介紹了石英晶體的壓電效應(yīng)，石英稱(chēng)重傳感器的電荷電壓計(jì)算，石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的工作原理、結(jié)構(gòu) 和特點(diǎn)。提出了提高石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的方法。

0.引言

20世紀(jì)90年代末，隨著公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的 迫切需求和石英稱(chēng)重傳感器技術(shù)的發(fā)展，瑞士公司率先開(kāi)發(fā)出可以埋在路面下的以 石英晶體為敏感元件的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重傳感器，用于公路 車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重（WIM)。目前在美國(guó)、加拿大、英國(guó)、 德國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)、日本、印度、中東地區(qū)等國(guó)家 已得到廣泛應(yīng)用，主要用于計(jì)重收費(fèi)、橋梁保護(hù)、交 通流量調(diào)查、超載檢測(cè)等。

在中國(guó)，以石英稱(chēng)重傳感器為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的石英 式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡因其開(kāi)挖量小、適應(yīng)范圍廣（速度、彎 道、坡道、橋梁等）、穩(wěn)定性和可靠性好、使用壽命 長(zhǎng)、無(wú)需排水、不生鎊、免維護(hù)等特點(diǎn)，最近幾年發(fā) 展迅猛，已廣泛應(yīng)用于計(jì)重收費(fèi)、橋梁保護(hù)、高速預(yù) 檢、非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法等領(lǐng)域。

廣東省目前正在使用的石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡近 千套，車(chē)輛整車(chē)總重量的準(zhǔn)確度等級(jí)為5級(jí)，為了節(jié) 省成本，石英稱(chēng)重傳感器采用單排交錯(cuò)布局，造成 容易作弊。

為進(jìn)一步提高石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的稱(chēng)重準(zhǔn)確 度、穩(wěn)定性和防止作弊，須從石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的 工作原理及其影響因素著手，從根本上提出實(shí)用可 靠的方法。

1.石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的原理

石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡主要由石英稱(chēng)重傳感器、電 荷放大器、稱(chēng)重儀表、車(chē)輛分離裝置等組成。如圖1 所示。

 石英稱(chēng)重傳感器埋設(shè)在稱(chēng)量區(qū)引道里，與車(chē)行 方向垂直。

車(chē)輪碾壓過(guò)石英稱(chēng)重傳感器時(shí)，動(dòng)態(tài)車(chē)輪力 (dynamic vehicle tyre force )施加于石英稱(chēng)重傳感器 表面和引道路面（由路面和傳感器表面共同承擔(dān))， 石英稱(chēng)重傳感器產(chǎn)生與所承受的輪胎負(fù)荷（tyre load)呈正比的電荷。

石英稱(chēng)重傳感器產(chǎn)生的電荷經(jīng)過(guò)高阻抗低噪 聲電纜傳送至電荷放大器，電荷放大器輸出與電荷 對(duì)應(yīng)的電壓（mV或V)，通過(guò)專(zhuān)用線纜發(fā)送給稱(chēng)重 儀表。

電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)稱(chēng)重儀表濾波、采樣成為數(shù)字信 號(hào)，再由微處理器根據(jù)既定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出輪、 軸載荷，通過(guò)累加各軸載荷得到車(chē)輛總重量并顯示。

信號(hào)處理的過(guò)程是:力—電荷—電壓—數(shù)字 (經(jīng)計(jì)算)—重量。

1.1石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體的化學(xué)成分為SiO2，外形為六角棱 形;通常我們稱(chēng)石英晶體的對(duì)稱(chēng)軸為Z軸或光軸、 通過(guò)相對(duì)兩棱且與Z軸垂直的軸線為X軸或電軸、 與X軸和Z軸都垂直的軸線為Y軸或中性軸;X切 割的石英晶體片（長(zhǎng)方體、圓柱體等）是指切割出來(lái) 的石英晶體片的兩個(gè)大面積的平面都與X軸相垂 直，如圖2所示。

石英晶體的壓電效應(yīng)是由于在外力作用下石 英晶體內(nèi)的硅原子和氧原子的位置產(chǎn)生相對(duì)變形， 正電荷和負(fù)電荷的重心互相移位，產(chǎn)生電荷。

如圖3所示，當(dāng)X切割的石英晶體片沿X軸方 向受一外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化，在垂直于X軸 的兩個(gè)平面上產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷；當(dāng)X切割的石 英晶體片沿Y軸或Z軸受一外力作用時(shí)，則不會(huì)在 垂直于X軸的兩個(gè)平面上產(chǎn)生電荷;這種現(xiàn)象被稱(chēng) 為縱向壓電效應(yīng)。

1.2石英稱(chēng)重傳感器的工作原理

石英稱(chēng)重傳感器是利用石英晶體的縱向壓電 效應(yīng)將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。

