國內公路貨車計重收費動態稱重設備.目前大多 采用電阻應變傳感器的秤臺式或彎板式結構.受電阻應 變傳感器特性和實際使用的條件限制，這種設備在使用 壽命、稱量精度、后期維護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地磅的應 用，旨在探討公路動態稱重設備應用技術的新途徑。

石英晶體的壓電特性及應用

石英《Si02)是一種天然的壓電材料.當受外力作 用時.石英表面便會產生電荷.即壓電效應。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.經過長時間的培養（每公斤石英約需一 周）。使用光學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方向的力敏感.分別稱為縱 向效應.橫向效應和剪切效應：

?縱向效應，電荷產生在受載石英的表面（如圖1) ?橫向效應.電荷產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，電荷產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量時，根據應用場合的需 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.品質因素可達數百萬.耐老化性 能好，可長時間穩定可靠工作.99%以上的電子設備都 采用石英晶體振蕩器作為時間或頻率的基準.在民用.

工業、軍事和航天領域獲得了非常廣泛的應用。

石英晶體傳感器的結構及特點

?采用石英晶體傳感器的動態地磅構成原理

圖1為石英晶體動態地磅檢測部分的構成原理.其 中的核心部件石英晶體動態稱重傳感器（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。

石英晶體檢測元件將動態輪胎力轉換為電荷信號.經 電荷放大器轉換為模擬電壓.再通過>j/D轉換器將模擬信 號轉換為數字信號，最后通過嵌入式計算機及其專用軟件 得出稱量結果。其測量鏈信號形式和單位是：力（N)— 電荷（PC)—電壓《V)—數據一重量（kg>

?石英晶體WIM傳感器主要特點

1.全密封結構，防水、防砂、耐腐蝕.堅固耐用. 免維護；

石英晶體傳感器本身為全密封金屬結構.安裝時又 通過固化材料（環氧樹脂+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5).不會產生 積水和泥沙淤積.免除了使用過程中定期清理維護工作。 其內部沒有機械傳動及磨損，性能長期穩定.在路面完好 的情況下其使用壽命可達10年之久。

施工簡便、快捷.道路結構無損

石英晶體WIM傳感器采用整體封裝結構.有1m和

0.75m兩種長度規格，可根據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, 包括橋面。

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.道路結構無 損，一套檢測器的安裝只需一個工作曰，安裝省時.省工. 省費用.大大降低了占用車道的時間和對交通的影響。

幾乎不受環境溫度限制.工作特性長期穩定

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僅萬分之二（0.02%).無 需進行溫度補償.使用中無需因季節溫度變化重新標定。 采用石英晶體WIM傳感器的動態稱重系統在嚴寒和酷熱地 區同樣保持了長期穩定可靠的運行；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.膨脹系數以及 導熱性能方面與路面接近，不易結冰打滑。

適應性強，動態稱量精度離

動態稱量精度主要受兩方面因素影響：一是傳感器的 動態響應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.坡度對稱量結果的影響。

電阻應變或機械振弦的秤臺式汽車衡，均要求車輛以 妄5km/h的勻速狀態通過承載器（即秤臺），實際車輛的 速度往往超過規定值或并非接近勻速狀態.這是造成動態 稱量誤差的重要因素之一。

電阻應變傳感器依靠形變進行測量，相應時間為ms 級.而石英晶體傳感器是剛性結構，在載荷下不變形.同 時檢測器與承載器在結構上是一體的.避免了承載器慣量 和傳遞延遲.其響應時間為MS級.適應的速度范圍達到 200km/h。

由于采用縱向效應的石英晶體材料.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 起的動態稱貴誤差。換言之.在動態稱量精度要求相同的 情況下.石英晶體傳感器更能適應車輛的實際通行狀態： 同時.由于對橫向力不敏感.石英晶體動態汽車衡可以在 坡道.彎道和橋面直接安裝.無需對道路、收費廣場進行 改造。

線性好.動態量程范圍寬

石英晶體傳感器的動態量程范圍寬.單只

石英晶體傳感器的動態量程范圍寬.單只傳感器達 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.便于動態汽車衡 的計量標定。

工業級電荷放大器的結構原理

放大器輸入端通過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轉換為電壓信號.+放 大器按照工業級標準設計，防護等級為IP67.采用鑄鋁外 売封裝.具有電磁屏蔽作用.抗干擾能力強.環境溫度的 適應性強.長期工作性能穩定；根據通遒數不同有多種產 品規格，以配合不同數量傳感器構成測量系統；電荷放大 器具有極高的輸入阻抗（>10120).以減小對倍號的分 流.保證測量精度。

