桶，通过设计优化扭力桶的加工工艺，从而提升传感器对扭力桶上参照检测的准确度。
4.本技术实施例提供一种扭矩传感器，包括：扭力桶，其表面沿轴心方向间隔设置有第一感测区和第二感测区，各个所述感测区包括多个沟槽，环绕设置于所述表面上，且所述多个沟槽的槽顶和槽底沿所述扭力桶的圆周交错排列；以及感测模块，包括第一光电传感器和第二光电传感器，一一对应于所述第一感测区和所述第二感测区，用以检测相对应的感测区的所述槽顶和所述槽底的反射光线的强弱变化，并对应输出第一模拟信号和第二模拟信号；以及处理器，电性连接于所述第一光电传感器以及所述第二光电传感器，用以将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号处理为相应的第一方波信号和第二方波信号，以及根据所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差输出扭矩信号；其中，所述多个沟槽可相对所述第一光电传感器和所述第二光电传感器转动，以产生所述反射光线的强弱变化。
5.优选地，各个所述槽顶为经表面处理后对光线具有高折射率的表面，各个所述非槽底为经表面处理后对光线具有低折射率的表面。
6.优选地，所述多个沟槽的宽度相等。
7.优选地，所述槽底为内凹的弧面或曲面。
8.优选地，所述沟槽的宽度自所述槽底朝向所述槽顶渐增。
9.优选地，所述扭矩传感器还包括壳体和转轴，所述壳体套设于扭力桶上，所述转轴沿轴心方向穿设于所述扭力桶内，其中所述感测模块设置于所述壳体上，所述扭力桶通过所述转轴带动，相对所述感测模块转动。
10.优选地，所述扭力桶包括相对的入力端和出力端，分别对应于所述第一光电传感器和所述第二光电传感器，其中所述入力端的内径表面设置有内花键，用以卡合于所述转轴上，所述出力端的外径表面设置有外花键，用以卡合于链轮法兰上。
11.本技术实施例还提供一种扭矩传感器，包括：感测模块，包括第一光电传感器和第二光电传感器；以及扭力桶，包括入力端和出力端，分别对应于所述第一光电传感器和所述第二光电传感器，所述入力端和所述出力端的表面分别设置有多个沟槽，所述多个沟槽的
槽顶和槽底沿所述扭力桶的圆周交错排列，环绕设置于所述表面上，其中扭力桶可相对所述感测模块转动，带动所述多个沟槽分别对所述第一光电传感器和所述第二光电传感器提供反射光线的强弱变化。
12.本技术实施例同时提供一种扭力桶，其包括入力端和出力端，所述入力端和所述出力端的表面分别设置有感测区，所述感测区包括多个沟槽，所述多个沟槽的槽顶和槽底沿所述扭力桶的圆周交错排列，环绕设置于所述表面上，其中所述槽顶和所述槽底的光反射率相异。
13.在本技术实施例中，通过在扭力桶相对两端的表面上加工形成由多个沟槽组成的感测区，以及配置相对应的光电传感器，通过光电传感器的检测光线照射在多个沟槽的槽顶和槽底时，对应的产生反射光线的强弱变化，提升传感器对扭力桶上参照检测的准确度，得到更好的信号数据，有助于计算出更加精确的扭矩数据，从而在应用于车辆的运转上更好的调整输出的助力，提升骑行效率。
附图说明
14.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
15.图1为本技术实施例的扭矩传感器的立体图。
16.图2为本技术实施例的扭矩传感器的应用场景示意图。
17.图3为本技术实施例的扭矩传感器在工作状态下的剖面示意图。
18.图4为本技术实施例的扭矩传感器的方波信号图。
具体实施方式
19.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
20.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
21.请参阅图1，本技术实施例提供一种扭矩传感器1，其包括扭力桶10和感测模块20。扭力桶10包括本体110以及设置在本体110上的多个沟槽120，其中本体110可以是但并不局限于呈长条状的中空套管。本体110具有相对的入力端111和出力端112，并且在靠近入力端111的内径表面上设置有内花键113，以及在靠近出力端112的外径表面上设置有外花键114。多个沟槽120以间隔排列的方式分别沿着扭力桶10的圆周方向环绕设置在入力端111和出力端112的表面，从而在扭力桶10上形成沿着轴心方向间隔排列的二感测区。为了便于描述，在以下的说明中将所述二感测区分别以第一感测区130和第二感测区140来作说明，以示区隔。
