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（lOOObar，400°C )熱壓容器內(nèi)，經(jīng)過長(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3)。

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)備都米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。 本文介紹石英晶體作為動(dòng)態(tài)稱重（WIM)傳感器在公路動(dòng)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(dòng)態(tài)地磅構(gòu)成原理 圖4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Lineas®石英晶體動(dòng)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(cè)量技術(shù)的發(fā)明者和領(lǐng)導(dǎo)者。

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A/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(zhǎng)度規(guī)格，可根據(jù)道路的寬度靈活組合。

照?qǐng)D7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(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8)，不會(huì)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(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 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)工作日，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一40°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)需對(duì)溫度進(jìn)行補(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，如北歐瑞典、北美 加拿大、中東卡塔爾等。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、 不易打滑。

★適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)稱量精度高

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，均要求車輛以較低速度 20km/h)勻速狀態(tài)通過承載器（即秤臺(tái)），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(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us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)稱量誤差，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。

3.工業(yè)級(jí)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(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(zhǎng)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(cè)量系統(tǒng)。電荷放大器具有極高 的輸入阻抗（>1012Q)，以減小對(duì)信號(hào)的分流，保證測(cè)量精度。

石英晶體傳感器動(dòng)態(tài)地磅的應(yīng)用

1.國(guó)外應(yīng)用概況

石英晶體傳感器的動(dòng)態(tài)地磅在北美、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,類似于我們的“治超”)、橋梁限重保護(hù)（Bridge &Construction Protection)和統(tǒng)計(jì)（Statistics),其中大部分用于高速情況。

低速應(yīng)用包括英國(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，日本高速法實(shí)施后對(duì)貨車實(shí)行按重量收費(fèi)，這與國(guó)內(nèi)近年實(shí)施公 路貨車計(jì)重收費(fèi)（weight-dependenttoll)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)地磅在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用主要是車輛超載超限檢 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)備， 其要求更為復(fù)雜，中國(guó)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(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，在四川省成渝高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查結(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(shì)。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(dòng)態(tài)地磅的應(yīng)用特點(diǎn)

▲采用“部分輪載”式測(cè)量

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”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9 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）均屬這種方式。

“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9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。

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)量其動(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(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)地磅

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)。

對(duì)于秤臺(tái)式與傳統(tǒng)彎板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)地磅，承載器寬度超過輪跡長(zhǎng) 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(dòng)態(tài)公路 車輛自動(dòng)衡器檢定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，動(dòng)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(jì)量器具”，但在動(dòng)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(huì)采用被測(cè)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)地磅不具備靜態(tài)稱量模式，當(dāng)作為計(jì)重 收費(fèi)設(shè)備使用時(shí)，用戶可能會(huì)產(chǎn)生疑問：收費(fèi)站車輛排隊(duì)是常事，一旦 車輛在承載器上停車是否會(huì)無(wú)法正常稱重？其結(jié)論是不會(huì)，這里必須正 確區(qū)分靜態(tài)稱量與零公里兩個(gè)不同的概念。

靜態(tài)稱量試驗(yàn)是檢定規(guī)程的一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，是根據(jù)秤臺(tái)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(tái)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(wú)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(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、又到一定值的變化過程，這一過程車輪對(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程分析，石英晶體 動(dòng)態(tài)地磅的工作原理是通過測(cè)量輪胎的壓力波形，對(duì)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(hào)波形呈現(xiàn) 出平頂，在信號(hào)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(jì)算出輪載。換言之，只要車輪通過傳 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)稱量。因此， 石英晶體動(dòng)態(tài)地磅沒有靜態(tài)稱量模式，但可以實(shí)現(xiàn)零公里動(dòng)態(tài)稱量。

▲提高速度檢測(cè)精度至關(guān)重要

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，換句話說(shuō)，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)精度至關(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 精密測(cè)速方式，進(jìn)一步提高了 0?30 km/h范圍的速度檢測(cè)精度，目前的 速度檢測(cè)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(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)地磅屬于“通 過測(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)需置零等，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。

在國(guó)內(nèi)，石英晶體動(dòng)態(tài)地磅已經(jīng)在四川、廣東省大規(guī)模應(yīng)用，同 時(shí)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(dòng)態(tài)衡表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，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(duì) 正常車輛通行的影響，深受業(yè)主部門的歡迎。

全球范圍來(lái)看，石英晶體也是汽車動(dòng)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(jì) 重收費(fèi)到治超、道路橋梁保護(hù)、統(tǒng)計(jì)等各方面應(yīng)用，隨著石英晶體動(dòng)態(tài) 衡的進(jìn)一步推廣普及，將加快中國(guó)的汽車衡產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，并促進(jìn)公 路部門裝備水平的提高。