压电石英称重传感器及其在动态公路车辆称重系统中的应用.doc

1、压 电 石 英 称 重 传 感 器 及 其 在 动 态 公 路 车 辆 称 重 系 统 中 的 应 用一、概述尽管早在 1908 年 Pierre（皮埃尔 ） 和 Jacguse Curie（雅克卡 里） 就发现 了石英晶 体 的压电效 应， 但是用于 动 态力的测 量 还是 20 世纪 60 年代。 当时由苏 黎 世的瑞士 联 邦技术研 究 所研制出 压 电石 英 测力传感器，并利用它制成风洞天平，对空气动力进行测量。瑞士联邦工学院和德国 Aachen 大 学 分别利用石英晶体研制出刚性非常好的三分量测力传感器，用来测量机床的切削力。20 世纪 70 年代扩展了压电石英三分量测力系统，用来测

2、量六个分量和计算力作用点的座标； 军 事 工 程 部 门 用 于 测 量 火 箭 推 力 向 量 （ 力 的 大 小 、 方 向 和 位置 ） ； 汽 车 工 业 部 门 用 于 测 量 轮 胎 的附 着力；生物力学领域用于运动矫形术、整形和姿态控制。20 世纪 80 年代在汽车制造业中压电石英测力传感器用于测量汽车点火压力，汽车碰撞的冲击 力 。 利用二分量测力传感器同时测量汽车检测平台的垂直力和水平力 ， 将压电石英测力传感器 埋 在 路面下，测量汽车轮胎与路面之间的接触力。20 世纪 90 年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。在公路车辆轴载超载预判， 桥梁超载报警和轴载动态称

3、重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高， 动态范围 广 ， 灵敏 度高 的动态称 重 传感器和 动 态公路车 辆 称重系统 。 压电石英 晶 体敏感元 件 及其 组 装 的 压 电 石 英 称 重 传 感 器 就 具 备 上 述 特 点 。 瑞 士 Kistler（ 奇 石 乐 ） 公 司 开 发 出 可 以 埋 在 路 面 下 的 以 石 英 晶 体 为 敏 感 元 件 的 工 字 梁 型 动 态 称 重 传 感 器 ， 用 于 公 路 车 辆 轴 载 超 载 预 判 ， 桥 梁 超 载 报 警 ， 隧 道保护和车辆轴载计量 ， 取得了很好的应用效果 。 这种压电石英称

4、重传感器已在美国 、 英国 、 德国、 澳大利亚、 韩国、 日本 等许多国 家 广泛应用。 1993 年 7 月在苏黎世 的 瑞士联邦 技 术研究所， 根据欧洲研究项目“COTS323 道路动态称重 ”的要求，对压电石英称重传感器与另外 8 个商用称重传感 器 进 行 了 道 路 比 较 试 验 。 试 验 使 用 数 字 式 示 波 器 显 示 重 量 信 号 、 并 将 其 储 存 在 软 盘 上 ， 然 后 将 数 据 用计 算 机 进 行 离 线 分 析 。 除 了 车 辆 的 轴 重 和 毛 重 外 ， 车 速 、 轴 距 、 轮 距 和 单 双 轮 胎 等 均 可 确 定 。 在

5、2050km/h 速 度 下 ， 动 态 称 量 结 果 与 动 态 校 准 结 果 非 常 吻 合 ， 证 明 压 电 石 英 称 重 传 感 器 完 全 可 以 用于公路车辆轴重计量。二、石英晶体的压电效应石 英 晶 体 （ Quartz Crystal） 是 二 氧 化 硅 无 水 化合物，分子式为 Si02，是各向异性的材料，通 常用直角坐标轴来表征它的方向性 。 典型的石英 晶体外形和直角坐标轴如图 1 所示。Z 轴是石英 晶体的对 称 轴， 在垂 直 于 Z 轴的 平面上， 通 过相对 两 棱 的直线叫 X 轴， 由于石 英 晶体呈六 角 棱形， 因 此 有三个 X 轴 。 与 X

