(稿件noMK)石英晶体传感器及其动态汽车衡的应用

石英晶体传感器及其动态汽车衡的应用

内容提要：国内公路货车计重收费动态称重设备，目前大多采用电阻应变传感器的秤台式或弯板式结构，受电阻应变传感器特性和实际使用的条件限制，这种设备在使用寿命、称量精度、后期维护等方面都存在不同程度的问题。本文通过介绍石英晶体传感器及其动态汽车衡的应用，旨在探讨公路动态称重设备应用技术的新途径。

石英晶体的压电特性及应用

石英（SiO2）是一种天然的压电材料，当受外力作用时，石英表面便会产生电荷，即压电效应。用于制造传感器的石英需要置于高温、高压（1000bar，400℃）热压容器内，经过长时间的培养（每公斤石英约需一周）。使用光学晶体测角仪可以测出晶体的方向，晶体有纵向、横向和剪切向三种不同的切割方式，某一种切割方式的石英晶体只对相应方向的力敏感，分别称为纵向效应、横向效应和剪切效应：

●纵向效应，电荷产生在受载石英的表面（如图1）

●横向效应，电荷产生在与受载表面垂直的另两个未加载的表面

（如图2）

●剪切效应，电荷产生在受剪切载荷的石英表面（如图3）

图1纵向效应图2横向效应图3剪切效应

石英晶体用于各种力的测量时，根据应用场合的需要，选择不同切割方向的石英晶体作为检测元件，可以避免其它方向力的干扰。

承载垫(可被研磨)

合金铝质型材

石英敏感元件弹性材料

图5

石英晶体压电检测器件

a)内部结构b)外形封装

石英晶体损耗小，品质因素可达数百万，耐老化性能好，可长时间稳定可靠工作，99％以上的电子设备都采用石英晶体振荡器作为时间或频率的基准，在民用、工业、军事和航天领域获得了非常广泛的应用。本文介绍石英晶体作为动态称重（WIM）传感器在公路动态称重设备中的应用。

石英晶体传感器的结构及特点

1.采用石英晶体传感器的动态汽车衡构成原理

图4为石英晶体动态汽车衡检测部分的构成原理，其中的核心部件石英晶体动态称重传感器（WIM 传感器）与电荷放大器（Charge Amplifier），由瑞士Kistler （奇石乐）公司配套生产。该公司是全球知名的传感器制造商，是压电测量技术的发明者和领导者。

石英晶体检测元件将动态轮胎力转换为电荷信号，经电荷放大器转换为模拟电压，再通过A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过嵌入式计算机及其专用软件得出称量结果。其测量链信号形式和单位是：

力（N）→电荷（pC）→电压（V）→数据→重量（Kg）

2.石英晶体WIM传感器的结构特点

图5为石英晶体WIM传感器结构和外观，采用整体封装结构，有1m 和0.75m 两种长度规格，可根据道路的宽度灵活组合。

图4石英晶体动态汽车衡检测部分的构成原理

图6

埋设于路表的传感器图7

传感器安装断面尺寸

图8与路面无缝衔接

石英晶体WIM传感器在水泥和沥青混凝土两种路面均可埋设（图6），依照图7所示的截面安装尺寸，在路面切割7cm宽的安装槽，开挖深度仅5cm，可以在各种路面安装，包括桥面。

石英晶体WIM传感器具有以下主要特点：

★全密封结构，防水、防砂、耐腐蚀，坚固耐用、免维护

石英晶体传感器本身为全密封金属结构，安装时又通过固化材料（环氧树脂＋石英砂）与路面浇筑为一个整体，传感器与路面之间平整、无缝（见图8），不会产生积水和泥沙淤积，免除了

使用过程中定期清理维护工作。其内部没有机械传

动及磨损，性能长期稳定，在路面完好的情况下其

使用寿命可达10年之久。

★施工简便、快捷，道路结构无损

无需在道路上开挖和浇铸基坑，也不需要任何排水工程，路面切浅槽（宽7cm，深5cm）即可安装，道路结构无损，一套检测器的安装只需一个工作日，安装省时、省工、省费用，大大降低了占用车道的时间和对交通的影响。

★几乎不受环境温度限制，工作特性长期稳定

石英晶体WIM传感器的工作温度范围是－40℃至＋80℃，更重要的是其温度系数仅万分之二（0.02％），无需对温度进行补偿，使用中无需因季节温度变化重新标定。采用石英晶体WIM传感器的动态称重系统在严寒和酷热地区同样保持了长期稳定可靠的运行，如北欧瑞典、北美加拿大、中东卡塔尔等。同时，石英晶体传感器承载面和浇筑用的固化材料在摩擦系数、膨胀系数以及导热性能方面与路面接近，不易结冰、不易打滑。

