國(guó)內(nèi)公路貨車計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備.目前大多 采用電阻應(yīng)變傳感器的秤臺(tái)式或彎板式結(jié)構(gòu).受電阻應(yīng) 變傳感器特性和實(shí)際使用的條件限制，這種設(shè)備在使用 壽命、稱量精度、后期維護(hù)等方面都存在不同程度的問 題。本文通過(guò)介紹石英晶體傳感器及其動(dòng)態(tài)地磅的應(yīng) 用，旨在探討公路動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備應(yīng)用技術(shù)的新途徑。

石英晶體的壓電特性及應(yīng)用

石英《Si02)是一種天然的壓電材料.當(dāng)受外力作 用時(shí).石英表面便會(huì)產(chǎn)生電荷.即壓電效應(yīng)。用于制造 傳感器的石英需要置于高溫.高壓（1000bar. 400°C ) 熱壓容器內(nèi).經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的培養(yǎng)（每公斤石英約需一 周）。使用光學(xué)晶體測(cè)角儀可以測(cè)出晶體的方向，晶體 有縱向、橫向和剪切向三種不同的切割方式，某一種切 割方式的石英晶體只對(duì)相應(yīng)方向的力敏感.分別稱為縱 向效應(yīng).橫向效應(yīng)和剪切效應(yīng)：

?縱向效應(yīng)，電荷產(chǎn)生在受載石英的表面（如圖1) ?橫向效應(yīng).電荷產(chǎn)生在與受載表面垂直的另兩個(gè) 未加載的表面（如圖2>

?剪切效應(yīng)，電荷產(chǎn)生在受剪切載荷的石英表面 (如圖31

石英晶體用于各種力的測(cè)量時(shí)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需 要.選擇不同切割方向的石英晶體作為檢測(cè)元件.可以 避免其它方向力的干擾。

石英晶體損耗小.品質(zhì)因素可達(dá)數(shù)百萬(wàn).耐老化性 能好，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠工作.99%以上的電子設(shè)備都 采用石英晶體振蕩器作為時(shí)間或頻率的基準(zhǔn).在民用.

工業(yè)、軍事和航天領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。

石英晶體傳感器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

?采用石英晶體傳感器的動(dòng)態(tài)地磅構(gòu)成原理

圖1為石英晶體動(dòng)態(tài)地磅檢測(cè)部分的構(gòu)成原理.其 中的核心部件石英晶體動(dòng)態(tài)稱重傳感器（WIM傳感器> 與電荷放大器（Charge Amplifier).由瑞士Kistler (奇石 樂）公司配套生產(chǎn)。

石英晶體檢測(cè)元件將動(dòng)態(tài)輪胎力轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào).經(jīng) 電荷放大器轉(zhuǎn)換為模擬電壓.再通過(guò)>j/D轉(zhuǎn)換器將模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)及其專用軟件 得出稱量結(jié)果。其測(cè)量鏈信號(hào)形式和單位是：力（N)— 電荷（PC)—電壓《V)—數(shù)據(jù)一重量（kg>

?石英晶體WIM傳感器主要特點(diǎn)

1.全密封結(jié)構(gòu)，防水、防砂、耐腐蝕.堅(jiān)固耐用. 免維護(hù)；

石英晶體傳感器本身為全密封金屬結(jié)構(gòu).安裝時(shí)又 通過(guò)固化材料（環(huán)氧樹脂+石英砂）與路面澆筑為一個(gè)整

體.傳感器與路面之間平整.無(wú)縫（見圖5).不會(huì)產(chǎn)生 積水和泥沙淤積.免除了使用過(guò)程中定期清理維護(hù)工作。 其內(nèi)部沒有機(jī)械傳動(dòng)及磨損，性能長(zhǎng)期穩(wěn)定.在路面完好 的情況下其使用壽命可達(dá)10年之久。

施工簡(jiǎn)便、快捷.道路結(jié)構(gòu)無(wú)損

石英晶體WIM傳感器采用整體封裝結(jié)構(gòu).有1m和

0.75m兩種長(zhǎng)度規(guī)格，可根據(jù)道路的寬度炅活組合。石英 晶體WIM傳感器在水泥和瀝靑混凝土兩種路面均可埋設(shè), 包括橋面。

