具有機架安裝傳感器的自行車功率計的製作方法

2023-06-01 09:10:16

專利名稱：具有機架安裝傳感器的自行車功率計的製作方法
具有機架安裝傳感器的自行車功率計
背景技術：
本發明涉及用來指示自行車手兜風期間花費的功率量的自行車功率計。更具體地，本發明涉及使用機架安裝的傳感器以允許產生從中確定功率的電信號的自行車功率計。自行車功率計越來越多地由職業和業餘自行車手用作試驗性訓練的輔助工具。若干不同種類的自行車功率計是可用的，其中一些使用應變計來測量由自行車手施加於曲柄組、底託架和後輪轂的力。在有效提供表徵施加力的電信號的同時，使用應變計的已知自行車功率計是相對昂貴的，並且多少有些難以安裝。由於這些缺點，自行車手群體未廣泛地接受自行車功率計。發明_既述本發明包括使用一個或多個應變計傳感器組件的自行車功率計，這種功率計相對便宜但有效提供表徵自行車手作用力的電信號，這些信號可與速度信號結合以產生實時功率測量。在最寬廣的方面，本發明包括一種自行車功率計，具有後自行車機架，所述後自行車機架具有第一叉杆，所述第一叉杆具有靠近可附連輪轂的區域的相對可壓縮的後部； 以及固定於相對可壓縮後部的應變計傳感器組件，所述應變計傳感器組件具有第一和第二拉伸傳感器，每個傳感器包括有可變電阻元件安裝在其上的第一層和用於支承第一層的第二層，第一和第二拉伸傳感器的可變電阻元件彼此歐姆連接以給出代表自行車手作用力的總電阻值。替代地配置第一和第二拉伸傳感器，使每個第一層呈面對關係，或使每個第二層呈面對關係。自行車功率計還包括電橋電路，所述電橋電路具有連接在第一支路中的第一和第二拉伸傳感器以及連接在第二支路中的一對固定電阻；放大器，所述放大器耦合於電橋電路，用於放大代表總電阻值的信號；模-數轉換器，所述模-數轉換器耦合於放大器，用於將來自放大器的信號輸出轉換成數位訊號；微機，所述微機耦合於模-數轉換器，用於接收數位訊號和來自關聯自行車速度計的自行車速度信號，並將接收的信號轉換成功率信號； 以及顯示器，所述顯示器耦合於微機，用於將功率信號顯示給自行車手。可將自行車功率計配置成有線或無線系統。在有線系統中，這些單元全部歐姆互連。在無線系統中，發射機耦合於微機，用以接收功率信號並產生等效無線信號；而耦合於顯示器的接收機接收等效無線信號，並將等效無線信號提供給顯示器。在替代實施例中，後自行車機架具有第二叉杆，所述第二叉杆具有靠近可附連輪轂的區域的相對可壓縮的後部；而附加的應變計傳感器組件固定於該第二相對可壓縮的後部。附加應變計傳感器組件具有第三和第四拉伸傳感器，每個傳感器包括有可變電阻元件安裝在其上的第一層以及用於支承第一層的第二層，第三和第四拉伸傳感器的可變電阻元件彼此歐姆連接以給出代表自行車手作用力的總電阻值。替代地配置第三和第四拉伸傳感器使每個第一層呈面對關係，或使每個第二層呈面對關係。在該替代實施例中，第三和第四拉伸傳感器連接於電橋電路的第二支路。本發明大為有利於將自行車功率計納入到在自行車機架的後叉杆端部具有相對可壓縮結構部分的任意自行車中。整個功率計系統，或只是應變計傳感器組件，可在製造時容易地固定於自行車的部件。同樣，整個系統可在分銷鏈的任意環節固定於自行車，例如在零售商環節作為附加選擇。自行車手也可在購買後以相當低的成本和低工作量將自行車功率計系統追加至自行車。為了更完整地理解本發明的特性和優勢，應當參照附圖連同詳細說明。


