本文介紹了基于壓電效應的石英稱重傳感器的原理以及石英汽車動態衡的特點，尤其與應變類稱重設備的區別，國內外石英動態汽車衡的應用現狀，以及未來的發展趨勢。

一、概述

道路車輛動態稱重系統是將車輛稱重設備安裝在高速公路及等級公路上對行駛中的車輛進行重量數據及其他基本數據如車輛數、車軸距、車種、交通量等信息進行采集，實現數據上傳處理達到使用者預期目的。

動態汽車衡是整個系統中最關鍵也是最主要的設備，按我國目前使用的情況，動態汽車衡按測量方式分為兩類：一是對車輛軸 （或軸組） 重量進行分別測量后進行累加得到總車重量，代表產品有軸重式、彎板式及石英等；二是直接對整車重量進行測量。

目前我國使用的大部分計重設備都是以應變式稱重傳感器進行重量信號轉換，其原理是將電阻應變片貼附于彈性體，受力時彈性體發生正比于力值的變形，帶動應變片形變、從而改變應變片電阻值，再通過惠斯頓電橋輸出正比于力值的微弱的電壓信號 （mV 級） 再送至儀表放大器、模數轉換 （ADC） 等，經微處理器 （MCU） 顯示或送出稱量結果。由于其響應時間 （ms 級），溫度漂移，受氣候季節性影響，安裝工程量以及后期維護保養等原因，在技術要求越來越高的現在，應變式稱重傳感器的應用受到一定的局限。

石英動態衡原理較為特殊，了解的人也相對一些，為此，就其原理、應用現狀以及發展趨勢，我們進行了專門的調查、了解，匯總成此文，供同行們參考。

二、測量原理

石英傳感器是利用石英的壓電效應原理對重量信號進行測量。

壓電效應是由法國科學家皮埃爾·居里 （Pierre Curie，鐳的發現者、諾貝爾獎得主瑪麗·居里的丈夫） 在 1880 年發現的，簡單原理如下：

自然界的物質都是由原子組成，帶正電荷的原子核周圍分布著帶負電荷的電子，正負電荷總數相同，在均衡狀態下對外顯示為中性。某些物質 （即“壓電材料”） 在受到外力時，正負電荷不再均勻分布，而是在某個表面負電荷相對集中、某個表面正電荷相對集中，宏觀來看就是受壓后在不同表面“產生”了電荷，如圖 1、圖 2、圖 3 所示。

但電荷的收集、保持需要在很高的阻抗條件下，否則容易泄放，更難于對其進行計量，直至 1955 年，瑞士奇石樂公司的創始人 Kistler 先生利用電子管運算放大器 （OperationAmplifier，經過貝爾實驗室、荷蘭 N.V.Philips 公司等幾代人的努力，其實踐和理論在上世紀 30 年 ~50 年代逐步形成）發明了電荷放大器 （CA，即 ChargeAmplifier），將電荷量轉換為對應的電壓信號，首次實現常規的儀表和器件對電荷的度量和處理，由此開創了壓電測量領域。電荷放大器如圖 4 所示。

時至今日，壓電測量已經廣泛應用于軍事、航天航空、汽車、機械加工等領域，其測量鏈基本一致，都是：力 / 壓力 / 壓強→電荷→對應電壓→后續處理（模擬或數字化）壓電材料 （即具有壓電效應的材料） 有不同種類，有天然的、有人工極化的，主要有石英、

壓電陶瓷、壓電聚合物，其中性能最優異的是石英，尤其溫度穩定性、老化性能、壽命方面，因此在高精度測量中采用最多的是各種石英傳感器。

石英稱重傳感器是將若干石英晶片作為換能元件放置在長條形的金屬結構體中，密封后經過高阻低噪聲電纜引出，如圖 5 所示。

石英動態衡構成包括：石英稱重傳感器、電荷放大器、數采 / 控制器 （即“稱重儀表”） 以及車輛分離器。石英稱重傳感器垂直于車行方向 （2條或更多），當車輛碾壓過傳感器時，產生與輪負荷對應的電荷信號，電荷信號送至電荷放大器轉換為電壓信號，再送至儀表經過 ADC 轉換為數字信號，再由處理器按照數學模型計算出相應的輪重、軸重、整車重。布局及系統構成如圖 6 所示。

