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摘 要：分析了助力自行车用扭矩传感器，国内外现状，并介绍了发展趋势。
关键词：扭矩；传感器；趋势
引言：
助力自行车，又称助力式电动自行车，是一种介于自行车与电动车之间的骑行工具，通过电力辅助人力提供给自行车行进中所需要的动能，它是人们追求高效、便捷、健康、环保的生活方式的产物。
目前市场上助力自行车绝大多数采用速度传感器，通过反馈速度（即人踩脚踏板的速度）的大小来控制电机的驱动力。电机输出的驱动力与速度大小成正比，进而实现助力的目的。然而，基于速度检测的助力自行车，在普通路况下有一定的助力效果。但遇到逆风或上坡等高阻力、重负荷的路况时，由于人骑行的车速本身较低，所以电机输出的驱动力也较小，无法达到助力的目的，骑行效果较差，不能被主流市场所接受。因此，最佳的方案应采用力矩传感器，通过反馈人踩脚踏板的力的大小来控制电机驱动力的大小，力矩越大，驱动力越大。目前国内外主要采用的扭矩传感器有以下几种：逆磁致伸缩效应、转矩位移转换方案、应变片检测方案、转矩磁阻转换方案。
1、逆磁致伸缩效应
物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。反过来通过外力使得物体尺寸发生变化，物质的磁场也会发生变化，此现象被称作为逆磁致伸缩效应。如图一所示作用在受力轴上的扭力将使得其上面粘贴的逆磁致伸缩材料的磁特性发生改变，再转化为电信号测得转矩。
此类型扭矩传感器，在日本欧洲市场上普遍使用，日本松下、YAMAHA在90年代就开始研发此类型扭矩传感器，用于其自主品牌的助力自行车中置电机系统；近年来德国FAG也开发了基于逆磁致伸缩效应的扭矩传感器，用于Bosch的中置电机系统上；Thun不同于以上几家，把扭矩传感器集成在中置电机系统内，Thun开发了能够安装于自行车五通内的中轴扭矩传感器，从而给使用轮毂电机的整车系统，装上扭矩传感器提供了可能，以及方面性如图二所示，但是由于此方案采用特殊材料，在国内目前没有普遍使用，由于开发难度大，开发成本高，不适合产品初期开发，但其材料及加工成本低，适合长远发展。
图一逆磁致伸缩效应示意图
图二 Thun中轴扭矩传感器示例
2、转矩位移转换
该类扭矩传感器利用受力轴受到扭力作用后在弹性原件上产生位移信号，转矩与产生位移成正比。如图三中标号9的弹簧压缩量和力矩成比例。即：转矩信号转化为位移信号，再将位移信号通过电磁转换测得转矩值。
更为具体的，该方案可以利用两对线性霍尔传感器，例如a， A当扭力轴未受到扭力的时候a和A输出信号保持同相位，当受到力矩以后a和A两个霍尔输出信号产生相位差，其相位差正比于扭矩大小，如图四所示，但是此方案对安装尺寸要求高，在初次安装时候需要严格对准a和A信号的初相位，不利于生产，并且在后期使用过程中，例如车辆倒砸，都可能会照成信号的移位，产生扭矩检测的漂移。
图三 扭矩位移示意图
图四 扭矩位移信号示意图
3、应变片方案
该方案原理是受力轴受到扭力后，粘贴在受力轴上的应变片电阻值发生变化，通过检测电阻应变桥的差分信号，即可测得受力轴上的扭矩。应变片方案又分为接触式和非接触式，接触式普遍采用导电滑环方式进行信号，以及电源传输，该方案存在最大转速以及转动寿命问题，并且随着转动次数的增加，信号的接触电阻会逐渐发生变化，影响其性能。近年来不少公司开发了非接触检测方案，通过电磁感应方式供电，无线传输信号；根据轴的剪切原理，电阻应变片一般粘贴于和成轴承45°方向，这样电阻应变片中金属丝成最大应变范围。电阻应变片方案已经广泛应用在测功机转矩测量领域，成本低且可靠性较高。
图五 电阻应变片粘贴示意图
4、转矩磁阻方案
该方案原理是受力轴受到扭力后，受力轴两端的齿轮位置发生相对变化，通过测量齿轮上的磁阻变化测得受力轴两端的应变角度变化，进而推算出受力轴上的扭矩，如图六所示。此方案已广泛应用在EPS中的转矩测量领域，可靠性高。
5、各个方案对比分析
综上所述，各个方案的扭矩传感器对比如图七所示，从短期发展来看，应变片检测方案简单易实现，成本低且可靠性较高，在产品开发初期不失为一种很好的选择，但此方案可复制性高；因此，从长远发展来看，逆磁致伸缩效应方案将是中置系统的发展趋势。
参考文献
[1]胡德福.应变式扭矩传感器的设计技术[J].船舶工程，2011，04：96-99.