石英晶體傳感器動態汽車衡的應用

?國外應用概況

石英晶體傳感器的動態汽車衡在北美、歐洲.中東. 大洋洲和亞洲許多國家都廣泛應用，應用場合包括：預選 (Pre Select).超載檢測（Overload Detection,類似于我 國的??治超").橋梁限重保護（Bridge & Construction Protection)和統計（Statistics),其中大部分用于離速情 況下.低速應用的國家有英國和日本.英國的部分路橋按 照載貨車輛重量來征收通行稅.曰本高速法實施后對貨 車實行按重最收費.這與國內近年實施公路貨車計重收費 (weight-dependent toll)的應用情況十分相近。

?國內應用概況

近年來，石英晶體動態汽車衡在國內的應用主要ft 車輛超載超限檢測及公路貨車計重收費兩個方面。作為車 輛超載超限治理的高速預檢，其技術比較成熟.國內外有 很多應用實例：作為公路貨車計重收費設籥，其要求更為 復雜.中國與曰本基本同期開始研發.通過研制單位的技 術攻關與計量部門的嚴格測試.在2006年取得了國家計量 部門頒發的計量器具證書。同年，作為特殊車道（位于坡 道.彎道、橋面）的動態稱重設備.在四川省成渝離速及 繞城高速公路的部分收費站得以應用。計量部門多次周期 性檢定與不定期的核査結果表明，石英晶體動態汽車衡完 全滿足計量檢定規程（JJG 907-2006)中的動態稱童精 度要求，并顯現了性能穩定、重復稱量一致性好.運行速度范圍寬、道路及環境氣候適應性好等優勢。

?石英晶體傳感器動態汽車衡的應用特點

1.采用u部分輪載"式測量，無靜態稱量模式 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M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6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度， 任意時刻輪胎的重量都是由傳感器和路面共同承擔，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.這種方式測量的是動態輪胎力.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。

VMM Sensor Signal Outputs

 根據E131894的定義，動態稱重是"對運動中車輛測 最其動態輪胎力并估計車輛靜止時相應的輪胎負荷的過 程".也就是說動態稱重測量的是動態輪胎力，而非直接 測輪重.因此，部分輪載方式測量在結構原理上完全體現 了動態稱量的特征.更符合關于動態稱重的嚴格定義.是 真正意義上的動態稱重。

采用石英晶體傳感器、壓電聚合物傳感器和小型彎板 的動態汽車衡其承載面寬度小于輪跡長度，不具備靜態稱 量的模式及試驗條件.也沒有靜態稱量指標。

在動態汽車衡的檢定過程中.都是采用第三方的高精 度衡器確定參考車輛的標準質量.而不會采用被測對象作 為標準衡器，因此，動態汽車衡的靜態試驗和指標基本沒有實際意義。

可實現零公里稱量

零公里是指車輪運動到承載器停止、然后又繼續運動 的情況，從運動狀態上分析，車速是從一定值到零、又到 —定值的變化過程，這一過程車輪對傳感器始終存在相對 運動.即車輪一定會通過傳感器.傳感器可以檢測到動態 輪胎力。從傳感器輸出波形和處理過程分析，石英晶體動 態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，就可以恢復正常波形（如 圖3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，石英晶體動態地磅都可以實現稱 最。因此，石英晶體動態地磅沒有靜態稱最模式，但可 以實現零公里動態稱量。

提離速度檢測精度至關震要

根據石英晶體動態地磅的設計原理.車輛的速度值 是作為參變量參與運算.即速度檢測是否準確將影響動態 稱量的精度.特別對低速檢測楕度至關重要。國外多數應 用實例為高速情況下的動態稱量.國內作為公路貨車計重 收費的稱重設備使用時，其應用特征是偏重于低速情況下 的動態稱量。因此.計重收費的石英晶體動態衡中采用了 精密光電測速方式.進一步提高了0-30km/h范圍的速度 檢測精度，目前的速度檢測精度可爸0.3%.可適應的速 度范圍可達0. 3km/h-200km/h 0與之適用的計量檢定規程

按其結構原理，公路計重收費使用的石英晶體動態汽 車衡厲于"通過測量單獨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，如不存在 偏載誤差、無懦置零等，因此.國家現行的動態公路車輛 自動衡器檢定規程《JJG 907-2006}不能完全適用。目 前對于該類型設備的計量檢定工作，動態性能暫時參照現 有規程執行，有關部門正在研究制定與之適用的技術標準 和計量檢定規程。

結語

綜上所述.石英晶體動態地磅在綜合性價比方面已 經展現出一定的優勢.可為公路動態稱重設備技術提供新 的應用途徑。作為一項新技術的推廣應用，設備的技術性 能、結構、可靠性還需要不斷地完善和提高.這需要廣大 業內人士和用戶的寶貴意見。