三、在計重設備應用中的特點

由于測量原理完全不同，與應變原理的秤臺、相比，石英稱重傳感器及由此構成的石英動態衡也具有一些明顯的特點。

首先是響應快，石英稱重傳感器基于壓電原理，測量過程不依賴形變、也不需要彈性體，整個傳感器為完全的剛性結構，響應時間為 μS 級（應變為 ms），因此應用中沒有因為速度高、低帶來的影響和誤差，可以滿足高速的稱重測量需要。同時，由于其剛性結構，避免了反復變形帶來的疲勞、老化乃至失效的問題，石英稱重傳感器具有良好的長期穩定性和壽命—上世紀 90 年代安裝的石英動態衡迄今為止依然運行正常、并且保持著相同的性能。

還有一個特點是石英動態衡獨有的，依靠石英晶片的精密光學取向 （晶軸） 和傳感器的力學設計，石英稱重傳感器能做到只對垂直方向的力敏感，排除橫向力的影響，因此石英動態衡是迄今為止唯一可以在坡道、彎道安裝、使用的動態衡—坡道、彎道引起的橫切力是動態衡重要誤差來源之一，因而相應的規范 （如 JJG-907） 中均對計重車道有著嚴格的要求。

四、在動態稱量中的應用狀況

國外于 90 年代中期開始投入批量商業運用，主要是公路及高速公路的超載及預選 （也成為“合法性檢測”） 以及橋梁、隧道的保護，由于其長期穩定、長壽，尤其是超越其它類型產品的速度范圍，逐步成為汽車動態衡的主流，在北美、歐洲和日本都得到廣泛應用。以日本為例，2003年左右開始在高速公路試行動態稱重并配合其 ETC 系統，曾經也安裝了德國、加拿大的彎板產品，但經過數年的運行、比較，彎板在精度的穩定性、壽命和維護量方面與石英相比差距明顯，因此全部被淘汰和替換，目前日本全境的汽車動態衡均為石英式。

國內的應用方向與國外有所不同，治超等高速應用由于法律、制度以及投資方面的限制相對比例較小，大部分應用集中在計重收費方面。尤以廣東、四川兩省最為突出。

以廣東為例，2008 年、2009 年開始實施計重收費，選擇的產品包括彎板和石英兩種，石英所占比例僅 10%左右，但在應用中，石英穩定、長壽、施工快捷、環境適應強 （包括坡道、彎道、多雨） 的優勢逐步體現，在新增項目以及原有項目升級改造過程中選用石英的業主越來越多，截止目前的統計，廣東省已開通的計重收費車道 2200 余條，其中石英 1100 多條，占到 50%比例。

五、關于石英動態衡的一些“流行”的傳言

無論計量系統還是交通系統，全面了解壓電測量的機會并不多，因此不理解甚至誤解在所難免。

最典型的一個流行的、但并不準確的說法是“石英動態衡只適合高速，不適合計重收費”，如果僅就看到的現象而言，也許不錯，直到近期國外才開始少量的計重收費方面的探討，而且由于法律制度方面的原因，在此之前國外根本沒有這種應用、甚至連這個概念也不存在，因此在國外能夠看到的只有高速應用—合法性檢測 / 超載 / 預選 / 橋隧保護。持這種觀點的人可能還有一個理由“壓電測量是會逐步泄露的，無法永久保持，因為無法用于收費站車輛走走停停的情況”。嚴格意義上，壓電測量的確不能像應變那樣用于純粹的靜態測量，但技術的進步，包括傳感器、電纜的絕緣性能的提高、電荷放大器的改進，壓電測量早已能夠勝任、并且早已實際應用在各種準靜態測試中，包括人體運動力學、假肢研發等領域。以計重收費而言，僅以目前常規的裝置、器件水平 （當然是合格產品），已經完全能做到車輪靜止不動的情況下，10 分鐘乃至更長的時間，電荷衰減等效的重量值不超過 5kg，即分度值的十分之一，這還僅僅是常規的、沒有優化的器件，如果專門為此優化，衰減可以進一步呈數量級減小。

