壓電石英稱重傳感器及其在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用

壓電石英稱重傳感器及其在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用一、概述盡管早在1908年P(guān)ierre（皮埃爾）和JacguseCurie（雅克卡里）就發(fā)現(xiàn)了石英晶體的壓電效應(yīng)，但是用于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量還是20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)由蘇黎世的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所研制出壓電石英測(cè)力傳感器，并利用它制成風(fēng)洞天平，對(duì)空氣動(dòng)力進(jìn)行測(cè)量。瑞士聯(lián)邦工學(xué)院和德國(guó) Aachen大學(xué)分別利用石英晶體研制出剛性非常好的三分量測(cè)力傳感器，用來(lái)測(cè)量機(jī)床的切削力。20世紀(jì)70年代擴(kuò)展了壓電石英三分量測(cè)力系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量六個(gè)分量和計(jì)算力作用點(diǎn)的座標(biāo)；軍事工程部門用于測(cè)量火箭推力向量（力的大小、方向和位置）；汽車工業(yè)部門用于測(cè)量輪胎的附 著力；生物力學(xué)領(lǐng)域用于運(yùn)動(dòng)矯形術(shù)、整形和姿態(tài)控制。20世紀(jì)80年代在汽車制造業(yè)中壓電石英測(cè)力傳感器用于測(cè)量汽車點(diǎn)火壓力，汽車碰撞的沖擊力。利用二分量測(cè)力傳感器同時(shí)測(cè)量汽車檢測(cè)平臺(tái)的垂直力和水平力，將壓電石英測(cè)力傳感器埋在路面下，測(cè)量汽車輪胎與路面之間的接觸力。20世紀(jì)90年代公路車輛軸載超限越來(lái)越嚴(yán)重，已成為世界難題。在公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報(bào)警和軸載動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量中，迫切需要體積小、高度低、重量輕，剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)范圍廣，靈敏度高的動(dòng)態(tài)稱重傳感器和動(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)。壓電石英晶體敏感元件及其組裝的壓電石英稱重傳感器就具備上述特點(diǎn)。瑞士Kistier（奇石樂）公司開發(fā)出可以埋在路面下的以石英晶體為敏感元件的工字梁型動(dòng)態(tài)稱重傳感器，用于公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報(bào)警，隧道保護(hù)和車輛軸載計(jì)量，取得了很好的應(yīng)用效果。這種壓電石英稱重傳感器已在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)、日本等許多國(guó)家廣泛應(yīng)用。1993年7月在蘇黎世的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所，根據(jù)歐

洲研究項(xiàng)目“C0TS323道路動(dòng)態(tài)稱重”的要求，對(duì)壓電石英稱重傳感器與另外8個(gè)商用稱重傳感TOC\o"1-5"\h\z器進(jìn)行了道路比較試驗(yàn)。試驗(yàn)使用數(shù)字式示波器顯示重量信號(hào)、并將其儲(chǔ)存在軟盤上，然后將數(shù)據(jù) 用8個(gè)商用稱重傳感計(jì)算機(jī)進(jìn)行離線分析。除了車輛的軸重和毛重外，車速、軸距、輪距和單雙輪胎等均可確定。在 2050km/h速度下，動(dòng)態(tài)稱量結(jié)果與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果非常吻合，證明壓電石英稱重傳感器完全可以 用于公路車輛軸重計(jì)量。二、石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體（QuartzCrystai）是二氧化硅無(wú)水化合物，分子式為SiO?