一种高精度抗偏载环形力传感器的制作方法

本技术涉及力测量，尤其是涉及一种高精度抗偏载环形力传感器，具体涉及一种用于工业应用的高精度、高可靠性环形力传感器，尤其适用于起重机安全监控、工业机器人末端执行器、大型试验机和物料处理系统等需要测量大力值且存在复杂工况的场合。

背景技术：

1、环形力传感器因其结构坚固、量程大、易于安装等特点，被广泛应用于各种工业测力场合。传统的环形传感器（如“doughnut”式传感器）通常采用一个简单的环状结构，应变片直接粘贴在环的内壁或外壁。然而，这种结构存在以下固有缺陷：

2、灵敏度低：均匀的环状结构在受力时应力分布较为分散，产生的应变量小，导致输出信号微弱，信噪比低。这对于需要高精度测量的应用场景而言是致命的弱点。

3、抗偏载能力差：在实际工业应用中，载荷很难绝对地沿中心轴线施加。任何微小的偏心力矩（弯矩）或侧向力（扭矩）都会引起显著的测量误差，导致读数不稳定、不可靠。例如，在起重机吊装重物发生摆动或在工业机器人执行复杂动作时，偏载是不可避免的。

4、制造一致性难保证：由于缺乏精确的应力集中设计，应变片的粘贴位置对传感器性能影响极大，不同传感器之间的一致性较差，给批量生产和校准带来困难。

5、现有技术中，虽有通过在外环开槽等方式试图提高灵敏度，但往往又牺牲了结构的整体强度和抗过载能力，且对于偏载补偿的效果有限。例如，一些设计通过增加环形弹性体结构的复杂性来提升灵敏度，但可能引入不希望的应力集中点，影响传感器的耐久性和过载保护能力。

6、因此，本领域迫切需要一种既能大幅提高灵敏度，又具备优异抗偏载能力，同时保持高结构强度和良好制造一致性的环形力传感器。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种高精度抗偏载环形力传感器，其是一种灵敏度高、抗偏载能力强、线性度好、长期稳定性高的工业用环形力传感器。具体而言，本发明旨在通过一体化的结构创新设计，在保证传感器结构强度和过载能力的前提下，实现应力场的精确引导与控制，从而同时达成高灵敏度与卓越的抗偏载性能。

2、本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本实用新型提供一种高精度抗偏载环形力传感器，包括一体成型的环形弹性体，所述环形弹性体中心设有受力孔，上下端面分别为第一承力面和第二承力面，所述环形弹性体的内壁上设有至少两个沿周向对称分布的应变梁，所述应变梁所在的环形弹性体外壁对应位置设有盲孔；每个所述应变梁上粘贴有至少一个应变片，所有应变片共同连接成一个惠斯通电桥电路。

4、根据本实用新型的一个实施方式，所述应变梁的横截面为矩形，其宽度小于环形弹性体内壁周长除以应变梁数量的二分之一。

5、根据本实用新型的一个实施方式，所述盲孔的形状为圆柱形、方槽形或半球形中的本实用新型还提供一种，其深度小于环形弹性体的径向厚度。

6、根据本实用新型的一个实施方式，每个所述应变梁上粘贴有四个应变片，包括两个用于感受拉伸应变的第一应变片（r1, r3）和两个用于感受压缩应变的第二应变片（r2,r4）；所述第一应变片（r1, r3）的敏感栅方向平行于环形弹性体的轴线方向，并粘贴于应变梁的内侧表面；所述第二应变片（r2, r4）的敏感栅方向平行于环形弹性体的轴线方向，并粘贴于应变梁的外侧表面，且其粘贴位置与盲孔的底部区域正对。