[2]殷宝麟，于影，龙泽明，郭士清.应变式扭矩传感器的设计研究[J].机械设计与制造，2011，10：13-15.
[3]高德亮，范振华.扭矩传感器原理及应用[J].科技传播，2012，02：107+99.
[4]刘汝斌，程武山.扭矩传感器在步进电机控制系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2012，07：3-5.
[5]石延平，刘成文，张永忠.一种差动压磁式扭矩传感器的研究与设计[J].仪器仪表学报，2006，05：508-511+519.
[6]刘强，于涌川，綦慧.电感式扭矩传感器在电动助力转向系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2009，05：37-39.
[7]文西芹，张永忠.扭矩传感器的现状与发展趋势[J].仪表技术与传感器，2001，12：1-3+11.
[8]张家全.静动态扭矩传感器的设计方案[J].计量技术，2001，08：26-27.
[9]文西芹，张永忠，刘成文.基于磁弹性效应的磁头型扭矩传感器[J].化工矿物与加工，2003，08：17-20.
[10]李群，张玉存.基于Labview下扭矩传感器实验平台的研究[J].传感技术学报，2003，04：504-506.
[11]宋春华，徐光卫.扭矩传感器的发展研究综述[J].微特电机，2012，11：58-60.
关键词：扭矩；传感器；趋势
引言：
助力自行车，又称助力式电动自行车，是一种介于自行车与电动车之间的骑行工具，通过电力辅助人力提供给自行车行进中所需要的动能，它是人们追求高效、便捷、健康、环保的生活方式的产物。
目前市场上助力自行车绝大多数采用速度传感器，通过反馈速度（即人踩脚踏板的速度）的大小来控制电机的驱动力。电机输出的驱动力与速度大小成正比，进而实现助力的目的。然而，基于速度检测的助力自行车，在普通路况下有一定的助力效果。但遇到逆风或上坡等高阻力、重负荷的路况时，由于人骑行的车速本身较低，所以电机输出的驱动力也较小，无法达到助力的目的，骑行效果较差，不能被主流市场所接受。因此，最佳的方案应采用力矩传感器，通过反馈人踩脚踏板的力的大小来控制电机驱动力的大小，力矩越大，驱动力越大。目前国内外主要采用的扭矩传感器有以下几种：逆磁致伸缩效应、转矩位移转换方案、应变片检测方案、转矩磁阻转换方案。
1、逆磁致伸缩效应
物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。反过来通过外力使得物体尺寸发生变化，物质的磁场也会发生变化，此现象被称作为逆磁致伸缩效应。如图一所示作用在受力轴上的扭力将使得其上面粘贴的逆磁致伸缩材料的磁特性发生改变，再转化为电信号测得转矩。
此类型扭矩传感器，在日本欧洲市场上普遍使用，日本松下、YAMAHA在90年代就开始研发此类型扭矩传感器，用于其自主品牌的助力自行车中置电机系统；近年来德国FAG也开发了基于逆磁致伸缩效应的扭矩传感器，用于Bosch的中置电机系统上；Thun不同于以上几家，把扭矩传感器集成在中置电机系统内，Thun开发了能够安装于自行车五通内的中轴扭矩传感器，从而给使用轮毂电机的整车系统，装上扭矩传感器提供了可能，以及方面性如图二所示，但是由于此方案采用特殊材料，在国内目前没有普遍使用，由于开发难度大，开发成本高，不适合产品初期开发，但其材料及加工成本低，适合长远发展。
图一逆磁致伸缩效应示意图
图二 Thun中轴扭矩传感器示例
2、转矩位移转换
