本文介紹了基于壓電效應(yīng)的石英稱重傳感器的原理以及石英汽車動(dòng)態(tài)衡的特點(diǎn)，尤其與應(yīng)變類稱重設(shè)備的區(qū)別，國(guó)內(nèi)外石英動(dòng)態(tài)汽車衡的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

一、概述

道路車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是將車輛稱重設(shè)備安裝在高速公路及等級(jí)公路上對(duì)行駛中的車輛進(jìn)行重量數(shù)據(jù)及其他基本數(shù)據(jù)如車輛數(shù)、車軸距、車種、交通量等信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳處理達(dá)到使用者預(yù)期目的。

動(dòng)態(tài)汽車衡是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵也是最主要的設(shè)備，按我國(guó)目前使用的情況，動(dòng)態(tài)汽車衡按測(cè)量方式分為兩類：一是對(duì)車輛軸 （或軸組） 重量進(jìn)行分別測(cè)量后進(jìn)行累加得到總車重量，代表產(chǎn)品有軸重式、彎板式及石英等；二是直接對(duì)整車重量進(jìn)行測(cè)量。

目前我國(guó)使用的大部分計(jì)重設(shè)備都是以應(yīng)變式稱重傳感器進(jìn)行重量信號(hào)轉(zhuǎn)換，其原理是將電阻應(yīng)變片貼附于彈性體，受力時(shí)彈性體發(fā)生正比于力值的變形，帶動(dòng)應(yīng)變片形變、從而改變應(yīng)變片電阻值，再通過(guò)惠斯頓電橋輸出正比于力值的微弱的電壓信號(hào) （mV 級(jí)） 再送至儀表放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC） 等，經(jīng)微處理器 （MCU） 顯示或送出稱量結(jié)果。由于其響應(yīng)時(shí)間 （ms 級(jí)），溫度漂移，受氣候季節(jié)性影響，安裝工程量以及后期維護(hù)保養(yǎng)等原因，在技術(shù)要求越來(lái)越高的現(xiàn)在，應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用受到一定的局限。

石英動(dòng)態(tài)衡原理較為特殊，了解的人也相對(duì)一些，為此，就其原理、應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，我們進(jìn)行了專門的調(diào)查、了解，匯總成此文，供同行們參考。

二、測(cè)量原理

石英傳感器是利用石英的壓電效應(yīng)原理對(duì)重量信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

壓電效應(yīng)是由法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·居里 （Pierre Curie，鐳的發(fā)現(xiàn)者、諾貝爾獎(jiǎng)得主瑪麗·居里的丈夫） 在 1880 年發(fā)現(xiàn)的，簡(jiǎn)單原理如下：

自然界的物質(zhì)都是由原子組成，帶正電荷的原子核周圍分布著帶負(fù)電荷的電子，正負(fù)電荷總數(shù)相同，在均衡狀態(tài)下對(duì)外顯示為中性。某些物質(zhì) （即“壓電材料”） 在受到外力時(shí)，正負(fù)電荷不再均勻分布，而是在某個(gè)表面負(fù)電荷相對(duì)集中、某個(gè)表面正電荷相對(duì)集中，宏觀來(lái)看就是受壓后在不同表面“產(chǎn)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(duì)其進(jìn)行計(jì)量，直至 1955 年，瑞士奇石樂(lè)公司的創(chuàng)始人 Kistler 先生利用電子管運(yùn)算放大器 （OperationAmplifier，經(jīng)過(guò)貝爾實(shí)驗(yàn)室、荷蘭 N.V.Philips 公司等幾代人的努力，其實(shí)踐和理論在上世紀(jì) 30 年 ~50 年代逐步形成）發(fā)明了電荷放大器 （CA，即 ChargeAmplifier），將電荷量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，首次實(shí)現(xiàn)常規(guī)的儀表和器件對(duì)電荷的度量和處理，由此開(kāi)創(chuàng)了壓電測(cè)量領(lǐng)域。電荷放大器如圖 4 所示。

時(shí)至今日，壓電測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航天航空、汽車、機(jī)械加工等領(lǐng)域，其測(cè)量鏈基本一致，都是：力 / 壓力 / 壓強(qiáng)→電荷→對(duì)應(yīng)電壓→后續(xù)處理（模擬或數(shù)字化）壓電材料 （即具有壓電效應(yīng)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(yōu)異的是石英，尤其溫度穩(wěn)定性、老化性能、壽命方面，因此在高精度測(cè)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(zhǎng)條形的金屬結(jié)構(gòu)體中，密封后經(jīng)過(guò)高阻低噪聲電纜引出，如圖 5 所示。

