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深度剖析功率计的结构与原理:应变片

来源:许老黑 08-13 14:55 5139

深度剖析功率计的结构与原理:应变片

功率计在骑行圈内逐渐被很多骑友认可,无论是职业车手,亦或者假日车手,基本上每台车上都装有一个功率计,因此功率计成为了必不可少的工具。

剖析功率计流行的原因,主要是因为功率计不仅能评估目前车手的状态,可以使车手跟进自己的训练进度,并且将进度转化为数据,通过软件分析后,再次帮助车手了解自身训练情况,做到可以时刻改变训练强度,还可为用户提供有关其性能水平的即时反馈,并通过码表显示出来相关的数据。

目前市面上功率计主要有盘爪功率计,曲柄功率计,花鼓功率计,气门功率计,轴心功率计,锁踏功率计以及少有的风阻功率计。本篇文章将带你详细地认识功率计的结构与工作原理。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片

功率计的精准度主要影响因素有三个,精度,温度变化以及成本。一个精度较高的功率计,应该只考虑主轴z轴实际功率输出的扭矩,但在实际的情况中,当骑手在骑车时,对踏板施加力的作用,不仅z轴会有扭矩产生,x轴和y轴也会产生扭矩。因此,消除这些额外产生的力矩和扭矩也就成为了一项挑战。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片应变片结构

在工业上,有一种专门测量扭矩的工具,它叫应变片。应变计是一种非常灵敏的传感器,应变片尺寸非常小,为了精确测量扭矩,需要严格按照公差要求定位,并且焊接小型电池也是一项艰巨的任务,在焊点处需要非常小心,因为不正确的焊接都会损坏应变片。

应变片的结构如上图所示,由上到下为覆膜,应变片金属敏感栅,应变片绝缘基底,覆膜,金属弹性体。由此可以得出,应变片中包含了多种不同的材料,因此其膨胀系数也各不相同,当温度发生改变时,附在金属弹性体上的应变片,会被拉伸或者压缩,产生额外的应力,导致敏感栅阻值发生变化。并且,每片应变片贴在金属弹性体的胶水厚度也会存在着差异,因此每片应变片都存在一定的差异。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片热膨胀系数

如果温度变化, 惠斯通 1/4 桥电路单独连接的应变片将显示输出信号。这个信号被称为“表观应变”或“热输出”,并且独立于测试对象上的机械负载。但是,可以将应变片调整为特定材料的热膨胀系数,使得在温度变化的情况下输出信号非常小。 这种应变计被称为“温度响应匹配”或“自补偿”应变片。为了匹配温度响应,必须根据测试材料的热膨胀系数α来选择应变片。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片应变片的几何规格

为了提供更准确可靠的扭矩测量,应变片可以采用不同的几何规格,因此应用的范围和方向也不同。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片
1/4惠斯通电桥电路

惠斯通电桥可以用两种方式测量电阻,一种是通过与已知电阻比较来确定电阻绝对值测量,另一种是测定电阻的相对变化。一般来说,后一种方法用于适用于功率计。它可以测定应变片电阻的相对变化,通常精度可达到 10-4 - 10-2 Ω。惠斯通电桥有助于消除弯曲载荷,但是,它们可能不足以消除来自不同方向的不必要的全部力和弯矩。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片
从左到右:应变片的分布及接线,及平均电压读数,用于在校准前装载和卸载测试砝码。

深度剖析功率计的结构与原理:应变片
校准后通过计算机得出的平均扭矩输出。

为了准确地知道功率输出,第一步便是精确测量Z轴施加的扭矩,而车手踩下踏板所施加的实际扭矩可被分成x,y,z轴方向上的扭矩和转矩,并不能直接转换成功率数值,显示在码表上。而当应变片贴在曲柄与盘片连接的爪盘上时,然后选择使用全桥模式,这样的排布只输出踩踏时的扭矩,因此转换成的数值可被认为实际功率输出。

此外,应变片具有十个指状物,五指连接到盘片,其余五个手指连接到曲柄,这也是因为应变片考虑了牙盘系统中的作用力与反作用力,然后从两侧进行测量,并取平均值,从而提高精度,全桥模式下的应变片还可用于温差补偿,降低了功率计的成本。

编辑:levvvvvv3000

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