無(wú)需在道路上開挖和澆鑄基坑，也不需要任何排水工 程，路面切淺槽（寬7cm,深5cm)即可安裝.道路結(jié)構(gòu)無(wú) 損，一套檢測(cè)器的安裝只需一個(gè)工作曰，安裝省時(shí).省工. 省費(fèi)用.大大降低了占用車道的時(shí)間和對(duì)交通的影響。

幾乎不受環(huán)境溫度限制.工作特性長(zhǎng)期穩(wěn)定

石英晶體WIM傳感器的工作溫度范圍是-40°C至+ 80°C.更重要的是其溫度系數(shù)僅萬(wàn)分之二（0.02%).無(wú) 需進(jìn)行溫度補(bǔ)償.使用中無(wú)需因季節(jié)溫度變化重新標(biāo)定。 采用石英晶體WIM傳感器的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在嚴(yán)寒和酷熱地 區(qū)同樣保持了長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行；同時(shí)，石英晶體傳感 器承載面和澆筑用的固化材料在摩擦系數(shù).膨脹系數(shù)以及 導(dǎo)熱性能方面與路面接近，不易結(jié)冰打滑。

適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)稱量精度離

動(dòng)態(tài)稱量精度主要受兩方面因素影響：一是傳感器的 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間與承載器的慣量，兩者決定了衡器適用的速 度范圍；二是衡器對(duì)橫切力的敏感程度.決定了衡器在車 輛非勻速行駛或者道路彎度.坡度對(duì)稱量結(jié)果的影響。

電阻應(yīng)變或機(jī)械振弦的秤臺(tái)式汽車衡，均要求車輛以 妄5km/h的勻速狀態(tài)通過(guò)承載器（即秤臺(tái)），實(shí)際車輛的 速度往往超過(guò)規(guī)定值或并非接近勻速狀態(tài).這是造成動(dòng)態(tài) 稱量誤差的重要因素之一。

電阻應(yīng)變傳感器依靠形變進(jìn)行測(cè)量，相應(yīng)時(shí)間為ms 級(jí).而石英晶體傳感器是剛性結(jié)構(gòu)，在載荷下不變形.同 時(shí)檢測(cè)器與承載器在結(jié)構(gòu)上是一體的.避免了承載器慣量 和傳遞延遲.其響應(yīng)時(shí)間為MS級(jí).適應(yīng)的速度范圍達(dá)到 200km/h。

由于采用縱向效應(yīng)的石英晶體材料.傳感器對(duì)橫向力 不敏感.可大幅度減小非勻速.曲線.坡道及彎道行駛引 起的動(dòng)態(tài)稱貴誤差。換言之.在動(dòng)態(tài)稱量精度要求相同的 情況下.石英晶體傳感器更能適應(yīng)車輛的實(shí)際通行狀態(tài)： 同時(shí).由于對(duì)橫向力不敏感.石英晶體動(dòng)態(tài)汽車衡可以在 坡道.彎道和橋面直接安裝.無(wú)需對(duì)道路、收費(fèi)廣場(chǎng)進(jìn)行 改造。

線性好.動(dòng)態(tài)量程范圍寬

石英晶體傳感器的動(dòng)態(tài)量程范圍寬.單只

石英晶體傳感器的動(dòng)態(tài)量程范圍寬.單只傳感器達(dá) 150KN.可以完成從輕型轎車到重型貨車的稱量，并且在 整個(gè)量程范圍具有非常完美的輸出線性.便于動(dòng)態(tài)汽車衡 的計(jì)量標(biāo)定。

工業(yè)級(jí)電荷放大器的結(jié)構(gòu)原理

放大器輸入端通過(guò)配套的髙阻抗同軸電纜連接石英晶 體傳感器.將傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào).+放 大器按照工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)為IP67.采用鑄鋁外 売封裝.具有電磁屏蔽作用.抗干擾能力強(qiáng).環(huán)境溫度的 適應(yīng)性強(qiáng).長(zhǎng)期工作性能穩(wěn)定；根據(jù)通遒數(shù)不同有多種產(chǎn) 品規(guī)格，以配合不同數(shù)量傳感器構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)；電荷放大 器具有極高的輸入阻抗（>10120).以減小對(duì)倍號(hào)的分 流.保證測(cè)量精度。