圖1是從自行車後機架上方觀察出的局部透視圖，其示出叉杆端、輪轂、鏈條以及本發明第一實施例的應變計傳感器組件；圖2是沿圖1的剖切線A-A得到的前視圖，示出應變計傳感器組件在右後叉杆的可壓縮部分內表面上的安裝位置；圖3是使用配置為有線單元的單應變計傳感器組件的自行車功率計單元的方框圖；圖4是使用配置為無線單元的單應變計傳感器組件的自行車功率計單元的方框圖；圖5是示出處於三個不同位置的傳感器的單應變計傳感器的示意圖；圖6是雙元件應變計傳感器組件的第一實施例的示意圖；圖7是雙元件應變計傳感器組件的第二實施例的示意圖；圖8是從自行車後機架上方觀察得到的局部透視圖，其示出叉杆端、輪轂、鏈條以及具有兩個獨立應變計傳感器組件的本發明第二實施例的應變計傳感器組件；圖9是沿圖8的剖切線B-B得到的前視圖，示出第二應變計傳感器組件在左後叉杆的可壓縮部分的內表面上的安裝位置；圖10是使用配置為有線單元的兩個應變計傳感器組件的自行車功率計單元的方框圖；圖11是使用配置為無線單元的兩個應變計傳感器組件的自行車功率計單元的方框圖；圖12是示出自行車手功率相對於曲柄組角位置變化的示意圖。優選實施例的詳述現在轉向附圖，圖1是從自行車後機架上方觀察出的局部透視圖，其示出叉杆端、 輪轂、鏈條以及本發明第一實施例的應變計傳感器組件。如圖所示，自行車後機架具有叫作右叉杆12和左叉杆14的一對終端部分。藉助輪軸16和限位螺母17固定在叉杆12、14之間的是後輪轂20和鏈輪組件22。驅動鏈條M纏繞經過構成鏈輪組件22的各鏈輪以響應自行車手的騎車作用力提供輪轂20的旋轉運動。各叉杆12、14的端部沈、觀具有比每個叉杆12、14剩下的主要部分更薄的橫向厚度尺寸。固定於右叉杆12端部沈的內表面的是下面更詳細描述的應變計傳感器組件30。 如圖2最清楚示出那樣，應變計傳感器組件30附連於沿右叉杆12端部沈伸出的薄幅板部分32。相比右後叉杆12更強韌的結構，幅板部分32具有相對可壓縮的機械性質，因此應變計傳感器組件30的物理尺寸可隨著通過鏈條M、鏈輪組件22和輪軸16施加於幅板部分 32的不同力大小而改變。圖5示出具有隨著傳感器本體的線性縱向位移以可預測量變化的歐姆電阻特性的簡單拉伸傳感器40。拉伸傳感器40具有在其上安裝薄的可變電阻元件 43的第一層42 ；以及承載第一層並為傳感器40提供附加機械強度的第二底層44。傳感器 40的電阻值取決於傳感器本體的縱向位移。如圖5所示，當傳感器40沿第一方向在一個方向(圖示為撓曲方向)上位移時，電阻值增大(R+r)，其中R是傳感器40的靜止電阻值而r 是由於沿第一方向位移的附加電阻值。同樣，當傳感器40沿相反方向位移時，電阻值減小 (R-r)。圖6示出納入到圖1和圖2所示功率計結構中的類型的應變計傳感器組件30。如圖所示，傳感器組件30包括具有第一層42a、42b和第二層44a、44b的兩個雙層拉伸傳感器 40a、40b。拉伸傳感器40a、40b配有以(R+r)、(R-r)關係彼此相對的第一層42a、42b。隨著傳感器組件30因施加於右後叉杆12的幅板32的力而位移，每個拉伸傳感器的總電阻等量且沿相反方向地變化。圖7示出納入圖1和圖2所示功率計結構的類型的替代應變計傳感器組件50。如圖所示，傳感器組件50包括具有第一層42a、42b和第二層44a、44b的兩個雙層拉伸傳感器 40a、40b。拉伸傳感器40a、40b配有以(R-r)、(R+r)關係彼此相對的第二層44a、44b。隨著傳感器組件50因施加於右後叉杆12的幅板32的力而位移，每個拉伸傳感器的總電阻等量且沿相反方向地變化。圖3是使用配置成有線單元的單應變計傳感器組件的自行車功率計的方框圖。如圖所示，包含應變計傳感器組件30或50的拉伸傳感器40a、40b以公知的惠斯通電橋電路結構連接於一對固定電阻52、54。電橋的頂部節點連接於由電池供電的電動勢源Vc。電橋的底部節點連接於電路接地點。右節點連接於固定電阻52、54的一端並充當電橋電路的一個輸出端。固定電阻52的第二端連接於拉伸傳感器40a的一端並連接於電源電壓Vc。固定電阻M的第二端連接於拉伸傳感器40b的一端和電路接地點。拉伸傳感器40a、40b的另一端連接在一起並充當電橋電路的另一輸出端。電橋電路輸出端耦合於放大器55的輸入端，其中電橋信號被放大。放大器55較佳為從MAXIM公司購得的MAX4197型單元。