石英動(dòng)態(tài)衡構(gòu)成包括：石英稱重傳感器、電荷放大器、數(shù)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(dāng)車輛碾壓過(guò)傳感器時(shí)，產(chǎn)生與輪負(fù)荷對(duì)應(yīng)的電荷信號(hào)，電荷信號(hào)送至電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再送至儀表經(jīng)過(guò) ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由處理器按照數(shù)學(xué)模型計(jì)算出相應(yīng)的輪重、軸重、整車重。布局及系統(tǒng)構(gòu)成如圖 6 所示。

三、在計(jì)重設(shè)備應(yīng)用中的特點(diǎn)

由于測(cè)量原理完全不同，與應(yīng)變?cè)淼某优_(tái)、相比，石英稱重傳感器及由此構(gòu)成的石英動(dòng)態(tài)衡也具有一些明顯的特點(diǎn)。

首先是響應(yīng)快，石英稱重傳感器基于壓電原理，測(cè)量過(guò)程不依賴形變、也不需要彈性體，整個(gè)傳感器為完全的剛性結(jié)構(gòu)，響應(yīng)時(shí)間為 μS 級(jí)（應(yīng)變?yōu)?ms），因此應(yīng)用中沒(méi)有因?yàn)樗俣雀?/span>、低帶來(lái)的影響和誤差，可以滿足高速的稱重測(cè)量需要。同時(shí)，由于其剛性結(jié)構(gòu)，避免了反復(fù)變形帶來(lái)的疲勞、老化乃至失效的問(wèn)題，石英稱重傳感器具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命—上世紀(jì) 90 年代安裝的石英動(dòng)態(tài)衡迄今為止依然運(yùn)行正常、并且保持著相同的性能。

還有一個(gè)特點(diǎn)是石英動(dòng)態(tài)衡獨(dú)有的，依靠石英晶片的精密光學(xué)取向 （晶軸） 和傳感器的力學(xué)設(shè)計(jì)，石英稱重傳感器能做到只對(duì)垂直方向的力敏感，排除橫向力的影響，因此石英動(dòng)態(tài)衡是迄今為止唯一可以在坡道、彎道安裝、使用的動(dòng)態(tài)衡—坡道、彎道引起的橫切力是動(dòng)態(tài)衡重要誤差來(lái)源之一，因而相應(yīng)的規(guī)范 （如 JJG-907） 中均對(duì)計(jì)重車道有著嚴(yán)格的要求。

四、在動(dòng)態(tài)稱量中的應(yīng)用狀況

國(guó)外于 90 年代中期開(kāi)始投入批量商業(yè)運(yùn)用，主要是公路及高速公路的超載及預(yù)選 （也成為“合法性檢測(cè)”） 以及橋梁、隧道的保護(hù)，由于其長(zhǎng)期穩(wěn)定、長(zhǎng)壽，尤其是超越其它類型產(chǎn)品的速度范圍，逐步成為汽車動(dòng)態(tài)衡的主流，在北美、歐洲和日本都得到廣泛應(yīng)用。以日本為例，2003年左右開(kāi)始在高速公路試行動(dòng)態(tài)稱重并配合其 ETC 系統(tǒng)，曾經(jīng)也安裝了德國(guó)、加拿大的彎板產(chǎn)品，但經(jīng)過(guò)數(shù)年的運(yùn)行、比較，彎板在精度的穩(wěn)定性、壽命和維護(hù)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(dòng)態(tài)衡均為石英式。

國(guó)內(nèi)的應(yīng)用方向與國(guó)外有所不同，治超等高速應(yīng)用由于法律、制度以及投資方面的限制相對(duì)比例較小，大部分應(yīng)用集中在計(jì)重收費(fèi)方面。尤以廣東、四川兩省最為突出。

以廣東為例，2008 年、2009 年開(kāi)始實(shí)施計(jì)重收費(fèi)，選擇的產(chǎn)品包括彎板和石英兩種，石英所占比例僅 10%左右，但在應(yīng)用中，石英穩(wěn)定、長(zhǎng)壽、施工快捷、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng) （包括坡道、彎道、多雨） 的優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn)，在新增項(xiàng)目以及原有項(xiàng)目升級(jí)改造過(guò)程中選用石英的業(yè)主越來(lái)越多，截止目前的統(tǒng)計(jì)，廣東省已開(kāi)通的計(jì)重收費(fèi)車道 2200 余條，其中石英 1100 多條，占到 50%比例。