還有一種說法是“石英動態衡的稱量精度不好”或者“比秤臺、彎板差一些”，如果在實驗室采用靜態方式，僅僅測試傳感器本身，應變傳感器確實可以獲得比壓電傳感器更高的精度等級，但動態衡整機、作為一個系統，其誤差來源是多方面的，并且主要誤差來源也不盡相同—比如應變類設備主要是來自于響應速度、橫切力、不水平、限位裝置松動等，而石英主要來源于路面不平坦。事實上，單排石英動態衡 （進口傳感器）和軸重秤臺、彎板在多年的實際運行和計量檢定中，完全是相同的精度等級，而多排、高精度石英衡可以達到與整車式相同的精度，也就是說：制造精良、算法合理的石英動態衡是可以達到動態衡的高精度等級。

因此，籠統地評價石英動態衡“準”或“不準”完全沒有意義，不同的傳感器 （進口 / 國產）、不同廠家的儀表、數學模型、不同的布局 （排數）間存在巨大的差別，正如稱臺、彎板不同廠家之間也可能相差甚遠一樣。有一點是必須承認同時也需要注意的，動態衡由于其測量對象處于運動、變化過程，其誤差構成中一部分是來源于外部，而不像靜態衡稱量過程中測量對象完全處于靜止（因而所有誤差都來源于系統誤差），因此在最終能夠達到的精度方面，動態衡永遠無法達到靜態衡相同級別。

六、石英動態汽車衡的不足

在前面特點中我們談及了石英動態衡的特點和優勢，但每一種產品都有其長處和短處，石英也不例外。石英動態衡的主要不足有兩點：

第一、由于石英稱重傳感器系窄條式，寬度僅幾十毫米，屬于部分承載方式，即任何時間傳感器都沒有承擔全部車輪負荷 （或者說任意時刻車輪負荷都是由傳感器和路面共同承擔），因此其力學和數學模型的前提就是傳感器表面與路面平齊，這是一個基本的必要條件，如果路面與傳感器表面由于磨損或施工不良存在高差，則車輪經

過時會產生負荷不平滑分布，帶來誤差，通常要求傳感器表面與鄰近路面高差不超過 2mm。保證、改進措施包括嚴格執行施工規范和發展硅酸鹽基的材料作為傳感器承載面、安裝膠料，使得傳感器表面與路面磨損同步。

第二、石英傳感器成本較應變式傳感器高。在壓電測量、壓電傳感器方面中國與發達國家的差距遠大于應變領域。它涉及包括材料 （主要是石英培育和生長技術）、精密機械、精密光學 （晶軸測量和定位）、金屬材料和力學領域，需要多學科、上下游產業的配合，并非單個廠家能力可以全面解決的。其結果是，有能力制造石英動態衡的廠商數量少于制造應變類設備 （秤臺、彎板）的，其中能夠提供全面解決方案，真正滿足的動態稱重需求、長期穩定運行的又只占其中一部分。

七、發展趨勢預測

在常規的人工收費 （即 MT） 方式計重收費應用中，石英動態衡將會與秤臺 （軸重式單秤臺、雙秤臺、軸組秤以及整車式） 和彎板長期共存。就計量性能而言，上述類別都有產品能夠滿足要求，而市場的需求或側重點呈多樣化，有的成本優先、有的更注重通行效率、施工周期、有的要求不同的道路、環境適應能力 （如多山地區或降雨頻繁地區），因而在不同的地區不同產品的占有率也不盡相同，會呈現某些區域特點。但 MT 方式從人力成本、人力資源以及車輛通行率方面已漸漸不能滿足日益增長的交通流量的需求，因此 ETC （不停車自動收費），主線“自由流”收費模式會在不斷地嘗試、改進過程中日益普及。同時，傳統模式的超載、超限治理因為占地、投資大，一直未能實現路網的有效覆蓋，使得超載治理的效果大打折扣，多個省市地區的交通部門以及交通部已經把“非現場執法 （即不設場站及低速、靜態復檢，直接用高速動態稱重結果作為判斷、處理依據）”列入日程，某些省區已經開始部份實施。

無論是 ETC、主線“自由流”收費模式的進化，還是非現場執法，其共同的特征是其檢測對象、即車輛是處于正常行駛狀態，即幾十至上百 km/h 小時的速度，在這方面，由于應變類設備的響應速度限制，石英動態衡具有先天的、原理上的絕對優勢。

因此，我們預計，在常規人工方式計重收費中，石英動態衡會與其它設備共存，維持現有的占有率 （或微小波動），在 ETC、“自由流”方式以及非現場執法中石英將占用主要份額，綜合低速、高速的全部動態衡應用中，石英總體占有率將呈上升趨勢。