從放大器55輸出的放大信號耦合於模_數轉換器 56的輸入端，該模-數轉換器56將放大的模擬信號轉換成等效的數位訊號。來自模-數轉換器56的數位訊號輸出耦合於微機58的輸入埠。在來自Microchip公司的PIC 16F73 型單元中較佳地組合模-數轉換器56和微機58。來自自行車速度計(未示出)的速度信號也耦合於微機58。微機58使用已知算法處理力信號和速度信號以提供功率大小信號。 功率大小信號耦合於多功能顯示器60，該多功能顯示器60以自行車手可讀的形式顯示當前功率值。在圖3實施例中，這些單元通過歐姆線連接耦合在一起。圖4是使用配置成無線單元的單應變計傳感器組件的自行車功率計單元的方框圖。在該圖中，用相同附圖標記表示與圖3系統中相同元件對應的元件。在圖4系統中，經處理的功率信號耦合於位於傳感器組件30 (50)附近的r. f發射機62的輸入端。發射機62 將功率信號發送給位於多功能顯示器60附近的接收機64，該接收機64將這些信號提供給多功能顯示器60。
圖8是從自行車後機架上方觀察得到的局部透視圖，其示出叉杆端、輪轂、鏈條以及具有兩個獨立應變計傳感器組件的本發明第二實施例的應變計傳感器組件。在附圖中， 用相同附圖標記表示與圖1所示相同元件對應的元件，除了用附圖標記30a表示傳感器組件30外。第二應變計傳感器組件30b固定於左叉杆14的端部觀的內表面。傳感器組件 30b具有與前述傳感器組件30相同的結構和功能。如圖9中最清楚示出的，應變儀傳感器組件30b附連於沿左叉杆14的端部觀延伸的薄幅板部分33。相比左後叉杆14更強韌的結構，幅板部分33具有相對可壓縮的機械性質，因此應變計傳感器組件30b的物理尺寸可隨著通過鏈條對、鏈輪組件22和輪軸16施加於幅板部分32的不同力大小而改變。圖10是使用配置為有線單元的兩個應變計傳感器組件30a、30b的自行車功率計單元的方框圖。圖11是使用配置為無線單元的兩個應變計傳感器組件30a、30b的自行車功率計單元的方框圖。圖10和圖11中所示的主要元件基本與圖3和圖4所示的那些元件相同，除了電橋電路的結構之外。在圖10和圖11中，由包含第二傳感器組件30b的各拉伸傳感器40a、40b代替固定電阻52、54，其電連接如圖所示。因此，電橋包括四個單獨的可變電阻拉伸傳感器40。在使用中，當自行車手施力於自行車踏板時，通過電橋電路監控力的大小並將其轉換成供自行車手觀察的可視功率顯示信號。圖12是示出自行車手功率相對於曲柄組角位置變化的示意圖。在位置(a)，踏板基本為水平的，且自行車手正通過在前踏板施加最大的力。在位置(b)，踏板基本為垂直的，且自行車手正施加最小的力。在位置(c)，踏板再次是基本水平的，且自行車手正通過在前踏板施加最大的力；而在位置(d)，踏板再次是基本垂直的，且自行車手施加最小的力。現在很清楚的是，根據本發明的理念製造的自行車手功率計比使用應變計的已知自行車功率計在成本和安裝便利性方面都有優勢。首先，這些應變計對於安裝在後輪轂附近的具有相對可壓縮性薄幅板部分上是相對簡單的。可在自行車廠或商業鏈的任何地方 (例如零售商或用戶-自行車手)完成這種安裝。另外，根據本發明理念製造的自行車功率計可配置成有線或無線模式，這在安裝過程中給予了極大的靈活性。此外，通過採用兩層的雙應變計組件，獲得優於單應變計設計的更大靈敏度。最後，通過採用圖8-11所示的四應變計結構，可獲得對騎車過程中遇到的溫度變化的高度靈敏性。儘管已經參照特定實施例對本發明進行了描述，但仍然能不脫離本發明精神地採用替代性結構和等效物。例如，儘管已披露了某些電路元件，然而也可根據要求採用其它等效單元。因此，上述內容不應當解釋成限定本發明，本發明是由所附權利要求書限定的。
權利要求