6、 轴和 Z 轴都垂直 的 是 Y 轴。 X 轴称为电 轴 ， Y 轴称为 中 性 轴 （ 或 机 械 轴 ） Z 轴 称 为 光 轴 。 通 常 所 说 的 X（或 Y） 切 割 ， 就 是 切 割 出 来 的 石 英 晶 体 片 的 两 个平面都与 X（ 或 Y） 轴 相 垂 直 。 X 切割的石英 晶体片如图 2 所示。图 1 石英晶体当石英晶体片沿 X 轴方向受一外力作用时， 内部产生 极 化， 在 垂 直 于 X 轴的两 个平面上 产 生 等量的正负电荷，这种现象称为纵向压电效应。 而在垂直于 Y 轴的平面上，沿着 Y 轴的方向施 加外力时， 在与 X 轴垂 直的平面 上 产生电荷，

7、这 种现象称 为 横向压电 效 应。 在 Y 切 割 （剪切型 切 割）石英晶体片中，当在垂直于 Y 轴的平面内， 沿 X 轴方向受外力作用时，在受力表面产生电 荷， 这种 现 象称为剪 切 效应。 石 英 晶体的压 电 效 应 是 由 于 在 外 力 作 用 下 石 英 晶 体 内 的 硅 原 子 和 氧原子的 位 置产生相 对 变形， 正 电 荷和负电 荷 的 重心互相 移 位所至， 产 生的电荷 由 覆盖在石 英 晶 体 表 面 的 电 极 板 进 行 收 集 、 传 输 。 力 值 的 计 量 就 是直接利 用 这三个压 电 效应， 制 成 单分量或 多 分 量测力与称重传感器。图 2

8、 X 切 割 的 石 英 晶 体 片三、压电石英称重传感器的工作原理压 电 石 英 称 重 传 感 器 是 利 用 石 英 晶 体 的 纵 向 压 电 效 应 将 重 量 信 号 转 换 成 电 信 号 的 装 置。现以一个 X 切割的石英晶体圆片为例， 计 算 它 的 电 荷 、 电 压 。 石 英 晶 体 圆 片 如 图 3 所示。设 石 英 晶 体 圆 片 直 径 为 d， 厚 度 为 t。 当 石英晶体圆片沿 X 轴方向受外力 Fx 作用时 ， 在 垂 直 于 Fx 的 平 面 上 产 生 电 荷 ， 而 且 其 外 力与 产生的电荷存在线性关系。Qx d11 Fx式中：Q x石英晶体

9、圆片垂直于 Fx 平面产生的电荷d11石 英 晶 体 的 纵 向 压 电 模 数 ， d11=2.31PC/N两个表面之间的电压 Ux 为：图 3 石 英 晶 体 圆 片 受 力 图（C）Ux=Qx/Cx=d11Fx/Cx （ V）式中：C x石英晶体圆片的电容量Cx= d2/4t （F）石英晶体的介电系数。将 X 切割的 石英晶体 片 加工成称 重 传感器壳 体 所需要的 外 形和尺寸 ， 按 要求连同 电 极板一起装 入 壳 体 内 ， 施 加 足 够 的 预 紧 力 后 ， 采 用 圆 膜 片 与 壳 体 焊 接 密 封 。 当 称 重 传 感 器 受 外 载 荷 作 用 时 ， 石 英

10、晶体圆片产生电荷 ， 由电极板收集传至信号输出插座 ， 再由低噪声的同轴电缆传输到电荷放 大 器（ 带 有 电 容 反 馈 的 运 算 放 大 器 ） ， 经 灵 敏 度 归 一 化 后 ， 按 比 例 的 转 换 成 电 压 输 出 。 或 放 大 器 为 重量 信号的模拟 数字转换提供必要的驱动 ， 并将此信号传输到计算机 ， 然后用专用的软件将其转 换 为 重 量 。为 了 减 小 电 荷 的 泄 漏 ， 放 大 器 的 输 入 端 要 有 很 高 的 绝 缘 电 阻 ， 通 常 要 求 大 于 10T 。 电 荷 放 大 器的 量 程 （ 与 转 换 系 数 有 关 ） 由 反 馈 电

11、 容 确 定 ， 通 常 称 为 量 程 电 容 。 通 过 测 得 的 电 压 值 ， 就 可 得 到所测载荷的大小。利 用 石 英 晶 体 制 造 称 重 传 感 器 时 ， 石 英 晶体片有并联和串联连接两种方法。并 联 连 接 ： 两 个 压 电 石 英 晶 体 片 按 极 化 方 向 相 反 粘 结 ， 负 电 荷 集 中 在 中 间 的 负 电 极 板 上 ， 正 电 荷 在 两 端 的 正 电 极 板 上 。 这 时 相当 于 两 个 电 容 器 并 联 ， 输 出 电 极 板 上 的 电 荷和电容量将增加一倍，如图 4 所示。 图 4 两 个 石 英 晶 体 片 并 联 示 意

