國內(nèi)公路貨車計重收費(fèi)動態(tài)稱重設(shè)備,，目前大多采用電 阻應(yīng)變傳感器的秤臺式或彎板式結(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,。本文通過介紹石英晶體傳感器及其動態(tài)地磅的應(yīng) 用,，旨在探討公路動態(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,，石英表面 便會產(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（lOOObar，400°C )熱壓容器內(nèi),，經(jīng)過長時間的培養(yǎng)（每公斤石英約 需一周）,。使用光學(xué)晶體測角儀可以測出晶體的方向，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3),。

石英晶體用于各種力的測量時，根據(jù)應(yīng)用場合的需要,，選擇不同切 割方向的石英晶體作為檢測元件,，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,，耐老化性能好，可長時間穩(wěn)定可靠工作,，99%以上的電子設(shè)備都米用石英晶體振蕩器作為時間或 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,。 本文介紹石英晶體作為動態(tài)稱重（WIM)傳感器在公路動態(tài)稱重設(shè)備中 的應(yīng)用,。

石英晶體傳感器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.采用石英晶體傳感器的動態(tài)地磅構(gòu)成原理 圖4為石英晶體動態(tài)地磅檢測部分的構(gòu)成原理，其中的核心部件Lineas®石英晶體動態(tài)稱重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),。該公司是全球知名的傳感器制 造商,，是壓電測量技術(shù)的發(fā)明者和領(lǐng)導(dǎo)者。

石英晶體檢測元件將動態(tài)輪胎力轉(zhuǎn)換為電荷信號,，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為模擬電壓,，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后通 過嵌入式計算機(jī)及其專用軟件得出稱量結(jié)果,。其測量鏈信號形式和單位力（N)—電荷（pC)—電壓（V)—數(shù)據(jù)一重量（Kg)

石英晶體WIM傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖5為石英晶體WIM傳感器結(jié)構(gòu)和外觀,，采用整體封裝結(jié)構(gòu)，有lm 和0.75m兩種長度規(guī)格,，可根據(jù)道路的寬度靈活組合,。

照圖7所示的截面安裝尺寸，在路面切割7cm寬的安裝槽,，開挖深度僅

5cm,可以在各種路面安裝,，包括橋面。

石英晶體WIM傳感器具有以下主要特點(diǎn)：

★全密封結(jié)構(gòu),，防水,、防砂、耐腐蝕,，堅固耐用,、免維護(hù) 石英晶體傳感器本身為全密封金屬結(jié)構(gòu)，安裝時又通過固化材料 (環(huán)氧樹脂+石英砂）與路面澆筑為一個整體,，傳感器與路面之間平整,、 無縫（見圖8)，不會產(chǎn)生積水和泥沙淤積,，免除了 使用過程中定期清理維護(hù)工作,。其內(nèi)部沒有機(jī)械傳 動及磨損，性能長期穩(wěn)定,，在路面完好的情況下其 使用壽命可達(dá)10年之久,。

★施工簡便、快捷,，道路結(jié)構(gòu)無損 無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)無損，一套檢測器的安裝只需 一個工作日，安裝省時,、省工,、省費(fèi)用，大大降低了占用車道的時間和 對交通的影響,。

★幾乎不受環(huán)境溫度限制,，工作特性長期穩(wěn)定,。

石英晶體WIM傳感器的工作溫度范圍是一40°C至+80°C,，更重要的 是其溫度系數(shù)僅萬分之二（0.02%)，無需對溫度進(jìn)行補(bǔ)償,，使用中無需 因季節(jié)溫度變化重新標(biāo)定,。采用石英晶體WIM傳感器的動態(tài)稱重系統(tǒng) 在嚴(yán)寒和酷熱地區(qū)同樣保持了長期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，如北歐瑞典,、北美 加拿大,、中東卡塔爾等。同時,，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,、 不易打滑,。