1.一種自行車功率計，包括後自行車機架，所述後自行車機架具有第一叉杆，所述第一叉杆具有靠近可附連輪轂的區域的相對可壓縮的後部；以及固定於所述相對可壓縮後部的應變計傳感器組件，所述應變計傳感器組件具有第一和第二拉伸傳感器，每個傳感器包括有可變電阻元件安裝在其上的第一層和用於支承所述第一層的第二層，所述第一和第二拉伸傳感器的可變電阻元件彼此歐姆連接以給出代表自行車手作用力的總電阻值。
2.如權利要求1所述的發明，其特徵在於，所述第一和第二拉伸傳感器配置成使每個所述第一層呈面對關係。
3.如權利要求1所述的發明，其特徵在於，所述第一和第二拉伸傳感器配置成使每個所述第二層呈面對關係。
4.如權利要求1所述的發明，其特徵在於，還包括電橋電路，所述電橋電路具有連接在第一支路中的所述第一和第二拉伸傳感器以及連接在第二支路中的固定電阻對；放大器，所述放大器耦合於所述電橋電路，用於放大代表所述總電阻值的信號；模-數轉換器， 所述模-數轉換器耦合於所述放大器，用於將自所述放大器輸出的信號轉換成數位訊號； 微機，所述微機耦合於所述模-數轉換器，用於接收所述數位訊號和來自關聯的自行車速度計的自行車速度信號，並將接收的信號轉換成功率信號；以及顯示器，所述顯示器耦合於所述微機，用於將所述功率信號顯示給自行車手。
5.如權利要求4所述的發明，其特徵在於，還包括發射機，所述發射機耦合於所述微機，用以接收所述功率信號，並產生等效無線信號；以及接收機，所述接收機具有輸出，所述輸出耦合於所述顯示器，所述接收機用以接收所述等效無線信號並將所述等效無線信號提供給所述顯示器。
6.如權利要求1所述的發明，其特徵在於，所述後自行車機架具有第二叉杆，所述第二叉杆具有靠近可附連輪轂的區域的第二相對可壓縮的後部；以及固定於所述第二相對可壓縮的後部的附加應變計傳感器組件，所述附加應變計傳感器組件具有第三和第四拉伸傳感器，每個傳感器包括有可變電阻元件安裝在其上的第一層以及用於支承所述第一層的第二層，所述第三和第四拉伸傳感器的所述可變電阻元件彼此歐姆連接以給出代表自行車手作用力的總電阻值。
7.如權利要求6所述的發明，其特徵在於，所述第三和第四拉伸傳感器配置成使每個所述第一層呈面對關係。
8.如權利要求6所述的發明，其特徵在於，所述第三和第四拉伸傳感器配置成使每個所述第二層呈面對關係。
9.如權利要求6所述的發明，其特徵在於，還包括電橋電路，所述電橋電路具有連接在第一支路中的所述第一和第二拉伸傳感器以及連接在第二支路中的所述第三和第四拉伸傳感器；放大器，所述放大器耦合於所述電橋電路，用於放大代表所述總電阻值的信號； 模-數轉換器，所述模-數轉換器耦合於所述放大器，用於將自所述放大器輸出的信號轉換成數位訊號；微機，所述微機耦合於所述模-數轉換器，用於接收所述數位訊號和來自關聯的自行車速度計的自行車速度信號並將接收的信號轉換成功率信號；以及顯示器，所述顯示器耦合於所述微機，用於將所述功率信號顯示給自行車手。
10.如權利要求9所述的發明，其特徵在於，還包括耦合於所述微機的發射機，用以接收所述功率信號並生成等效的無線信號；以及具有耦合於所述顯示器的輸出的接收機，用以接收所述等效無線信號並將所述等效無線信號提供給所述顯示器。
全文摘要
一種自行車功率計，具有安裝在自行車機架的後叉杆端部的相對可壓縮部分上的應變計傳感器組件。該相對可壓縮部分靠近後輪轂並承受由自行車手施加於曲柄組並通過鏈條、鏈輪組件傳遞至輪轂的力。傳感器組件具有兩個歐姆互連的拉伸傳感器，每個傳感器具有承載可變電阻元件的第一層，該可變電阻元件的電阻隨著可壓縮部分的位移而改變；以及為第一層提供支承的第二層。傳感器組件在電橋電路中連接於兩個其它電阻以產生代表自行車手作用力的信號。將這些信號連同速度信號一起處理以產生功率信號，並將該功率信號提供給顯示器。
文檔編號G01L3/24GK102401711SQ201010290669
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者朱生勃, 黃世雄 申請人:矽谷微E股份有限公司