电动自行车扭矩传感器技术比较

e-bike torque sensor

[ENGLISH VERSION] | [DEUTSCHE VERSION] | [VERSION FRANÇAISE]

电动自行车扭矩传感器市场

为什么电动自行车扭矩传感器如此重要？这就是我们在这里需要深入研究的内容。带有电动助力的自行车越来越受欢迎，并且是一个快速增长的市场。在2019 年，欧盟售出了超过 300 万辆电动自行车，从2019年到2021年，电动自行车的销量增长了 240%（称为 COVID 自行车热潮）。以及电动自行车的销量持续不断增长尤其是在亚洲和欧洲。

然而，安全问题日益受到关注。快速增长也导致了电动自行车事故的增加。

传感器可以提高安全性

很明显，电动自行车的安全性需要提高。电动自行车行业正在对此做出回应。前轮上的防抱死刹车就是这样一种技术。另一个需要改进的重要领域是电机控制系统，理想情况下它应该快速、准确和可预测地反应。这不仅改善了自行车的可操控性，使其操作起来起来更直观和愉悦，同时也提高了安全性。

定义：电动自行车和电动车的区别很简单。虽然油门可以控制电动自行车，但电动自行车需要骑手通过向踏板施加力来驱动旋转曲柄（法律规定）。然而在实际生活中，电动自行车一词通常用于两种类型的自行车。

关键挑战：扭矩传感器

第一波电动自行车依赖于简单的基于节奏的控制，导致在转弯和启动/停止期间的操控非常难以预测。辅以扭矩传感器，以感应施加在踏板上的力量是一项重大的进步。这就是电动自行车行业正在追逐理想的电动自行车曲柄扭矩传感器的原因，以满足以下的要求：

低延迟（最大 10 毫秒传感器延迟）
准确（1-2%，如运动自行车功率计）
免维护

在电动自行车上，扭矩传感器测量骑手施加的踩踏扭矩，并将其与踏频信息一起发送到电动自行车的控制器。基于此信息，算法控制电机速度和功率。骑手所感知的电动自行车的性能在很大程度上取决于电机控制的精确度和准确性。

与任何其他系统一样，良好的性能始于优质的输入信号。传感器中的扭矩测量是控制器输入的关键组成部分。

继续阅读以了解不同技术如何在此游戏中叠加。

应变计扭矩传感器

应变计技术发明于 1938 年，多年来一直是整个行业的主力军。这种久经考验且值得信赖的方法如今已广为人知，因此它是所介绍的其他方法的参考。应变计扭矩传感器在当今运动自行车上 100% 的流行功率计中使用。通过使用标准的双应变计配置，温度敏感性可以忽略不计。

一些优点包括非常低的功耗和出色的动态范围。主要缺点是需要以某种方式将旋转部件上的电子设备连接到固定电机/控制器电子设备。最近的进展明显削弱了这一挑战。

传统解决方案

传统的解决方案是在带有高增益放大器的旋转轴/主轴上放置一个应变仪。输出信号通过使用机械滑环传输到固定部件。这种方式显然存在可靠性和维护问题，并不是首选的解决方案。

间接测量

将应变仪放置在固定部件（框架、轴承外壳或类似部件）上并测量与施加的扭矩相关的其他应变可以解决连接问题。不幸的是，力量在某些电动自行车车架和电机设计中会变得相当复杂，这使得该方案成为一项非常困难的解决方案。

非接触式解决方案

将应变片技术与其他久经考验且值得信赖的技术（如 RFID、非接触式电源和数据传输）相结合，使电动自行车扭矩传感器不存在其他解决方案的缺点。应变仪粘在轴/主轴上的旋转部件正在由一个小型电子电路读取。它通过空中与固定部分进行通信——就像非接触式钥匙卡、电子支付或者滑雪通行证一样。传感器的静止部分同时提供无线电力并从旋转部分获取数据信号。高达 1.6 毫米的气隙的可能性，使得机械集成相当简单且免维护。(仅适用英文版本)