，是各向異性的材料，通常用直角坐標(biāo)軸來(lái)表征它的方向性。典型的石英晶體外形和直角坐標(biāo)軸如圖1所示。Z軸是石英晶體的對(duì)稱軸，在垂直于Z軸的平面上，通過相對(duì)兩棱的直線叫X軸，由于石英晶體呈六角棱形，因此有三個(gè)X軸。與X軸和Z軸都垂直的是Y軸。X軸稱為電軸，Y軸稱為中性軸（或機(jī)械軸）Z軸稱為光軸。通常所說(shuō)的X（或Y）切割，就是切割出來(lái)的石英晶體片的兩個(gè)平面都與X（或Y）軸相垂直。X切割的石英晶體片如圖2所示。當(dāng)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，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。而在垂直于Y軸的平面上，沿著Y軸的方向施加外力時(shí)，在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為橫向壓電效應(yīng)。在Y切割（剪切型切割）石英晶體片中，當(dāng)在垂直于Y軸的平面內(nèi)，沿X軸方向受外力作用時(shí)，在受力表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為剪切效應(yīng)。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所至，產(chǎn)生的電荷由覆蓋在石英晶體表面的電極板進(jìn)行收集、傳輸。力值的計(jì)量就是直接利用這三個(gè)壓電效應(yīng)，制成單分量或多分量測(cè)力與稱重傳感器。圖1石英晶體圖2X切割的石英晶體片圖1石英晶體三、壓電石英稱重傳感器的工作原理壓電石英稱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?，F(xiàn)以—個(gè)X切割的石英晶體圓片為例，計(jì)算它的電荷、電壓。石英晶體圓〃-F 片如圖 3所示。設(shè)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。Q diiFX 亠 圖3石英晶體圓片受力圖式中：Q—石英晶體圓片垂直于Fx平面產(chǎn)生的電荷dii—石英晶體的縱向壓電模數(shù)，di=2.31PC/N兩個(gè)表面之間的電壓匕為：U<=CX/Cx=diiFx/Cx (V)式中：C〈一石英晶體圓片的電容量C<=end/4t (F)一石英晶體的介電系數(shù)。將X切割的石英晶體片加工成稱重傳感器殼體所需要的外形和尺寸，按要求連同電極板—起裝入殼體內(nèi)，施加足夠的預(yù)緊力后，采用圓膜片與殼體焊接密封。當(dāng)稱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，再由低噪聲的同軸電纜傳輸?shù)诫姾煞糯笃?帶有電容反饋的運(yùn)算放大器)，經(jīng)靈敏度歸—化后，按比例的轉(zhuǎn)換成電壓輸出?；蚍糯笃鳛橹亓啃盘?hào)的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換提供必要的驅(qū)動(dòng)，并將此信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，然后用專用的軟件將其轉(zhuǎn)換為重量。為了減小電荷的泄漏，求大于放大器的輸入端要有很高的絕緣電阻，通常要10TQ。電荷放大器

的量程（與轉(zhuǎn)換系數(shù)有關(guān)）由反饋電容確定，通常稱為量程電容。通過測(cè)得的電壓值，就可得到所測(cè)載荷的大小。利用石英晶體制造稱重傳感器時(shí)，石英晶體片有并聯(lián)和串聯(lián)連接兩種方法。十+十十并聯(lián)連接：兩個(gè)壓電石英晶體片按極化方向相反粘結(jié)，負(fù)電荷集中在中間的負(fù)電極板上，正電荷在兩端的正電極板上。這時(shí)相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)，輸出電極板上的電荷和電容量將增加一倍，如圖4所示。十+十十圖4兩個(gè)石英晶體片并聯(lián)示意圖如果有n個(gè)石英晶體片按并聯(lián)方式連接，此時(shí)的總輸出電荷將增個(gè)石英晶體片并聯(lián)所產(chǎn)生的電荷為:(C)由帶底座的外殼，兩個(gè)X切割的石英晶體n倍，電荷靈敏度也增加n倍，而電壓靈敏度則與單個(gè)石英晶體片工作時(shí)相同。