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在上一篇《深度剖析電動(dòng)助力自行車(chē)之技術(shù)原理》的文章中，筆者詳細(xì)的分析了電動(dòng)助力自行車(chē)（Pedelec）的兩種核心技術(shù)，先進(jìn)的“雙邊力矩傳感器”與較為落后的“后軸勾爪傳感器”之間的優(yōu)劣。而在電動(dòng)助力自行車(chē)領(lǐng)域，還有其它幾種傳感器技術(shù)也有不少的應(yīng)用，今天這篇文章就來(lái)介紹并分析一下第三種傳感器技術(shù)——“扭簧傳感器”，因?yàn)樾嗡屏�矩傳感器，因此也被稱(chēng)為偽力矩傳感器。

Pedelec（電動(dòng)助力自行車(chē)）工作原理

Electric bicycle（電動(dòng)自行車(chē)）工作原理

電動(dòng)助力車(chē)（Pedelec）與電動(dòng)自行車(chē)（Electric bicycle）的最大區(qū)別就在于：前者是通過(guò)測(cè)量人踩腳踏的力量來(lái)判斷提供助力的大小，而后者則是通過(guò)手?jǐn)Q動(dòng)轉(zhuǎn)把來(lái)控制動(dòng)力的輸出，說(shuō)到騎行體驗(yàn)，能夠跟人的腳和腿進(jìn)行配合的電動(dòng)助力自行車(chē)自然就有著明顯的優(yōu)勢(shì)。那么，如果可以把電動(dòng)自行車(chē)的轉(zhuǎn)把安裝到牙盤(pán)上，豈不是就成功將電動(dòng)自行車(chē)升級(jí)為電動(dòng)助力車(chē)了嘛？

“扭簧傳感器”正是由此而生，與“后軸勾爪傳感器”其實(shí)是內(nèi)置“壓力傳感器”類(lèi)似，“扭簧傳感器”是內(nèi)置“霍爾傳感器”，它的核心原理就是將電動(dòng)自行車(chē)的“轉(zhuǎn)把”安裝到牙盤(pán)上，讓助力的控制由手變成了腳，非常取巧的將電動(dòng)自行車(chē)變成了電動(dòng)助力自行車(chē)。

“扭簧傳感器”曲柄實(shí)物圖（可以看到刻度）

“扭簧傳感器”牙盤(pán)實(shí)物圖

“力矩傳感器”牙盤(pán)

“扭簧傳感器”的外觀與“力矩傳感器”很像，都是安裝在牙盤(pán)上，所以市面上很多電動(dòng)助力自行車(chē)如果自己不標(biāo)明，消費(fèi)者很難分辨，因此很多企業(yè)雖然是使用“扭簧傳感器”但卻以“力矩傳感器”的名義進(jìn)行宣傳，所以在業(yè)內(nèi)，“扭簧傳感器”也就有了“偽力矩傳感器”的稱(chēng)號(hào)。

不過(guò)，“扭簧傳感器”確實(shí)是一種可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量力矩的方式，但它測(cè)量的精度與真的“力矩傳感器”有很大的差距。

“扭簧傳感器”內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

上面這張圖寫(xiě)著“TORQUE SENSOR”號(hào)稱(chēng)“力矩傳感器”的其實(shí)就是“扭簧傳感器”，“扭簧傳感器”的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，就是兩個(gè)鋁合金盤(pán)片咬合在一起，一片固定在牙盤(pán)上，一片與曲柄相連，之間以彈簧做為轉(zhuǎn)接件，當(dāng)人在踩腳踏施加作用力時(shí)，曲柄帶動(dòng)連接的盤(pán)片使彈簧產(chǎn)生壓縮，然后帶動(dòng)牙盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧的形變長(zhǎng)度與受到作用力的大小成線性關(guān)系（胡克定律），在彈簧壓縮過(guò)程中，兩個(gè)盤(pán)片就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，安裝在其上的磁鐵隨之移動(dòng)，“霍爾傳感器”也就探測(cè)到磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而判斷出受作用力的大小，這與電動(dòng)自行車(chē)旋擰轉(zhuǎn)把使磁鐵產(chǎn)生位移是一樣的，而“扭簧傳感器”名字的由來(lái)就是里面使用了彈簧結(jié)構(gòu)。

