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在上一篇《深度剖析電動助力自行車之技術原理》的文章中，筆者詳細的分析了電動助力自行車（Pedelec）的兩種核心技術，先進的“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。而在電動助力自行車領域，還有其它幾種傳感器技術也有不少的應用，今天這篇文章就來介紹并分析一下第三種傳感器技術——“扭簧傳感器”，因為形似力矩傳感器，因此也被稱為偽力矩傳感器。

Pedelec（電動助力自行車）工作原理

Electric bicycle（電動自行車）工作原理

電動助力車（Pedelec）與電動自行車（Electric bicycle）的最大區(qū)別就在于：前者是通過測量人踩腳踏的力量來判斷提供助力的大小，而后者則是通過手擰動轉(zhuǎn)把來控制動力的輸出，說到騎行體驗，能夠跟人的腳和腿進行配合的電動助力自行車自然就有著明顯的優(yōu)勢。那么，如果可以把電動自行車的轉(zhuǎn)把安裝到牙盤上，豈不是就成功將電動自行車升級為電動助力車了嘛？

“扭簧傳感器”正是由此而生，與“后軸勾爪傳感器”其實是內(nèi)置“壓力傳感器”類似，“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自行車的“轉(zhuǎn)把”安裝到牙盤上，讓助力的控制由手變成了腳，非常取巧的將電動自行車變成了電動助力自行車。

“扭簧傳感器”曲柄實物圖（可以看到刻度）

“扭簧傳感器”牙盤實物圖

“力矩傳感器”牙盤

“扭簧傳感器”的外觀與“力矩傳感器”很像，都是安裝在牙盤上，所以市面上很多電動助力自行車如果自己不標明，消費者很難分辨，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”的稱號。

不過，“扭簧傳感器”確實是一種可以用來實現(xiàn)測量力矩的方式，但它測量的精度與真的“力矩傳感器”有很大的差距。

“扭簧傳感器”內(nèi)部結構圖

上面這張圖寫著“TORQUE SENSOR”號稱“力矩傳感器”的其實就是“扭簧傳感器”，“扭簧傳感器”的結構并不復雜，就是兩個鋁合金盤片咬合在一起，一片固定在牙盤上，一片與曲柄相連，之間以彈簧做為轉(zhuǎn)接件，當人在踩腳踏施加作用力時，曲柄帶動連接的盤片使彈簧產(chǎn)生壓縮，然后帶動牙盤轉(zhuǎn)動，彈簧的形變長度與受到作用力的大小成線性關系（胡克定律），在彈簧壓縮過程中，兩個盤片就會產(chǎn)生相對位移，安裝在其上的磁鐵隨之移動，“霍爾傳感器”也就探測到磁場的變化，進而判斷出受作用力的大小，這與電動自行車旋擰轉(zhuǎn)把使磁鐵產(chǎn)生位移是一樣的，而“扭簧傳感器”名字的由來就是里面使用了彈簧結構。

上面這張圖是“扭簧傳感器”的內(nèi)部結構原理圖，“pedal force”是人踩腳踏的作用力，“Hall sensors”就是霍爾傳感器，“torque measurement”力矩測量其實就是“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->曲柄與牙盤產(chǎn)生相對位移->霍爾傳感器檢測到的磁場變化->得出需要助力的數(shù)值。

“扭簧傳感器”有它的優(yōu)點：那就是技術門檻低，電路成本低，實現(xiàn)起來也比較簡單。

而真的“力矩傳感器”（下圖），測量的是金屬軸表面在受力后的細微形變，肉眼不可見，內(nèi)部是不會有彈簧這種結構的。

與“力矩傳感器”比起來，“扭簧傳感器”的優(yōu)點是成本比較低，但也有一些因為實現(xiàn)形式帶來的先天的缺點：

缺點一，測量精度低：正如上文所述，“扭簧傳感器”的核心是使用“霍爾傳感器”作為測量元件，因此測量的精度不高，測得的數(shù)據(jù)會遠比“力矩傳感器”差很多。

缺點二，測量延遲大：因為使用彈簧作為轉(zhuǎn)接件，導致曲柄與牙盤間不是剛性連接，人踩腳踏的力量在傳遞過程中就會被彈簧損耗，并且出現(xiàn)延遲，這進一步降低了本就精度不高的數(shù)據(jù)精度。

缺點三，測量一致性差：“扭簧傳感器”一個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”也會存在測量精度上的差異。

缺點四，使用體驗差：還是因為使用了彈簧，在騎行過程中曲柄與腳踏就會出現(xiàn)晃動，而且在每次踩踏之后都會出現(xiàn)“彈腳”的情況，騎行體驗不舒服。

缺點五，助力輸出延遲大：“扭簧傳感器”這種結構是無法持續(xù)測量力的，比如一開始力量大，彈簧被壓縮，但彈開后就沒有力了，左右腳在切換發(fā)力過程中就會出現(xiàn)很大的波動，所以這就需要使用大的濾波來避免傳感器數(shù)據(jù)波動，這就再次造成測量數(shù)據(jù)的延遲。

以上五個缺點均造成了“扭簧傳感器”較差的測量精度與較大的延遲，直接結果就是在真實的體驗對比中，使用“扭簧傳感器”的電動助力自行車的助力補充總會比使用“力矩傳感器”的電動助自行力車慢很多，而且助力的補充突兀不夠流暢，沒有那種助力隨要隨有的感覺。因此目前在高端電動助力自行車產(chǎn)品中均不再使用“扭簧傳感器”，以德國BOSCH與日本YAMAHA等頂級廠商為首，包括國內(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”因為先天的精度缺失沒有更多的精度提升空間已經(jīng)處于被淘汰的邊緣。

以上，對于“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”的技巧其實并不難，有些企業(yè)會在牙盤上標有刻度，很好識別，如果刻度被刻意磨掉，那就去看“曲柄與牙盤是否是被固定為一體”的，如果曲柄連同牙盤中心一塊兒區(qū)域是與整個牙盤分離的，就可以判斷使用了“扭簧傳感器”；而更為簡單有效的方法就是上去踩一踩，如果感覺有彈性緩沖，就一定是使用了“扭簧傳感器”。

責任編輯：hzh