22.多个沟槽120可以是通过滚齿机对扭力桶10的本体110上预设为感测区的相应位置进行滚齿，在感测区形成齿轮状结构，并且使齿轮的齿顶和齿槽宽度相等，例如在滚齿前将感测区的外圆车至齿轮分度圆直径，再进行正常滚齿，成型后齿轮的齿顶和齿槽宽度相等。其中，齿轮的齿槽即为凹陷于本体110表面的沟槽120，齿轮的齿顶为本体110表面介于相邻的二齿槽之间的局部区域，可以作为沟槽120的槽顶121，而齿槽的底面即作为沟槽120的槽底122。此外，在上述的滚齿加工过程中，也可以一次装夹加工两个齿轮，使形成于第一感测区130中的多个沟槽120与形成于第二感测区140中的多个沟槽120的相对位置一一对应，也就是在第一感测区130中的多个沟槽120和第二感测区140中的多个沟槽120相互对称，使二感测区内相对应的沟槽120位于同一水平位置上。
23.在本实施例中，由于沟槽本身的槽顶121和槽底122具有高低差，因此，当光线照射在沟槽120时，即会受此高低差的作用而在感测区上形成反射光线的强弱对比，而产生明暗变化。此外，在本技术的某些实施例中，还可以通过槽顶121和槽底122的结构形态变化来增强彼此间光反射率的差异程度，例如，可以将槽顶121设置为略高于本体110表面的凸面，或者是将槽底122设置为内凹的弧面或曲面，以增加沟槽的深宽比；又或者是将沟槽120的宽度设置为从槽底122朝向槽顶121渐增的形态，让光线进入沟槽120后，在槽底122被吸收而不容易被反射至沟槽120外，从而使反射光线在第一感测区130和第二感测区140上形成更加明显的强弱变化。
24.在本技术的一些实施例中，也可以是通过表面处理的方式来增强光线的强弱对比，让反射光线的明暗变化更加明显。例如，可以通过对扭力桶10的本体110表面进行发黑处理，让沟槽120的内壁面(包含底面)形成雾面或暗面。然后，将形成在沟槽120顶面的发黑层磨掉成亮色，使沟槽120的槽顶121和槽底122形成亮面和非亮面的光学差异。在本技术的某些实施例中，则是通过镀铬或镀锌的表面处理，在本体110的表面上形成电镀金属层，使沟槽120的槽顶121更加光洁明亮。然后，对槽底122进行蚀刻(例如激光蚀刻)，使沟槽120内的电镀金属层被移除而露出底层，从而在蚀刻处形成表面色泽阴暗的非亮面槽底122，以及在相邻的二个非亮面槽底122之间夹杂着表面色泽光洁明亮的亮面槽顶121，从而分别在扭力桶10的入力端111和出力端112形成径向环状均布、等宽且等间距排列的明暗标记。
25.其中，所述亮面和非亮面是依据其对于光线的反射率(或折射率)高低来区别，亮面对于光线具有高反射率，例如由高折射率材质组成的光滑表面；反之，非亮面对于光线具有较低的反射率，例如由低折射率材质组成的暗面或雾面或是对上述光滑表面进行加工处理后的暗面或雾面。
26.多个沟槽120的槽顶121和槽底122在第一感测区130和第二感测区140内形成类似于明暗条纹交错排列的外观形态。因此，当有光源照射在扭力桶10时，由于沟槽120的槽顶121和槽底122对于光线的反射(或折射)特性不同，会在扭力桶10的表面上呈现出因反射光线的强弱不同，而产生明暗差异，从而在扭力桶10的本体110相对光源转动时分别在第一感测区130和第二感测区140上提供反射光线的强弱变化。
27.扭矩传感器1的感测模块20包括第一光电传感器210、第二光电传感器220以及电性设置在电路板230上的处理器240，其中第一光电传感器210和第二光电传感器220分别电性连接于处理器220(或电路板210)，并且各自包含相配合的光发射器和光接收器。光发射器作为光源，用以发射检测光线至待测物。当检测光线经待测物反射后，光接收器用以吸收
反射光线，使第一光电传感器210和第二光电传感器220可以分别探测到相应位置的反射光线的强弱变化。