nQX=ndiiFx串聯(lián)連接：兩個(gè)石英晶體片按極化方向相同粘結(jié)，于是在兩個(gè)石英晶體片粘結(jié)處的中間電極板上正負(fù)電荷相互抵消，這時(shí)總電容量為單個(gè)石英晶體片工作時(shí)的一半，電壓都增大一倍，而總電荷量則不變，如圖5所示。若n個(gè)石英晶體片串聯(lián)連接，由于輸出電壓增加n倍，因此電壓靈敏度也增加n倍，而電荷靈敏度則與單個(gè)石英晶體片工作時(shí)相同。 由此可得出，多個(gè)石英晶體片并聯(lián)連接時(shí)，輸出電荷量大，電荷靈敏度高；串聯(lián)連接時(shí)，輸出電壓大，電壓靈敏四、壓電石英稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)單分量壓電石英稱重傳感器的結(jié)構(gòu)象一個(gè)承載墊圈,圓片，夾在兩個(gè)圓片之間的電極板，帶有密封膜片的上壓頭和信號(hào)輸出插座組成，如圖6所示。1石英晶體片2.電極板3.上壓板4.外殼5.信號(hào)輸出插座圖6壓電石英稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖

石英晶體的排列為以其晶軸X指向電極板的并聯(lián)連接，使其在外載荷作用下產(chǎn)生的電荷和靈敏度都增加一倍。在裝配時(shí)，必須對(duì)石英晶體圓片施加足夠的預(yù)緊力，就是在較高的預(yù)緊力下使上壓 板與外殼成為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，上壓板的膜片與外殼采用電子束焊或激光焊對(duì)石英晶體圓片進(jìn)行密 封和保持預(yù)緊力。密封膜片必須具有柔軟的線性彈簧特性。對(duì)石英晶體圓片施加預(yù)緊力進(jìn)行裝配時(shí)應(yīng)作到：預(yù)緊力必須垂直于稱重傳感器表面；在石英晶體圓片上產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)盡量均勻分布；預(yù)緊元件的剛度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于稱重傳感器的剛度以保持較高的靈敏度。將石英晶體敏感元件與電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行比較，不難得出，電阻應(yīng)變計(jì)實(shí)際上是測(cè)量稱重傳感器彈性體上的應(yīng)變，而不是測(cè)量外力。在具體設(shè)計(jì)時(shí)必須使額定載荷下彈性體上產(chǎn)生的應(yīng)變大小適當(dāng)， 即1100口&左右。實(shí)際上電阻應(yīng)變計(jì)在彈性體上測(cè)量的是一個(gè)或幾個(gè)位置上的表面應(yīng)變值。 表面應(yīng)變是否代表彈性體每一種受載狀態(tài)下的平均應(yīng)變，取決于設(shè)計(jì)技術(shù)水平。應(yīng)變式稱重傳感器的固有 缺點(diǎn)在動(dòng)態(tài)稱重中受到較多限制：測(cè)量范圍小，對(duì)于 10的幾次方的測(cè)量范圍必須用多個(gè)不同量程的稱重傳感器進(jìn)行測(cè)量；量程與鑒別閾之比通常被限制在 50000以下；彈性體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；剛度偏小，固有頻率低；使用溫度范圍小，一般為-10c60C。相對(duì)壓電石英稱重傳感器唯一的優(yōu)點(diǎn)是 可以進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量和靜態(tài)稱重，特別是非常適用于精確稱重。與電阻應(yīng)變計(jì)不同，石英晶體敏感元件測(cè)量的是應(yīng)力，是它產(chǎn)生的電荷對(duì)于應(yīng)力的平均值，也 就是說(shuō)石英晶體具有把敏感元件（石英圓片）整個(gè)表面上的載荷進(jìn)行積分的能力。壓電石英稱重傳感器與應(yīng)變式稱重傳感器的最大區(qū)別是石英晶體沒有熱電效應(yīng)， 即使是溫度瞬變也不會(huì)引起信號(hào)漂移，而且靈敏度溫度系數(shù)非常小，約為 -0?02%C,因此不必采取特殊手段補(bǔ)償路面溫度的影響。而應(yīng)變式稱重傳感器則必須進(jìn)行零點(diǎn)和靈敏度溫度補(bǔ)償。墊圈式壓電石英稱重傳感器一般有額定量程為100、200、500kg,I、2、5、10、20、50、100t十種規(guī)格。