五、關(guān)于石英動(dòng)態(tài)衡的一些“流行”的傳言

無(wú)論計(jì)量系統(tǒng)還是交通系統(tǒng)，全面了解壓電測(cè)量的機(jī)會(huì)并不多，因此不理解甚至誤解在所難免。

最典型的一個(gè)流行的、但并不準(zhǔn)確的說(shuō)法是“石英動(dòng)態(tài)衡只適合高速，不適合計(jì)重收費(fèi)”，如果僅就看到的現(xiàn)象而言，也許不錯(cuò)，直到近期國(guó)外才開(kāi)始少量的計(jì)重收費(fèi)方面的探討，而且由于法律制度方面的原因，在此之前國(guó)外根本沒(méi)有這種應(yīng)用、甚至連這個(gè)概念也不存在，因此在國(guó)外能夠看到的只有高速應(yīng)用—合法性檢測(cè) / 超載 / 預(yù)選 / 橋隧保護(hù)。持這種觀點(diǎn)的人可能還有一個(gè)理由“壓電測(cè)量是會(huì)逐步泄露的，無(wú)法永久保持，因?yàn)闊o(wú)法用于收費(fèi)站車輛走走停停的情況”。嚴(yán)格意義上，壓電測(cè)量的確不能像應(yīng)變那樣用于純粹的靜態(tài)測(cè)量，但技術(shù)的進(jìn)步，包括傳感器、電纜的絕緣性能的提高、電荷放大器的改進(jìn)，壓電測(cè)量早已能夠勝任、并且早已實(shí)際應(yīng)用在各種準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試中，包括人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)、假肢研發(fā)等領(lǐng)域。以計(jì)重收費(fèi)而言，僅以目前常規(guī)的裝置、器件水平 （當(dāng)然是合格產(chǎn)品），已經(jīng)完全能做到車輪靜止不動(dòng)的情況下，10 分鐘乃至更長(zhǎng)的時(shí)間，電荷衰減等效的重量值不超過(guò) 5kg，即分度值的十分之一，這還僅僅是常規(guī)的、沒(méi)有優(yōu)化的器件，如果專門為此優(yōu)化，衰減可以進(jìn)一步呈數(shù)量級(jí)減小。

還有一種說(shuō)法是“石英動(dòng)態(tài)衡的稱量精度不好”或者“比秤臺(tái)、彎板差一些”，如果在實(shí)驗(yàn)室采用靜態(tài)方式，僅僅測(cè)試傳感器本身，應(yīng)變傳感器確實(shí)可以獲得比壓電傳感器更高的精度等級(jí)，但動(dòng)態(tài)衡整機(jī)、作為一個(gè)系統(tǒng)，其誤差來(lái)源是多方面的，并且主要誤差來(lái)源也不盡相同—比如應(yīng)變類設(shè)備主要是來(lái)自于響應(yīng)速度、橫切力、不水平、限位裝置松動(dòng)等，而石英主要來(lái)源于路面不平坦。事實(shí)上，單排石英動(dòng)態(tài)衡 （進(jìn)口傳感器）和軸重秤臺(tái)、彎板在多年的實(shí)際運(yùn)行和計(jì)量檢定中，完全是相同的精度等級(jí)，而多排、高精度石英衡可以達(dá)到與整車式相同的精度，也就是說(shuō)：制造精良、算法合理的石英動(dòng)態(tài)衡是可以達(dá)到動(dòng)態(tài)衡的高精度等級(jí)。

因此，籠統(tǒng)地評(píng)價(jià)石英動(dòng)態(tài)衡“準(zhǔn)”或“不準(zhǔn)”完全沒(méi)有意義，不同的傳感器 （進(jìn)口 / 國(guó)產(chǎn)）、不同廠家的儀表、數(shù)學(xué)模型、不同的布局 （排數(shù)）間存在巨大的差別，正如稱臺(tái)、彎板不同廠家之間也可能相差甚遠(yuǎn)一樣。有一點(diǎn)是必須承認(rèn)同時(shí)也需要注意的，動(dòng)態(tài)衡由于其測(cè)量對(duì)象處于運(yùn)動(dòng)、變化過(guò)程，其誤差構(gòu)成中一部分是來(lái)源于外部，而不像靜態(tài)衡稱量過(guò)程中測(cè)量對(duì)象完全處于靜止（因而所有誤差都來(lái)源于系統(tǒng)誤差），因此在最終能夠達(dá)到的精度方面，動(dòng)態(tài)衡永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到靜態(tài)衡相同級(jí)別。