28.其中，第一光电传感器210对应于扭力桶10的第一感测区130，用以检测第一感测区130的多个沟槽120的反射光线的强弱变化，并对应输出第一模拟信号至处理器240，第二光电传感器220对应于扭力桶10的第二感测区140，用以检测第二感测区140的多个沟槽120的反射光线的强弱变化，并对应输出第二模拟信号至处理器240，再通过处理器240将第一模拟信号和第二模块信号分别处理为第一方波号和第二方波信号，以根据第一方波信号和第二方波信号彼此间的相位差计算出扭矩信号，并输出扭矩信号至相应的接收单元，例如其他可以根据扭矩信号控制电机输出相应助力的控制器。可以理解的是，在本技术的其他实施例中，感测模块20的第一光电传感器210和第二光电传感器220也可以是电性连接到其他的处理单元来执行计算扭矩信号的程序，从而省略处理器240的设置。
29.请参阅图1至图3，在配置上，感测模块20沿扭力桶10的径向方向悬置在扭力桶10的上方，使第一光电传感器210和第二光电传感器220分别对应于第一感测区130，和第二感测区140，并且让扭力桶10的本体110可以相对感测模块20转动，从而让第一感测区130和第二感测区140内的多个沟槽120可以相对第一光电传感器210和第二光电传感器220提供反射光线的强弱变化。
30.因此，在本实施例中，扭矩传感器1还可以包括用以带动扭力桶10转动的转轴30以及用以供感测模块20悬置固定的壳体40。转轴30沿扭力桶10的轴心方向穿设于扭力桶10内，并且通过其外表面设置的外花键与扭力桶10的内花键113相互卡合固定。壳体40套接于扭力桶10上，使扭力桶10被包覆在壳体40内，且壳体40对应入力端111和出力端112的位置处设置有轴承座410。轴承座410内的轴承420接触于扭力桶10的本体110或转轴30上。因此，当感测模块20固定在壳体40上，扭力桶10可通过轴承420的作用，在转轴30的带动下相对感测模块20转动。
31.在应用上，本技术提供的扭矩传感器1可以应用于车辆上，例如自行车或电动车上。请参阅图1至图4，在一种应用场景下，本实施例的扭矩传感器1应用于自行车的动力补偿，其中扭力桶10的出力端112通过其外径表面上设置的外花键114与车轮上的链轮法兰2相互卡合，并通过螺母3锁固于链轮法兰2上。同时，将感测模块20电性连接至自行车上的主控制器。
32.在骑行时，当用户在邻近入力端111的位置蹬脚踏板输出力到转轴30，通过转轴30上的外花键与入力端111的内径表面上的内花键113间隙配合，传力给扭力桶10，再通过出力端112的外径表面上的外花键114传力给链轮法兰2，再依序传递至链轮、链条，最后将力传到自行车的后轮，实现蹬动自行车的作用。
33.在此过程中，当感测模块20通过自行车的主控制器上电后，经用户踩踏骑行，扭力桶10的本体110开始相对壳体40旋转，位于电路板230两侧的第一光电传感器210与第二光电传感器220检测各自对应的第一感测区130和第二感测区140中由多个沟槽120的槽顶121和槽底122组成的明暗标记，并且输出相应的第一模拟信号和第二模拟信号至处理器240。接着，通过处理器240将第一模拟信号和第二模拟信号处理形成第一方波信号和第二方波信号(如图4上半部所示)。同时，用户的踩踏力使扭力桶受到扭力作用产生形变，两个感测区中相对应的沟槽之间产生扭角，表现在电信号的第一方波信号和第二方波信号彼此间的
相位差出现变化(如图4下半部所示)。此时，处理器240可根据单个沟槽的圆心角α和经过单个沟槽所用时间t，计算出角速度ω(＝α/t)。再根据角速度ω和经过两个对应沟槽相位差所用时间τ，计算出两个对应沟槽的相位差对应圆心角β1(＝ω*τ)，其中，在零扭矩状态下(用户未踩踏前)，两个对应沟槽的相位差所对应圆心角为β0；踩踏施加扭矩后的扭力桶10产生的扭角为两圆心角β0、β1的差值(＝β
1-β0)；再配合扭力桶10的弹性系数为k，可得出用户蹬行的扭矩最后通过助力自行车的主控制器，根据扭矩传感器1输出的扭矩信号控制电机输出相应的助力，提供自行车行进的动力。
34.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。