石英晶體傳感器動(dòng)態(tài)汽車衡的應(yīng)用

?國(guó)外應(yīng)用概況

石英晶體傳感器的動(dòng)態(tài)汽車衡在北美、歐洲.中東. 大洋洲和亞洲許多國(guó)家都廣泛應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)合包括：預(yù)選 (Pre Select).超載檢測(cè)（Overload Detection,類似于我 國(guó)的??治超").橋梁限重保護(hù)（Bridge & Construction Protection)和統(tǒng)計(jì)（Statistics),其中大部分用于離速情 況下.低速應(yīng)用的國(guó)家有英國(guó)和日本.英國(guó)的部分路橋按 照載貨車輛重量來(lái)征收通行稅.曰本高速法實(shí)施后對(duì)貨 車實(shí)行按重最收費(fèi).這與國(guó)內(nèi)近年實(shí)施公路貨車計(jì)重收費(fèi) (weight-dependent toll)的應(yīng)用情況十分相近。

?國(guó)內(nèi)應(yīng)用概況

近年來(lái)，石英晶體動(dòng)態(tài)汽車衡在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用主要ft 車輛超載超限檢測(cè)及公路貨車計(jì)重收費(fèi)兩個(gè)方面。作為車 輛超載超限治理的高速預(yù)檢，其技術(shù)比較成熟.國(guó)內(nèi)外有 很多應(yīng)用實(shí)例：作為公路貨車計(jì)重收費(fèi)設(shè)籥，其要求更為 復(fù)雜.中國(guó)與曰本基本同期開始研發(fā).通過(guò)研制單位的技 術(shù)攻關(guān)與計(jì)量部門的嚴(yán)格測(cè)試.在2006年取得了國(guó)家計(jì)量 部門頒發(fā)的計(jì)量器具證書。同年，作為特殊車道（位于坡 道.彎道、橋面）的動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備.在四川省成渝離速及 繞城高速公路的部分收費(fèi)站得以應(yīng)用。計(jì)量部門多次周期 性檢定與不定期的核査結(jié)果表明，石英晶體動(dòng)態(tài)汽車衡完 全滿足計(jì)量檢定規(guī)程（JJG 907-2006)中的動(dòng)態(tài)稱童精 度要求，并顯現(xiàn)了性能穩(wěn)定、重復(fù)稱量一致性好.運(yùn)行速度范圍寬、道路及環(huán)境氣候適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)。

?石英晶體傳感器動(dòng)態(tài)汽車衡的應(yīng)用特點(diǎn)

1.采用u部分輪載"式測(cè)量，無(wú)靜態(tài)稱量模式 車輪載荷的測(cè)量有兩種方式：”全部輪載"方式和 ”部分輪載’‘方式。"全部輪載M方式是指承載面寬度大 于輪跡長(zhǎng)度（輪胎觸地長(zhǎng)度），在某一個(gè)時(shí)刻車輪的所有 重量全部施加在承載器上，其輸出波形如圖6右圖.波形 的峰值代表了車輪的載荷，也就是說(shuō)這種方式測(cè)量的是車 輪的重量.稱臺(tái)式汽車衡和傳統(tǒng)彎板（寬度500mm以上） 均厲這種方式。

"部分輪載”方式是指承載面寬度小于輪跡長(zhǎng)度， 任意時(shí)刻輪胎的重量都是由傳感器和路面共同承擔(dān)，其輸 出波形如圖6左圖.波形的面積《積分值）代表了車輪的 載荷.這種方式測(cè)量的是動(dòng)態(tài)輪胎力.石英晶體WIM傳感 器.壓電聚合物（PVDF)以及小型彎板《寬度200mm左 右）均是這種測(cè)量方式。

VMM Sensor Signal Outputs

 根據(jù)E131894的定義，動(dòng)態(tài)稱重是"對(duì)運(yùn)動(dòng)中車輛測(cè) 最其動(dòng)態(tài)輪胎力并估計(jì)車輛靜止時(shí)相應(yīng)的輪胎負(fù)荷的過(guò) 程".也就是說(shuō)動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量的是動(dòng)態(tài)輪胎力，而非直接 測(cè)輪重.因此，部分輪載方式測(cè)量在結(jié)構(gòu)原理上完全體現(xiàn) 了動(dòng)態(tài)稱量的特征.更符合關(guān)于動(dòng)態(tài)稱重的嚴(yán)格定義.是 真正意義上的動(dòng)態(tài)稱重。

采用石英晶體傳感器、壓電聚合物傳感器和小型彎板 的動(dòng)態(tài)汽車衡其承載面寬度小于輪跡長(zhǎng)度，不具備靜態(tài)稱 量的模式及試驗(yàn)條件.也沒有靜態(tài)稱量指標(biāo)。