上面這張圖是“扭簧傳感器”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，“pedal force”是人踩腳踏的作用力，“Hall sensors”就是霍爾傳感器，“torque measurement”力矩測(cè)量其實(shí)就是“霍爾傳感器”的位移變化，因此“扭簧傳感器”的工作流程是——腳踏受力->彈簧受力壓縮->曲柄與牙盤(pán)產(chǎn)生相對(duì)位移->霍爾傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)變化->得出需要助力的數(shù)值。

“扭簧傳感器”有它的優(yōu)點(diǎn)：那就是技術(shù)門(mén)檻低，電路成本低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較簡(jiǎn)單。

而真的“力矩傳感器”（下圖），測(cè)量的是金屬軸表面在受力后的細(xì)微形變，肉眼不可見(jiàn)，內(nèi)部是不會(huì)有彈簧這種結(jié)構(gòu)的。

與“力矩傳感器”比起來(lái)，“扭簧傳感器”的優(yōu)點(diǎn)是成本比較低，但也有一些因?yàn)閷?shí)現(xiàn)形式帶來(lái)的先天的缺點(diǎn)：

缺點(diǎn)一，測(cè)量精度低：正如上文所述，“扭簧傳感器”的核心是使用“霍爾傳感器”作為測(cè)量元件，因此測(cè)量的精度不高，測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)遠(yuǎn)比“力矩傳感器”差很多。

缺點(diǎn)二，測(cè)量延遲大：因?yàn)槭褂脧椈勺鳛檗D(zhuǎn)接件，導(dǎo)致曲柄與牙盤(pán)間不是剛性連接，人踩腳踏的力量在傳遞過(guò)程中就會(huì)被彈簧損耗，并且出現(xiàn)延遲，這進(jìn)一步降低了本就精度不高的數(shù)據(jù)精度。

缺點(diǎn)三，測(cè)量一致性差：“扭簧傳感器”一個(gè)傳感器里需要使用多根彈簧，但彈簧的一致性并不高，這也就造成即便是同一批下線的“扭簧傳感器”也會(huì)存在測(cè)量精度上的差異。

缺點(diǎn)四，使用體驗(yàn)差：還是因?yàn)槭褂昧藦椈桑�在騎行過(guò)程中曲柄與腳踏就會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，而且在每次踩踏之后都會(huì)出現(xiàn)“彈腳”的情況，騎行體驗(yàn)不舒服。

缺點(diǎn)五，助力輸出延遲大：“扭簧傳感器”這種結(jié)構(gòu)是無(wú)法持續(xù)測(cè)量力的，比如一開(kāi)始力量大，彈簧被壓縮，但彈開(kāi)后就沒(méi)有力了，左右腳在切換發(fā)力過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，所以這就需要使用大的濾波來(lái)避免傳感器數(shù)據(jù)波動(dòng)，這就再次造成測(cè)量數(shù)據(jù)的延遲。

以上五個(gè)缺點(diǎn)均造成了“扭簧傳感器”較差的測(cè)量精度與較大的延遲，直接結(jié)果就是在真實(shí)的體驗(yàn)對(duì)比中，使用“扭簧傳感器”的電動(dòng)助力自行車(chē)的助力補(bǔ)充總會(huì)比使用“力矩傳感器”的電動(dòng)助自行力車(chē)慢很多，而且助力的補(bǔ)充突兀不夠流暢，沒(méi)有那種助力隨要隨有的感覺(jué)。因此目前在高端電動(dòng)助力自行車(chē)產(chǎn)品中均不再使用“扭簧傳感器”，以德國(guó)BOSCH與日本YAMAHA等頂級(jí)廠商為首，包括國(guó)內(nèi)的輕客TSINOVA在內(nèi)的企業(yè)均將研發(fā)投入在更好的“力矩傳感器”上，而“扭簧傳感器”因?yàn)橄忍斓木�度缺失沒(méi)有更多的精度提升空間已經(jīng)處于被淘汰的邊緣。

以上，對(duì)于“扭簧傳感器”的分析告一段落，如果想掌握分辨“真假力矩傳感器”的技巧其實(shí)并不難，有些企業(yè)會(huì)在牙盤(pán)上標(biāo)有刻度，很好識(shí)別，如果刻度被刻意磨掉，那就去看“曲柄與牙盤(pán)是否是被固定為一體”的，如果曲柄連同牙盤(pán)中心一塊兒區(qū)域是與整個(gè)牙盤(pán)分離的，就可以判斷使用了“扭簧傳感器”；而更為簡(jiǎn)單有效的方法就是上去踩一踩，如果感覺(jué)有彈性緩沖，就一定是使用了“扭簧傳感器”。

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