7、根据本实用新型的一个实施方式，四个应变片（r1, r2, r3, r4）连接成惠斯通全桥电路，其中，相对桥臂上的应变片感受相同性质的应变。

8、根据本实用新型的一个实施方式，所述环形弹性体的侧壁还设有用于走线和安装接线的电缆接口及接线腔室。

9、根据本实用新型的一个实施方式，所述环形弹性体的材料为高强度合金钢、不锈钢或沉淀硬化型不锈钢。

10、根据本实用新型的一个实施方式，所述第一承力面和第二承力面上均加工有多个安装螺纹孔，用于通过螺栓与外部设备连接固定。

11、根据本实用新型的一个实施方式，所述应变梁的数量为两个或四个，沿环形弹性体的周向均匀对称分布。

12、根据本实用新型的一个实施方式，所述应变片为金属箔式应变片，采用高温固化胶粘剂粘贴于应变梁上。

13、综上所述，与现有技术相比，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

14、高灵敏度：通过窄应变梁和背部盲孔的协同设计，实现了高效的应力集中，使敏感区域的应变量成倍增加，从而显著提高了传感器的输出信号电压和信噪比。这使得传感器能够检测更微小的力变化，或在使用相同电子放大电路的情况下获得更高的分辨率。

15、卓越的抗偏载能力：独特的应变片布置和全桥电路设计，使得当传感器受到非轴向力（如弯矩、扭矩）时，各应变片产生的电阻变化在电桥内部相互抵消，输出信号几乎不受干扰。这极大地提高了在复杂、不稳定工况下测量的准确性和可靠性。

16、高结构强度和过载能力：采用盲孔而非通孔的设计，保留了环形弹性体的整体性结构，使其在承受剧烈冲击或偶然大幅过载时，不易发生永久性变形或结构损坏，延长了传感器的使用寿命。

17、良好的线性度和重复性：精确设计的应力集中区确保了应变与所施加载荷之间呈现高度线性关系。同时，该设计降低了应变片粘贴位置对性能的敏感度，使得制造工艺一致性好，便于批量生产，产品性能一致性高。

18、有效的温度补偿：全桥电路设计能够自动补偿因环境温度变化引起的应变片电阻变化，减小了温度漂移对测量结果的影响，提高了传感器的温度稳定性和长期稳定性。

19、易于安装集成：标准的环形结构和安装螺纹孔设计，使其能够方便地集成到各种工业设备中，例如作为机器人关节的力感知单元或起重机挂钩的力监测单元，安装便捷，适用性广。

1.一种高精度抗偏载环形力传感器，包括一体成型的环形弹性体（1），所述环形弹性体（1）中心设有受力孔（11），上下端面分别为第一承力面（12）和第二承力面（13），其特征在于：所述环形弹性体（1）的内壁上设有至少两个沿周向对称分布的应变梁（2），所述应变梁（2）所在的环形弹性体（1）外壁对应位置设有盲孔（3）；每个所述应变梁（2）上粘贴有至少一个应变片（4），所有应变片（4）共同连接成一个惠斯通电桥电路。

2.根据权利要求1所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述应变梁（2）的横截面为矩形，其宽度小于环形弹性体（1）内壁周长除以应变梁数量的二分之一。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述盲孔（3）的形状为圆柱形、方槽形或半球形中的一种，其深度小于环形弹性体（1）的径向厚度。

4.根据权利要求1所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：每个所述应变梁（2）上粘贴有四个应变片（4），包括两个用于感受拉伸应变的第一应变片和两个用于感受压缩应变的第二应变片；所述第一应变片的敏感栅方向平行于环形弹性体（1）的轴线方向，并粘贴于应变梁（2）的内侧表面；所述第二应变片的敏感栅方向平行于环形弹性体（1）的轴线方向，并粘贴于应变梁（2）的外侧表面，且其粘贴位置与盲孔（3）的底部区域正对。

5.根据权利要求4所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：四个应变片（4）连接成惠斯通全桥电路，其中，相对桥臂上的应变片感受相同性质的应变。

6.根据权利要求1所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述环形弹性体（1）的侧壁还设有用于走线和安装接线的电缆接口（5）及接线腔室（6）。

7.根据权利要求1所述的高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述环形弹性体（1）的材料为高强度合金钢、不锈钢或沉淀硬化型不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述第一承力面（12）和第二承力面（13）上均加工有多个安装螺纹孔（14），用于通过螺栓与外部设备连接固定。

9.根据权利要求1所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述应变梁（2）的数量为两个或四个，沿环形弹性体（1）的周向均匀对称分布。

10.根据权利要求4所述的一种高精度抗偏载环形力传感器，其特征在于：所述应变片（4）为金属箔式应变片，采用高温固化胶粘剂粘贴于应变梁（2）上。