在動(dòng)態(tài)汽車衡的檢定過(guò)程中.都是采用第三方的高精 度衡器確定參考車輛的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量.而不會(huì)采用被測(cè)對(duì)象作 為標(biāo)準(zhǔn)衡器，因此，動(dòng)態(tài)汽車衡的靜態(tài)試驗(yàn)和指標(biāo)基本沒有實(shí)際意義。

可實(shí)現(xiàn)零公里稱量

零公里是指車輪運(yùn)動(dòng)到承載器停止、然后又繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 的情況，從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上分析，車速是從一定值到零、又到 —定值的變化過(guò)程，這一過(guò)程車輪對(duì)傳感器始終存在相對(duì) 運(yùn)動(dòng).即車輪一定會(huì)通過(guò)傳感器.傳感器可以檢測(cè)到動(dòng)態(tài) 輪胎力。從傳感器輸出波形和處理過(guò)程分析，石英晶體動(dòng) 態(tài)地磅的工作原理是通過(guò)測(cè)量輪胎的壓力波形.對(duì)其積 分得到面積.再通過(guò)速度與面積的乘積得到重量，車輛在 靜止階段信號(hào)波形呈現(xiàn)出平頂.在信號(hào)處理過(guò)程只需要把 平頂、即斜率為零的部分去掉，就可以恢復(fù)正常波形（如 圖3左圖）計(jì)算出輪載。換言之，只要車輪通過(guò)傳感器. 無(wú)論其間是否停止，石英晶體動(dòng)態(tài)地磅都可以實(shí)現(xiàn)稱 最。因此，石英晶體動(dòng)態(tài)地磅沒有靜態(tài)稱最模式，但可 以實(shí)現(xiàn)零公里動(dòng)態(tài)稱量。

提離速度檢測(cè)精度至關(guān)震要

根據(jù)石英晶體動(dòng)態(tài)地磅的設(shè)計(jì)原理.車輛的速度值 是作為參變量參與運(yùn)算.即速度檢測(cè)是否準(zhǔn)確將影響動(dòng)態(tài) 稱量的精度.特別對(duì)低速檢測(cè)楕度至關(guān)重要。國(guó)外多數(shù)應(yīng) 用實(shí)例為高速情況下的動(dòng)態(tài)稱量.國(guó)內(nèi)作為公路貨車計(jì)重 收費(fèi)的稱重設(shè)備使用時(shí)，其應(yīng)用特征是偏重于低速情況下 的動(dòng)態(tài)稱量。因此.計(jì)重收費(fèi)的石英晶體動(dòng)態(tài)衡中采用了 精密光電測(cè)速方式.進(jìn)一步提高了0-30km/h范圍的速度 檢測(cè)精度，目前的速度檢測(cè)精度可爸0.3%.可適應(yīng)的速 度范圍可達(dá)0. 3km/h-200km/h 0與之適用的計(jì)量檢定規(guī)程

按其結(jié)構(gòu)原理，公路計(jì)重收費(fèi)使用的石英晶體動(dòng)態(tài)汽 車衡厲于"通過(guò)測(cè)量單獨(dú)輪載荷來(lái)確定軸載荷的衡器'‘， 并且具備某些與稱臺(tái)式地磅不同的性能特點(diǎn)，如不存在 偏載誤差、無(wú)懦置零等，因此.國(guó)家現(xiàn)行的動(dòng)態(tài)公路車輛 自動(dòng)衡器檢定規(guī)程《JJG 907-2006}不能完全適用。目 前對(duì)于該類型設(shè)備的計(jì)量檢定工作，動(dòng)態(tài)性能暫時(shí)參照現(xiàn) 有規(guī)程執(zhí)行，有關(guān)部門正在研究制定與之適用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 和計(jì)量檢定規(guī)程。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述.石英晶體動(dòng)態(tài)地磅在綜合性價(jià)比方面已 經(jīng)展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì).可為公路動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備技術(shù)提供新 的應(yīng)用途徑。作為一項(xiàng)新技術(shù)的推廣應(yīng)用，設(shè)備的技術(shù)性 能、結(jié)構(gòu)、可靠性還需要不斷地完善和提高.這需要廣大 業(yè)內(nèi)人士和用戶的寶貴意見。