★適應(yīng)性強(qiáng)，動態(tài)稱量精度高

動態(tài)稱量精度主要受兩方面因素影響：一是傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間 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,、坡度對稱量 結(jié)果的影響,。

電阻應(yīng)變或機(jī)械振弦的秤臺式汽車衡，均要求車輛以較低速度 20km/h)勻速狀態(tài)通過承載器（即秤臺）,，實(shí)際車輛的速度往往超過規(guī) 定值或并非接近勻速狀態(tài),，這是造成動態(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)行測量,，相應(yīng)時間為ms級,，而石英晶 體傳感器是剛性結(jié)構(gòu)，在載荷下不變形,，同時檢測器與承載器在結(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)時間為us級,，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態(tài)稱量誤差，換言之,， 在動態(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,，由于對橫向力不敏感,，石英晶體動態(tài)汽車衡可以在 坡道、彎道和橋面直接安裝,，無需對道路,、收費(fèi)廣場進(jìn)行改造。

★線性好,，動態(tài)量程范圍寬

石英晶體傳感器的動態(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,，并且在整個量程范圍具有非常完美的 輸出線性,，便于動態(tài)汽車衡的計量標(biāo)定。

3.工業(yè)級電荷放大器的結(jié)構(gòu)原理

電荷放大器作為石英晶體傳感器的配套裝置,，如圖8所示,。

放大器輸入端通過配套的高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轉(zhuǎn)換為電壓信號,。放大器按照工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,， 防護(hù)等級為IP67，采用鑄鋁外殼封裝,，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),、長期工作性能穩(wěn)定,。根據(jù)通道數(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)成測量系統(tǒng),。電荷放大器具有極高 的輸入阻抗（>1012Q),，以減小對信號的分流，保證測量精度,。

石英晶體傳感器動態(tài)地磅的應(yīng)用

1.國外應(yīng)用概況

石英晶體傳感器的動態(tài)地磅在北美,、歐洲、中東,、大洋洲和亞洲 許多國家都廣泛應(yīng)用,，應(yīng)用場合包括：預(yù)選（Pre Select)、超載檢測 (Overload Detection,類似于我們的“治超”)、橋梁限重保護(hù)（Bridge &Construction Protection)和統(tǒng)計（Statistics),其中大部分用于高速情況,。

低速應(yīng)用包括英國和日本,，英國的部分路橋按照載貨車輛重量來征收通 行稅，日本高速法實(shí)施后對貨車實(shí)行按重量收費(fèi),，這與國內(nèi)近年實(shí)施公 路貨車計重收費(fèi)（weight-dependenttoll)的應(yīng)用情況十分相近,。

國內(nèi)應(yīng)用概況

近年來，石英晶體動態(tài)地磅在國內(nèi)的應(yīng)用主要是車輛超載超限檢 測及公路貨車計重收費(fèi)兩個方面,。作為車輛超載超限治理的高速預(yù)檢其 技術(shù)比較成熟,，國內(nèi)外有很多應(yīng)用實(shí)例；作為公路貨車計重收費(fèi)設(shè)備,， 其要求更為復(fù)雜,，中國與日本基本同期開始研發(fā),，通過研制單位的技術(shù) 攻關(guān)與計量部門的嚴(yán)格測試,，在2006年取得了國家計量部門頒發(fā)的計 量器具證書。同年,，作為特殊車道（位于坡道,、彎道、橋面）的動態(tài)稱 重設(shè)備,，在四川省成渝高速及繞城高速公路的部分收費(fèi)站得以應(yīng)用,。計 量部門多次周期性檢定與不定期的核查結(jié)果表明，石英晶體動態(tài)汽車衡 完全滿足計量檢定規(guī)程（JJG 907-2006)中的動態(tài)稱量精度要求,，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,。在此基礎(chǔ)上，該設(shè)備得到了更多用戶的關(guān)注,，在四川,、 廣東、河南,、上海,、安徽、遼寧,、黑龍江,、甘肅等地區(qū)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