★适应性强，动态称量精度高

动态称量精度主要受两方面因素影响：一是传感器的动态响应时间与承载器的惯量，两者决定了衡器适用的速度范围；二是衡器对横切力的敏感程度，决定了衡器在车辆非匀速行驶或者道路弯度、坡度对称量结果的影响。

电阻应变或机械振弦的秤台式汽车衡，均要求车辆以≦5km/h的匀速状态通过承载器（即秤台），实际车辆的速度往往超过规定值或并非接近匀速状态，这是造成动态称量误差的重要因素之一。

电阻应变传感器依靠形变进行测量，相应时间为ms级，而石英晶体传感器是刚性结构，在载荷下不变形，同时检测器与承载器在结构上是一体的，避免了承载器惯量和传递延迟，其响应时间为μs级，适应的速度范围达到200km/h。

由于采用纵向效应的石英晶体材料，传感器对横向力不敏感，可大幅度减小非匀速、曲线、坡道及弯道行驶引起的动态称量误差，换言之，在动态称量精度要求相同的情况下，石英晶体传感器更能适应车辆的实际通行状态。同时，由于对横向力不敏感，石英晶体动态汽车衡可以在坡道、弯道和桥面直接安装，无需对道路、收费广场进行改造。

★线性好，动态量程范围宽

石英晶体传感器的动态量程范围宽，单只传感器达150KN，可以完成从轻型轿车到重型货车的称量，并且在整个量程范围具有非常完美的输出线性，便于动态汽车衡的计量标定。

3.工业级电荷放大器的结构原理

电荷放大器作为石英晶体传感器的配套装置，如图8所示。

放大器输入端通过配套的高阻抗同轴电缆连接石英晶体传感器，将传感器输出的电荷信号转换为电压信号。放大器按照工业级标准设计，防护等级为IP67，采用铸铝外壳封装，具有电磁屏蔽作用，抗干扰能力强、环境温度的适应性强、长期工作性能稳定。根据通道数不同有多种产品规格，以配合不同数量传感器构成测量系统。电荷放大器具有极高的输入阻抗（>1012

Ω），以减小对信号的分流，保证测量精度。

石英晶体传感器动态汽车衡的应用

1.国外应用概况

石英晶体传感器的动态汽车衡在北美、欧洲、中东、大洋洲和亚洲许多国家都广泛应用，应用场合包括：预选（Pre Select ）、超载检测（Overload Detection ，类似于我们的“治超”）、桥梁限重保护（Bridge &Construction Protection ）和统计（Statistics ），

其中大部分用于高速情况，图8与石英晶体传感器配套的电荷放大器

低速应用包括英国和日本，英国的部分路桥按照载货车辆重量来征收通行税，日本高速法实施后对货车实行按重量收费，这与国内近年实施公路货车计重收费（weight-dependent toll）的应用情况十分相近。

2.国内应用概况

近年来，石英晶体动态汽车衡在国内的应用主要是车辆超载超限检测及公路货车计重收费两个方面。作为车辆超载超限治理的高速预检其技术比较成熟，国内外有很多应用实例；作为公路货车计重收费设备，其要求更为复杂，中国与日本基本同期开始研发，通过研制单位的技术攻关与计量部门的严格测试，在2006年取得了国家计量部门颁发的计量器具证书。同年，作为特殊车道（位于坡道、弯道、桥面）的动态称重设备，在四川省成渝高速及绕城高速公路的部分收费站得以应用。计量部门多次周期性检定与不定期的核查结果表明，石英晶体动态汽车衡完全满足计量检定规程（JJG907-2006）中的动态称量精度要求，并显现了性能稳定、重复称量一致性好、运行速度范围宽、道路及环境气候适应性好等优势。在此基础上，该设备得到了更多用户的关注，在四川、河南、上海、安徽、辽宁、黑龙江、甘肃等地区进一步推广应用。

3.石英晶体传感器动态汽车衡的应用特点

▲采用“部分轮载”式测量，无静态称量模式

车轮载荷的测量有两种方式：“全部轮载”方式和“部分轮载”方式。“全部轮载”方式是指承载面宽度大于轮迹长度（轮胎触地长度），在某一个时刻车轮的所有重量全部施加在承载器上，其输出波形如图9右图，波形的峰值代表了车轮的载荷，也就是说这种方式测量的是车轮的重量，称台式汽车衡和传统弯板（宽度500mm以上）均属这种方式。