靈敏度均為40pc/kg,固有頻率\40KHz線性度W1%FS絕緣電阻》10TQ,50t 的壓電石英稱重傳感器的重量只有 I00g。壓電石英稱重傳感器具有如下特點(diǎn)：量程范圍廣，測(cè)量范圍達(dá)10的幾次方，一個(gè)稱重傳感器即可完成全量程測(cè)量，頻率響應(yīng)范圍能在低至接近零周，高達(dá)十千周范圍內(nèi)工作；量程與鑒別閾之比可達(dá)100000000,—般比值超過1000000。靈敏度高，測(cè)量值可到上百噸載荷，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），是同尺寸應(yīng)變式稱重傳感器的8倍，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)；石英晶體的居里點(diǎn)高（573C），對(duì)溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；石英晶體具有較好的線性，在一般情況下無(wú)滯后，組裝成稱重傳感器其動(dòng)態(tài)測(cè)量的綜合誤差 優(yōu)于1%結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，高度低，重量輕，可用多個(gè)石英晶體片組裝大型稱重傳感器；用多分量稱重傳感器進(jìn)行稱重計(jì)量時(shí)，抗交叉干擾能力強(qiáng)，交叉干擾達(dá)到 800Hz時(shí)，測(cè)量誤差仍然低于10%交叉干擾到400Hz時(shí)，測(cè)量誤差小至2%以內(nèi)；使用溫度范圍廣，通常為-200C200C；在使用時(shí)不用事先調(diào)整平衡，操作方便。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。五、壓電石英稱重傳感器在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用石英晶體敏感元件及壓電石英稱重傳感器在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用主要有兩種方式。一種是利用多個(gè)墊圈式壓電石英稱重傳感器組裝成薄形電子輪重、軸重秤或條形稱重板。一種是利用多個(gè)石英晶體片和電極板直接安裝在特制的梁式承載器內(nèi)，形成專用的壓電石英稱重傳感器，將其埋在公路表面截面為50X50mm的長(zhǎng)槽內(nèi)，形成動(dòng)態(tài)公路車輛軸重秤。瑞士Kistler（奇石樂）公司研制的石英晶體動(dòng)態(tài)稱重傳感器就是這種應(yīng)用的典型代表。它的總體結(jié)構(gòu)如同1m長(zhǎng)的工字梁，所不同的是工字梁的腹板為圓形空心截面，實(shí)際上其空心是由平行于工字梁上下翼緣的兩個(gè)平面形成的矩形通孔，它的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7圖7梁式壓電石英稱重傳感器多個(gè)石英晶體片在梁式稱重傳感器內(nèi)的安裝及所施加的預(yù)緊力的大小，對(duì)稱重傳感器的性能影響較大，應(yīng)有嚴(yán)格的裝配要求和裝配工藝。裝配時(shí)首先沿梁式稱重傳感器的水平對(duì)稱軸，對(duì)圓形腹板施加水平力P,使腹板變形，矩形通孔高度增大。在梁長(zhǎng) 1m的范圍內(nèi)，先插入電極板，再每隔50mm插入一個(gè)石英晶體片。然后卸掉水平力 P,此時(shí)石英晶體片已被施加上預(yù)緊力，并得到了很好的保護(hù)和密封。利用稱重傳感器內(nèi)部的溝槽從中間引出低噪聲的同軸電纜，接入與其配套的動(dòng)態(tài) 稱重儀表就可實(shí)現(xiàn)公路車輛動(dòng)態(tài)稱重。壓電石英梁式稱重傳感器在應(yīng)用時(shí)必須埋在路面下，梁的上表面為載荷測(cè)量面，下表面安放在公路基礎(chǔ)上為支撐面。由于在高速公路上行駛的車輛，在路面上產(chǎn)生的水平力可能與垂直力的大小 相當(dāng)。為保證動(dòng)態(tài)稱量的準(zhǔn)確度，應(yīng)對(duì)梁式稱重傳感器與路面采取隔離措施，盡量消除或減少水平 力的影響,以獲得高質(zhì)量的信號(hào)脈沖形狀和可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。