该类扭矩传感器利用受力轴受到扭力作用后在弹性原件上产生位移信号，转矩与产生位移成正比。如图三中标号9的弹簧压缩量和力矩成比例。即：转矩信号转化为位移信号，再将位移信号通过电磁转换测得转矩值。
更为具体的，该方案可以利用两对线性霍尔传感器，例如a， A当扭力轴未受到扭力的时候a和A输出信号保持同相位，当受到力矩以后a和A两个霍尔输出信号产生相位差，其相位差正比于扭矩大小，如图四所示，但是此方案对安装尺寸要求高，在初次安装时候需要严格对准a和A信号的初相位，不利于生产，并且在后期使用过程中，例如车辆倒砸，都可能会照成信号的移位，产生扭矩检测的漂移。
图三 扭矩位移示意图
图四 扭矩位移信号示意图
3、应变片方案
该方案原理是受力轴受到扭力后，粘贴在受力轴上的应变片电阻值发生变化，通过检测电阻应变桥的差分信号，即可测得受力轴上的扭矩。应变片方案又分为接触式和非接触式，接触式普遍采用导电滑环方式进行信号，以及电源传输，该方案存在最大转速以及转动寿命问题，并且随着转动次数的增加，信号的接触电阻会逐渐发生变化，影响其性能。近年来不少公司开发了非接触检测方案，通过电磁感应方式供电，无线传输信号；根据轴的剪切原理，电阻应变片一般粘贴于和成轴承45°方向，这样电阻应变片中金属丝成最大应变范围。电阻应变片方案已经广泛应用在测功机转矩测量领域，成本低且可靠性较高。
图五 电阻应变片粘贴示意图
4、转矩磁阻方案
该方案原理是受力轴受到扭力后，受力轴两端的齿轮位置发生相对变化，通过测量齿轮上的磁阻变化测得受力轴两端的应变角度变化，进而推算出受力轴上的扭矩，如图六所示。此方案已广泛应用在EPS中的转矩测量领域，可靠性高。
5、各个方案对比分析
综上所述，各个方案的扭矩传感器对比如图七所示，从短期发展来看，应变片检测方案简单易实现，成本低且可靠性较高，在产品开发初期不失为一种很好的选择，但此方案可复制性高；因此，从长远发展来看，逆磁致伸缩效应方案将是中置系统的发展趋势。
参考文献
[1]胡德福.应变式扭矩传感器的设计技术[J].船舶工程，2011，04：96-99.
[2]殷宝麟，于影，龙泽明，郭士清.应变式扭矩传感器的设计研究[J].机械设计与制造，2011，10：13-15.
[3]高德亮，范振华.扭矩传感器原理及应用[J].科技传播，2012，02：107+99.
[4]刘汝斌，程武山.扭矩传感器在步进电机控制系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2012，07：3-5.
[5]石延平，刘成文，张永忠.一种差动压磁式扭矩传感器的研究与设计[J].仪器仪表学报，2006，05：508-511+519.
[6]刘强，于涌川，綦慧.电感式扭矩传感器在电动助力转向系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2009，05：37-39.
[7]文西芹，张永忠.扭矩传感器的现状与发展趋势[J].仪表技术与传感器，2001，12：1-3+11.
[8]张家全.静动态扭矩传感器的设计方案[J].计量技术，2001，08：26-27.
[9]文西芹，张永忠，刘成文.基于磁弹性效应的磁头型扭矩传感器[J].化工矿物与加工，2003，08：17-20.
[10]李群，张玉存.基于Labview下扭矩传感器实验平台的研究[J].传感技术学报，2003，04：504-506.
[11]宋春华，徐光卫.扭矩传感器的发展研究综述[J].微特电机，2012，11：58-60.