“部分轮载”方式是指承载面宽度小于轮迹长度，任意时刻轮胎的重量都是由传感器和路面共同承担，其输出波形如图9左图，波形的面积（积分值）代表了车轮的载荷，这种方式测量的是动态轮胎力，石英晶体WIM传感器、压电聚合物（PVDF）以及小型弯板（宽度200mm 左右）均是这种测量方式。

图9部分轮载、全部轮载方式及输出信号

根据E131894的定义，动态称重是“对运动中车辆测量其动态轮胎力并估计车辆静止时相应的轮胎负荷的过程”（the process of measuring the dynamic tire forces of a moving vehicle and estimating the corresponding tire loads of the static vehicl），也就是说动态称重测量的是动态轮胎力，而非直接测轮重，因此，部分轮载方式测量在结构原理上完全体现了动态称量的特征，更符合关于动态称重的严格定义，是真正意义上的动态称重。

采用石英晶体传感器、压电聚合物传感器和小型弯板的动态汽车衡其承载面宽度小于轮迹长度，不具备静态称量的模式及试验条件，也没

有静态称量指标。

对于秤台式与传统弯板结构的动态汽车衡，承载器宽度超过轮迹长度，具备单轴静态称量的结构条件，可以参照静态衡方式进行静态试验（如静态称量、载荷分布、偏载试验等），根据JJG907-2006《动态公路车辆自动衡器检定规程》的有关规定，动态汽车衡进行静态试验的前提是衡器具备静态称量模式、并且作为集成控制衡器使用，即“用于确定参考车辆总质量，或静态参考单轴载荷的标准计量器具”，但在动态汽车衡的检定过程中，都是采用第三方的高精度衡器确定参考车辆的标准质量，而不会采用被测对象作为标准衡器，因此，动态汽车衡的静态试验和指标基本没有实际意义。

▲可实现零公里称量

由于石英晶体传感器动态汽车衡不具备静态称量模式，当作为计重收费设备使用时，用户可能会产生疑问：收费站车辆排队是常事，一旦车辆在承载器上停车是否会无法正常称重？其结论是不会，这里必须正确区分静态称量与零公里两个不同的概念。

静态称量试验是检定规程的一个专门术语，是根据秤台的结构和原理，采用砝码“从零点开始向承载器上加实验负荷至最大秤量，然后从最大秤量卸载至零”，以此检验称台的偏载和线性度等指标，石英晶体、压电聚合物、小型弯板因承载面的宽度无法进行这样的试验，自然也就没有静态称量指标。

零公里是指车轮运动到承载器停止、然后又继续运动的情况，从运动状态上分析，车速是从一定值到零、又到一定值的变化过程，这一过程车轮对传感器始终存在相对运动，即车轮一定会通过传感器，传感器可以检测到动态轮胎力。从传感器输出波形和处理过程分析，石英晶体

动态汽车衡的工作原理是通过测量轮胎的压力波形，对其积分得到面积，再通过速度与面积的乘积得到重量，车辆在静止阶段信号波形呈现出平顶，在信号处理过程只需要把平顶、即斜率为零的部分去掉，就可以恢复正常波形（如图9左图）计算出轮载。换言之，只要车轮通过传感器，无论其间是否停止，石英晶体动态汽车衡都可以实现称量。因此，石英晶体动态汽车衡没有静态称量模式，但可以实现零公里动态称量。

▲提高速度检测精度至关重要

根据石英晶体动态汽车衡的设计原理，车辆的速度值是作为参变量参与运算，换句话说，速度检测是否准确将影响动态称量的精度，特别对低速检测精度至关重要。国外多数应用实例为高速情况下的动态称量，国内作为公路货车计重收费的称重设备使用时，其应用特征是偏重于低速情况下的动态称量。因此，计重收费的石英晶体动态衡中采用了精密光电测速方式，进一步提高了0～30km/h范围的速度检测精度，目前的速度检测精度可≦0.3％，可适应的速度范围可达0.3km/h～200km/h。

▲与之适用的计量检定规程

按其结构原理，公路计重收费使用的石英晶体动态汽车衡属于“通过测量单独轮载荷来确定轴载荷的衡器”，并且具备某些与称台式汽车衡不同的性能特点，如不存在偏载误差、无需置零等，因此，国家现行的动态公路车辆自动衡器检定规程（JJG907-2006）不能完全适用。目前对于该类型设备的计量检定工作，动态性能暂时参照现有规程执行，有关部门正在研究制定与之适用的技术标准和计量检定规程。

综上所述，石英晶体动态汽车衡在综合性价比方面已经展现出一定的优势，可为公路动态称重设备技术提供新的应用途径。作为一项新技

术的推广应用，设备的技术性能、结构、可靠性还需要不断地完善和提高，这需要广大业内人士和用户的宝贵意见。