石英晶體傳感器動態(tài)地磅的應(yīng)用特點(diǎn)

▲采用“部分輪載”式測量

車輪載荷的測量有兩種方式：“全部輪載”方式和“部分輪載”方 式,。“全部輪載”方式是指承載面寬度大于輪跡長度（輪胎觸地長度）,， 在某一個時刻車輪的所有重量全部施加在承載器上，其輸出波形如圖9 右圖，波形的峰值代表了車輪的載荷,，也就是說這種方式測量的是車輪 的重量,，稱臺式汽車衡和傳統(tǒng)彎板（寬度500mm以上）均屬這種方式。

“部分輪載”方式是指承載面寬度小于輪跡長度,，任意時刻輪胎的 重量都是由傳感器和路面共同承擔(dān),，其輸出波形如圖9左圖，波形的面 積（積分值）代表了車輪的載荷,，這種方式測量的是動態(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）均是這種測量方式,。

根據(jù)E131894的定義,，動態(tài)稱重是“對運(yùn)動中車輛測量其動態(tài)輪胎 力并估計車輛靜止時相應(yīng)的輪胎負(fù)荷的過程”ithe process of measuring the dynamic tire forces of a moving vehicle and estimating the corresponding tire loads of the static

vehicl),也就是說動態(tài)稱重測量的是動態(tài)輪胎力，而非直接測輪重,，因此,， 部分輪載方式測量在結(jié)構(gòu)原理上完全體現(xiàn)了動態(tài)稱量的特征，更符合關(guān) 于動態(tài)稱重的嚴(yán)格定義,，是真正意義上的動態(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態(tài)地磅

其承載面寬度小于輪跡長度,，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)。

對于秤臺式與傳統(tǒng)彎板結(jié)構(gòu)的動態(tài)地磅,，承載器寬度超過輪跡長 度,，具備單軸靜態(tài)稱量的結(jié)構(gòu)條件，可以參照靜態(tài)衡方式進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn) (如靜態(tài)稱量,、載荷分布,、偏載試驗(yàn)等），根據(jù)JJG907-2006《動態(tài)公路 車輛自動衡器檢定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定,，動態(tài)地磅進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)的前提 是衡器具備靜態(tài)稱量模式,、并且作為集成控制衡器使用，即“用于確定 參考車輛總質(zhì)量,，或靜態(tài)參考單軸載荷的標(biāo)準(zhǔn)計量器具”,，但在動態(tài)地磅的檢定過程中，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,，而不會采用被測對象作為標(biāo)準(zhǔn)衡器（即：必須以第三方,、通常是大型 地磅為依據(jù)判斷汽車衡是否準(zhǔn)確，而不是把地磅切換到靜態(tài)模式稱取汽車的靜態(tài)重量,，再切換到動態(tài)模式看是否準(zhǔn)確 筒而言之,，衡器不能以自己為標(biāo)準(zhǔn)判斷自己是否準(zhǔn)確）,，因此，動態(tài)地磅的靜態(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

由于石英晶體傳感器動態(tài)地磅不具備靜態(tài)稱量模式,，當(dāng)作為計重 收費(fèi)設(shè)備使用時，用戶可能會產(chǎn)生疑問：收費(fèi)站車輛排隊是常事,，一旦 車輛在承載器上停車是否會無法正常稱重,？其結(jié)論是不會，這里必須正 確區(qū)分靜態(tài)稱量與零公里兩個不同的概念,。

靜態(tài)稱量試驗(yàn)是檢定規(guī)程的一個專門術(shù)語,，是根據(jù)秤臺的結(jié)構(gòu)和原 理，采用砝碼“從零點(diǎn)開始向承載器上加實(shí)驗(yàn)負(fù)荷至最大秤量,，然后從 最大秤量卸載至零”,，以此檢驗(yàn)稱臺的偏載和線性度等指標(biāo)，石英晶體,、 壓電聚合物,、小型彎板因承載面的寬度無法進(jìn)行這樣的試驗(yàn)，自然也就 沒有靜態(tài)稱量指標(biāo),。

