(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