以一個(gè)X切割的石英晶體圓片為例，如圖4所 示，計(jì)算它的電荷值。

石英晶體圓片直徑為d，厚度為T。當(dāng)石英晶體 圓片沿X軸方向受外力Fx作用時(shí)，在垂直于Fx的 平面上產(chǎn)生電荷，而且其外力與產(chǎn)生的電荷存在線 性關(guān)系。

Qx - d11 Fx

式中：Qx為石英晶體圓片垂直于Fx平面產(chǎn)生的電 荷；dll為石英晶體的縱向壓電模數(shù)，dll - 2.31pC/N。

石英稱(chēng)重傳感器將多個(gè)X切割的石英晶體圓 片和電極板直接安裝在一個(gè)特制的梁式承載器內(nèi)， 梁式承載器內(nèi)的所有石英晶體圓片通過(guò)并聯(lián)方式 連接。如果將n個(gè)石英晶體圓片按并聯(lián)方式連接， 總輸出電荷將增加n倍，電荷靈敏度也增加n倍。n 個(gè)石英晶體片并聯(lián)所產(chǎn)生的電荷為:Qx = nduFx。

當(dāng)稱(chēng)重傳感器受外載荷作用時(shí)，石英晶體圓片 產(chǎn)生電荷，由電極板收集傳至信號(hào)輸出插座，再由 高阻抗低噪聲的同軸電纜傳輸?shù)诫姾煞糯笃鳌?/span>

石英稱(chēng)重傳感器與其他類(lèi)型的傳感器相比較 有以下優(yōu)點(diǎn)：

量程范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕；

靈敏度高，測(cè)量值可到上百?lài)嵼d荷，又能分 辨出小至幾公斤的動(dòng)態(tài)力；

剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），動(dòng)態(tài) 響應(yīng)快；

時(shí)間老化率低，無(wú)熱釋電現(xiàn)象，工作可靠性 高，壽命長(zhǎng)；

對(duì)溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長(zhǎng)期 穩(wěn)定性好；

在使用時(shí)不用事先調(diào)整平衡，操作方便。

石英稱(chēng)重傳感器唯一的缺點(diǎn)是不能在長(zhǎng)時(shí)間 內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。

1.3電荷放大器的工作原理

石英稱(chēng)重傳感器中全部石英晶體圓片產(chǎn)生的 電荷量Qx非常微弱且輸出阻抗Ra很高（為了減小 電荷泄漏，通常要求大于500Gft)，需通過(guò)電荷放大 器將此微弱電荷變換成與其成正比的電壓，并將高 輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩埂?/span>

電荷放大器是一種帶電容反饋的高輸人阻抗、 低噪聲、低漂移寬帶的精密運(yùn)算放大器，它將電荷 經(jīng)靈敏度規(guī)一化后，按比例轉(zhuǎn)換成電壓輸出（mV或 V)。

車(chē)輛通過(guò)石英稱(chēng)重傳感器時(shí)，由于石英稱(chēng)重傳 感器測(cè)量表面的寬度比車(chē)輛輪胎的印跡窄，輪胎重 量的計(jì)算須依據(jù)電荷信號(hào)沿車(chē)輪接觸長(zhǎng)度積分方 式，即采用輪胎從開(kāi)始?jí)荷蟼鞲衅鞯酵耆ㄟ^(guò)傳感 器期間傳感器產(chǎn)生的電荷變化的脈沖波形曲線積 分方式。電荷放大器通過(guò)專(zhuān)用線纜發(fā)送給稱(chēng)重儀 表的是脈沖波形的電壓信號(hào)。

1.4稱(chēng)重儀表的工作原理

脈沖電壓信號(hào)在稱(chēng)重儀表中經(jīng)過(guò)濾波、采樣轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)，再由稱(chēng)重儀表中的微處理器根據(jù)既 定的數(shù)學(xué)模型和智能動(dòng)態(tài)稱(chēng)重軟件計(jì)算出輪、軸載 荷， 并通過(guò)累加各軸載荷得到車(chē)輛總重量。

2.提高石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性 的方法

2. 1影響動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的因素

任何一種動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡動(dòng)態(tài)稱(chēng)量時(shí)，均可將動(dòng)態(tài) 汽車(chē)衡和被檢測(cè)車(chē)輛的組合視作一個(gè)等效二階振 動(dòng)系統(tǒng)，在各種客觀因素的共同作用和影響下，很 難達(dá)到諸如地磅類(lèi)靜態(tài)秤的稱(chēng)重精度和穩(wěn)定性。

對(duì)于石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡來(lái)說(shuō)，這些客觀因素中 最主要的有下列四大因素：

1)石英稱(chēng)重傳感器靈敏度一致性問(wèn)題 石英稱(chēng)重傳感器的靈敏度一致性是指用同樣 大小的力施加在石英稱(chēng)重傳感器不同位置時(shí)的測(cè) 量結(jié)果誤差。