零公里是指車輪運(yùn)動到承載器停止,、然后又繼續(xù)運(yùn)動的情況,，從運(yùn) 動狀態(tài)上分析,，車速是從一定值到零、又到一定值的變化過程,，這一過程車輪對傳感器始終存在相對運(yùn)動,，即車輪一定會通過傳感器，傳感器 可以檢測到動態(tài)輪胎力,。從傳感器輸出波形和處理過程分析,，石英晶體 動態(tài)地磅的工作原理是通過測量輪胎的壓力波形，對其積分得到面 積,，再通過速度與面積的乘積得到重量,，車輛在靜止階段信號波形呈現(xiàn) 出平頂，在信號處理過程只需要把平頂,、即斜率為零的部分去掉,，就可 以恢復(fù)正常波形（如圖9左圖）計算出輪載。換言之,，只要車輪通過傳 感器,，無論其間是否停止，石英晶體動態(tài)地磅都可以實(shí)現(xiàn)稱量,。因此,， 石英晶體動態(tài)地磅沒有靜態(tài)稱量模式,，但可以實(shí)現(xiàn)零公里動態(tài)稱量。

▲提高速度檢測精度至關(guān)重要

根據(jù)石英晶體動態(tài)地磅的設(shè)計原理,，車輛的速度值是作為參變量 參與運(yùn)算,，換句話說，速度檢測是否準(zhǔn)確將影響動態(tài)稱量的精度,，特別 對低速檢測精度至關(guān)重要,。國外多數(shù)應(yīng)用實(shí)例為高速情況下的動態(tài)稱 量，國內(nèi)作為公路貨車計重收費(fèi)的稱重設(shè)備使用時,，其應(yīng)用特征是偏重 于低速情況下的動態(tài)稱量,。因此，計重收費(fèi)的石英晶體動態(tài)衡中采用了 精密測速方式,，進(jìn)一步提高了 0?30 km/h范圍的速度檢測精度,，目前的 速度檢測精度可S0. 3%,可適應(yīng)的速度范圍可達(dá)0.3km/h?200km/h。

▲與之適用的計量檢定規(guī)程

按其結(jié)構(gòu)原理,，公路計重收費(fèi)使用的石英晶體動態(tài)地磅屬于“通 過測量單獨(dú)輪載荷來確定軸載荷的衡器”,，并且具備某些與稱臺式地磅不同的性能特點(diǎn)，如不存在偏載誤差,、無需置零等,，因此，國家現(xiàn)行 的動態(tài)公路車輛自動衡器檢定規(guī)程（JJG 907-2006)不能完全適用,。目 前對于該類型設(shè)備的計量檢定工作,，動態(tài)性能暫時參照現(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)和計量檢定規(guī)程,。

在國內(nèi),，石英晶體動態(tài)地磅已經(jīng)在四川、廣東省大規(guī)模應(yīng)用,，同 時甘肅,、黑龍江、浙江,、安徽,、河南等地區(qū)也正在推廣。與老式設(shè)備相 比,，石英晶體動態(tài)衡表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢,，尤其是開挖量小、施工快捷,、 使用過程免維護(hù)等最大程度滿足了公路部門的需求,，減小了施工維護(hù)對 正常車輛通行的影響，深受業(yè)主部門的歡迎,。

全球范圍來看,，石英晶體也是汽車動態(tài)衡中最先進(jìn)的技術(shù)類型,，以 其穩(wěn)定、可靠,、高精度,、免維護(hù)的性能特點(diǎn)滿足了從低速到高速、從計 重收費(fèi)到治超,、道路橋梁保護(hù),、統(tǒng)計等各方面應(yīng)用，隨著石英晶體動態(tài) 衡的進(jìn)一步推廣普及,，將加快中國的汽車衡產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級,，并促進(jìn)公 路部門裝備水平的提高。