这是我们为非接触式扭矩传感器模块选择的技术。

磁致伸缩效应

磁致伸缩（维基百科）是磁性材料的一种特性，它会导致它们在磁化过程中改变其形状或尺寸。这可以反过来用于创建扭矩传感器。

钴在 60 微应变处表现出最大的纯元素室温磁致伸缩。在合金中，已知最高的磁致伸缩由 Terfenol-D 表现出。也可以使用其他铁磁材料。

该技术的两个基本变体是被动的和主动的。它们都不需要旋转轴/主轴上的任何电子设备，这是该技术的关键优势。

被动磁致伸缩

被动磁致伸缩技术需要由具有特殊磁性特征的特殊硬磁钢合金制成的旋转轴/主轴。这种“特殊处理”使得制造过程复杂化。在测量小扭矩值时，磁场的变化与地球磁场的变化相当。高灵敏度需要额外的磁屏蔽或复杂的补偿，以应对自行车相对于地场方向的变化。

外围辐射磁场也会严重干扰非常小的和敏感的测量信号。这会抑制扭矩检测的测量能力。

另一个问题是磁化会随着时间退化。这种退化会因较高的温度而加速，也可能因轴/主轴上的较高负载而加速。

主动磁致伸缩

在主动磁致伸缩原理中，磁化由传感器动态提供。轴/主轴在制造过程中不需要特殊的磁性图案来磁化。与被动磁致伸缩原理相比，这样能省去“特殊处理”过程，但代价是更复杂的电子元件和更高的功耗。

传感器将交变磁场感应到铁磁轴/主轴中，并使用次级电感器测量产生的磁场。磁化率的变化以及磁阻的变化导致磁通量的变化。这种磁通量变化由次级电感检测，并通过复杂的数字信号处理算法转换为与扭矩成比例的信号。

除了被动磁致伸缩原理中提到的挑战之外，轴/主轴中铁磁特性的不均匀性使这种方法变得复杂。在制造过程中添加一个相当复杂且耗时的校准步骤可以在一定程度上弥补这一点。更高的精准度也可以通过增加功耗和更高级的校准来实现。这种方法对温度变化也很敏感。

光学的

光学传感器总是容易受到镜头污染等的影响。这使得光学原理在电动自行车扭矩传感器应用中的用处不大。润滑脂和机油用于电机单元，以及放置传感器的确切区域的曲柄和轴承。仅这一点就使得光学原理对这种应用不太有效。

从积极的方面来说，光学原理可能不需要旋转部件上的任何电子设备。

声学

应变传感存在几种不同的声学原理，并在一定程度上用于航空航天。应变或温度的变化会导致声波速度发生变化，声学传感器可以检测到这种变化。将声音信号耦合到旋转轴/主轴上是一项复杂的机械挑战，这一原理并不是电动自行车扭矩传感器的真正竞争者。

研究中的一些进展显示未来某个时候可行的基于声波的替代方案。然而，其他技术的经验告诉我们，这可能需要 5 到 10 年的时间，因为从研究到工业的过渡可能会非常缓慢。

磁场强度传感器

该原理对于线性距离测量非常经济有效。霍尔效应传感器通过测量场强来测量永磁体的距离。这种传感器的最大挑战是场强遵循 d^3 函数。这限制了距离的动态范围。在电动自行车中，这一原理仅用于轮毂驱动解决方案（电机位于轮毂中，而不是曲柄区域）。由于范围限制，这似乎很难将这一原理与皮带传动所需的预张力一起使用。

电动自行车扭矩传感器比较

从概览表中可以明显看出，非接触式应变片传感器对于许多电动自行车应用来说是一种非常有利的解决方案。主要缺点是旋转部分需要额外的电子设备。由于电子产品的成本一直在下降，这是一个小的缺点。

当今使用的实用电动自行车扭矩传感器解决方案主要基于无源磁致伸缩原理，但精确度有限。向非接触式和间接应变计系统的转变将确保电动自行车在未来获得更高性能和更加安全。