Kistler的石英稱(chēng)重傳感器的典型分布特性如圖 5所示。

2）非勻速直線行駛問(wèn)題

如貨車(chē)在稱(chēng)重區(qū)域內(nèi)加速或減速通過(guò)、S型行 駛、斜進(jìn)、跳稱(chēng)等。非勻速直線行駛將會(huì)導(dǎo)致衡器 的采集信號(hào)不規(guī)范，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真、誤差加大。

3）路面平整度與速度問(wèn)題

稱(chēng)量區(qū)的引道路面是動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡不可分割的 一部分。引道路面的平整度會(huì)直接影響到車(chē)輛經(jīng) 過(guò)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的大小，通常情況下，引道路面平整 度越差、車(chē)輛行駛速度越大，所產(chǎn)生的垂直于引道 路面的外力越大。

4）車(chē)況問(wèn)題

車(chē)況越差車(chē)輛行駛時(shí)振動(dòng)越大，也會(huì)導(dǎo)致采集 信號(hào)不同程度的失真。

2.2解決方法：多排布局

石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的測(cè)量誤差由系統(tǒng)誤差、隨 機(jī)誤差、粗大誤差構(gòu)成。系統(tǒng)誤差的減少可通過(guò)軌 跡檢測(cè)傳感器和智能算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)誤差和粗 大誤差的減少則通過(guò)多排布局，構(gòu)成多個(gè)等精度的 單次測(cè)量，系統(tǒng)通過(guò)多次測(cè)量求算術(shù)平均值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

多排布局的石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的總體設(shè)計(jì)如 圖6所示。

2.2 1多排布局通過(guò)多次測(cè)量求算術(shù)平均值來(lái)提 高準(zhǔn)確度

以3排石英稱(chēng)重傳感器的布局為例，如圖7 所示。

原則上，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ad、bc、cf、de、af、be組成的 6個(gè)交錯(cuò)單排的單次稱(chēng)量，可視同為6次等精度的 單次稱(chēng)量，理論上可以在單排的基礎(chǔ)上將其均方根 誤差（標(biāo)準(zhǔn)偏差值)縮小6倍。

假設(shè)單次稱(chēng)量的隨機(jī)誤差為8，其均方根誤差 ^(標(biāo)準(zhǔn)偏差）為：

2. 2多排布局可對(duì)異常信號(hào)篩選過(guò)濾

在多排布局的衡器系統(tǒng)中，多次稱(chēng)量中如發(fā)現(xiàn) 有因諸如車(chē)輛異常行駛、外部干擾等因素產(chǎn)生的粗 大誤差，可先篩選濾除后再進(jìn)行算術(shù)平均，從而提 高測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.2.3調(diào)整多排布局的間距可消除振動(dòng)導(dǎo)致的

誤差

測(cè)量數(shù)據(jù)％實(shí)際上還與車(chē)輛的振動(dòng)有關(guān)，車(chē)輛 振動(dòng)頻率大致與路面特征頻率一致。采用單一正 弦波建模，n排傳感器所測(cè)重量平均值x可表述 如下： 式中:fk表示為第k排傳感器的測(cè)試誤差；小為一變 量，以取代振動(dòng)頻率f、傳統(tǒng)距離A和車(chē)速v的共同 影響結(jié)果。

因此，測(cè)量數(shù)據(jù)隨著標(biāo)量距離以及傳感器數(shù)量 n的變化而變化。多排布局時(shí)，根據(jù)車(chē)輛的振動(dòng)頻 率范圍和車(chē)輛運(yùn)行速度范圍，通過(guò)調(diào)整石英稱(chēng)重傳 感器的間距可減少因振動(dòng)導(dǎo)致的誤差。

廣州根據(jù)多排布 局的石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡設(shè)計(jì)原理，采用Kistler石 英稱(chēng)重傳感器，生產(chǎn)的車(chē)輛整車(chē)總重量的準(zhǔn)確度 等級(jí)為2級(jí)的石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡(如表1所示）， 通過(guò)了國(guó)家自動(dòng)衡器型式評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室(山東）進(jìn) 行的型式評(píng)價(jià)，是國(guó)內(nèi)第一家取得最高準(zhǔn)確度等 級(jí)石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡型式批準(zhǔn)證書(shū)和生產(chǎn)許可 證的廠家。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文從石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡的原理、石英晶體的 壓電效應(yīng)著手，闡述了提高石英式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡計(jì)量 精度、穩(wěn)定性和可靠性的方法，即采用多排傳感器 布局和智能動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)如下：可減小因石英稱(chēng)重傳感器自身靈敏度一致 性導(dǎo)致的誤差；可減小因被測(cè)車(chē)輛行駛狀態(tài)的不同導(dǎo)致的 誤差；可減小因車(chē)型、路況、車(chē)況的影響導(dǎo)致的稱(chēng)量誤差。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行良好，車(chē)重結(jié)果數(shù)據(jù)可靠，完全達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。