六、石英動(dòng)態(tài)汽車衡的不足

在前面特點(diǎn)中我們談及了石英動(dòng)態(tài)衡的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但每一種產(chǎn)品都有其長(zhǎng)處和短處，石英也不例外。石英動(dòng)態(tài)衡的主要不足有兩點(diǎn)：

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(shí)間傳感器都沒(méi)有承擔(dān)全部車輪負(fù)荷 （或者說(shuō)任意時(shí)刻車輪負(fù)荷都是由傳感器和路面共同承擔(dān)），因此其力學(xué)和數(shù)學(xué)模型的前提就是傳感器表面與路面平齊，這是一個(gè)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(jīng)

過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷不平滑分布，帶來(lái)誤差，通常要求傳感器表面與鄰近路面高差不超過(guò) 2mm。保證、改進(jìn)措施包括嚴(yán)格執(zhí)行施工規(guī)范和發(fā)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(yīng)變式傳感器高。在壓電測(cè)量、壓電傳感器方面中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距遠(yuǎn)大于應(yīng)變領(lǐng)域。它涉及包括材料 （主要是石英培育和生長(zhǎng)技術(shù)）、精密機(jī)械、精密光學(xué) （晶軸測(cè)量和定位）、金屬材料和力學(xué)領(lǐng)域，需要多學(xué)科、上下游產(chǎn)業(yè)的配合，并非單個(gè)廠家能力可以全面解決的。其結(jié)果是，有能力制造石英動(dòng)態(tài)衡的廠商數(shù)量少于制造應(yīng)變類設(shè)備 （秤臺(tái)、彎板）的，其中能夠提供全面解決方案，真正滿足的動(dòng)態(tài)稱重需求、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的又只占其中一部分。

七、發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在常規(guī)的人工收費(fèi) （即 MT） 方式計(jì)重收費(fèi)應(yīng)用中，石英動(dòng)態(tài)衡將會(huì)與秤臺(tái) （軸重式單秤臺(tái)、雙秤臺(tái)、軸組秤以及整車式） 和彎板長(zhǎng)期共存。就計(jì)量性能而言，上述類別都有產(chǎn)品能夠滿足要求，而市場(chǎng)的需求或側(cè)重點(diǎn)呈多樣化，有的成本優(yōu)先、有的更注重通行效率、施工周期、有的要求不同的道路、環(huán)境適應(yīng)能力 （如多山地區(qū)或降雨頻繁地區(qū)），因而在不同的地區(qū)不同產(chǎn)品的占有率也不盡相同，會(huì)呈現(xiàn)某些區(qū)域特點(diǎn)。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(zhǎng)的交通流量的需求，因此 ETC （不停車自動(dòng)收費(fèi)），主線“自由流”收費(fèi)模式會(huì)在不斷地嘗試、改進(jìn)過(guò)程中日益普及。同時(shí)，傳統(tǒng)模式的超載、超限治理因?yàn)檎嫉?/span>、投資大，一直未能實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)的有效覆蓋，使得超載治理的效果大打折扣，多個(gè)省市地區(qū)的交通部門以及交通部已經(jīng)把“非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法 （即不設(shè)場(chǎng)站及低速、靜態(tài)復(fù)檢，直接用高速動(dòng)態(tài)稱重結(jié)果作為判斷、處理依據(jù)）”列入日程，某些省區(qū)已經(jīng)開(kāi)始部份實(shí)施。

無(wú)論是 ETC、主線“自由流”收費(fèi)模式的進(jìn)化，還是非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法，其共同的特征是其檢測(cè)對(duì)象、即車輛是處于正常行駛狀態(tài)，即幾十至上百 km/h 小時(shí)的速度，在這方面，由于應(yīng)變類設(shè)備的響應(yīng)速度限制，石英動(dòng)態(tài)衡具有先天的、原理上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

因此，我們預(yù)計(jì)，在常規(guī)人工方式計(jì)重收費(fèi)中，石英動(dòng)態(tài)衡會(huì)與其它設(shè)備共存，維持現(xiàn)有的占有率 （或微小波動(dòng)），在 ETC、“自由流”方式以及非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法中石英將占用主要份額，綜合低速、高速的全部動(dòng)態(tài)衡應(yīng)用中，石英總體占有率將呈上升趨勢(shì)。