例如：在梁式稱重傳感器埋入地面 時(shí)，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個(gè)周邊，將稱重傳感器與水平力隔離，采用753石英沙和25淋氧樹脂混合物固定稱重傳感器本體等。由于壓電石英梁式稱重傳感器測(cè)量表面的寬度比車輛輪胎的印跡窄，重量信號(hào)必須沿車輪接觸長(zhǎng)度積分。因此，稱重傳感器的性能主要取決于積分時(shí)段內(nèi)信號(hào) 質(zhì)量的穩(wěn)定性和稱重傳感器與路面相互作用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為提高動(dòng)態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，一般都采用 排列多個(gè)稱重傳感器求動(dòng)態(tài)稱量平均值的方法。采用壓電石英稱重傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，應(yīng)特別注意以下兩個(gè)問題：電纜：在動(dòng)態(tài)稱重中，應(yīng)選擇低噪聲屏蔽電纜，芯線接稱重傳感器信號(hào)級(jí)，屏蔽套接外 殼,放大器要求，即屏蔽套應(yīng)有絕緣層；必須盡可能固定夾緊電纜，防止連接電纜產(chǎn)生噪聲；與稱重傳感器、電荷的連接接頭，電纜線之間的連接均需要清潔、干燥，電纜線的絕緣電阻應(yīng)等同稱重傳感器的放大器要求，即靜態(tài)校驗(yàn)時(shí)大于10】3◎，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)時(shí)大于109Q；稱重傳感器與電纜接好后，在接入電荷 放大器前，應(yīng)使插頭短路，將稱重傳感器內(nèi)的剩余電荷放掉后，再接入電荷放大器，否則會(huì)造成干 擾。瑞士Kistler(奇石樂)公司采用的是銅質(zhì)外殼，內(nèi)部充填鈣鈦壓電粉末的同軸電纜。干擾問題：在動(dòng)態(tài)稱重中，為了獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，人們很自然的選用準(zhǔn)確度高、穩(wěn) 定性好的動(dòng)態(tài)稱重傳感器和高精度的測(cè)量?jī)x表。這僅僅是一方面，而往往被忽視的是測(cè)試系統(tǒng)理論 和測(cè)試技術(shù)問題。事實(shí)上使用同樣的儀器設(shè)備，由于測(cè)試技術(shù)的完善與否，會(huì)得到截然不同的測(cè)試 結(jié)果，不僅僅是準(zhǔn)確度不同，而且還會(huì)給測(cè)試結(jié)果引入新的頻率分量。因此，在動(dòng)態(tài)稱重中應(yīng)特別 注意解決附加地電干擾問題?？傊?，在動(dòng)態(tài)稱重中，在保證各測(cè)量環(huán)節(jié)都正常工作的情況下，引起動(dòng)態(tài)稱重誤差的兩個(gè)主要 問題就是干擾和漂移，應(yīng)引起足夠重視。六、結(jié)語(yǔ)近年來(lái)，壓電石英稱重傳感器組成的動(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)，在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)、日本等國(guó)家的高速公路超載識(shí)別、橋梁超載報(bào)警、隧道保護(hù)和公路收費(fèi)中得到廣泛的應(yīng)用。 例如，美國(guó)密蘇里州(Missouri)的所有稱重站都使用以壓電石英稱重傳感器為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)公路車 輛稱重系統(tǒng)，為其提供這套系統(tǒng)的是美國(guó) Cardinal(卡甸諾)公司。該公司為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)稱重和車速、軸距、單雙輪胎識(shí)別等多參數(shù)測(cè)量，放棄了傳統(tǒng)的以應(yīng)變式稱重傳感器為基礎(chǔ)的 組秤方案，選擇了瑞士奇石樂公司的9195型壓電石英稱重傳感器組成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。這套動(dòng)態(tài)稱 重系統(tǒng)的各項(xiàng)功能特別是動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、工作的穩(wěn)定性和可靠性都達(dá)到了較高的 水平、經(jīng)