12、 图如果有 n 个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加 n 倍，电荷灵敏度也增加 n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。 n 个石英晶体片并联所产生的电荷为：Qx=ndllFx （C）串 联 连 接 ： 两 个 石 英 晶 体 片 按 极 化 方 向 相 同 粘结 ， 于是在两个石英晶体片粘结处的中间电极 板上正负电荷相互抵消 ， 这时总电容量为单个石 英 晶 体 片 工 作 时 的 一 半 ， 电 压 都 增 大 一 倍 ， 而 总 电荷量则不变，如图 5 所示。若 n 个 石 英 晶 体 片 串 联 连 接 ， 由 于 输 出 电 压 增加 n 倍 ， 因 此 电 压

13、 灵 敏 度 也 增 加 n 倍 ， 而 电 荷灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。 由此可得出，多个石英晶体片并联连接时，输 出 电 荷 量 大 ， 电 荷 灵 敏 度 高 ； 串 联 连 接 时 ， 输 出电压大，电压灵敏度高。四、压电石英称重传感器的结构与特点图 5 两 个 石 英 晶 体 片 串 联 示 意 图单分量压电石英称重传感器的结构象一个承载垫圈 ， 由带底座的外壳 ， 两个 X 切割的石英晶体 圆片，夹在两个圆片之间的电极板，带有密封膜片的上压头和信号输出插座组成，如图 6 所示。1 石 英 晶 体 片 2. 电极板 3. 上压板 4. 外壳 5. 信号输出插座图 6 压 电

14、 石 英 称 重 传 感 器 结 构 图石英晶体 的 排列为以 其 晶轴 X 指向 电极板的 并 联连接， 使其 在外载荷 作 用下产生 的 电荷和灵敏 度 都 增 加 一 倍 。 在 装 配 时 ， 必 须 对 石 英 晶 体 圆 片 施 加 足 够 的 预 紧 力 ， 就 是 在 较 高 的 预 紧 力 下 使 上 压 板与外壳成为一个坚实的整体 ， 上压板的膜片与外壳采用电子束焊或激光焊对石英晶体圆片进 行 密 封和保持预紧力 。 密封膜片必须具有柔软的线性弹簧特性 。 对石英晶体圆片施加预紧力进行装 配 时应 作 到 ： 预 紧 力 必 须 垂 直 于 称 重 传 感 器 表 面 ；

15、在 石 英 晶 体 圆 片 上 产 生 的 应 力 应 尽 量 均 匀 分 布 ； 预 紧 元件的刚度应远远小于称重传感器的刚度以保持较高的灵敏度。将石英晶 体 敏感元件 与 电阻应变 计 进行比较 ， 不难得出 ， 电阻应变 计 实际上是 测 量称重传 感器 弹性体上的应变 ， 而不是测量外力 。 在具体设计时必须使额定载荷下弹性体上产生的应变大小适当， 即 1100 左右 。 实际上电阻应变计在弹性体上测量的是一个或几个位置上的表面应变值 。 表 面 应 变是否代 表 弹性体每 一 种受载状 态 下的平均 应 变， 取 决于 设计技术 水 平。 应 变式 称重传感 器 的固 有 缺点在动态

16、称重中受到较多限制：测量范围小，对于 10 的几次方的测量范围必须用多个不同量程的 称 重 传 感 器 进 行 测 量 ； 量 程 与 鉴 别 阈 之 比 通 常 被 限 制 在 50000 以 下 ； 弹 性 体 结 构 较 复 杂 ； 刚 度 偏 小 ， 固 有 频 率 低 ； 使 用 温 度 范 围 小 ， 一 般 为 -10 60 。 相 对 压 电 石 英 称 重 传 感 器 唯 一 的 优 点 是 可以进行绝对测量和静态称重，特别是非常适用于精确称重。与 电 阻 应 变 计 不 同 ， 石 英 晶 体 敏 感 元 件 测 量 的 是 应 力 ， 是 它 产 生 的 电 荷 对 于

17、应 力 的 平 均 值 ， 也 就是说石英晶体具有把敏感元件（石英圆片）整个表面上的载荷进行积分的能力。压电石英 称 重传感器 与 应变式称 重 传感器的 最 大区别是 石 英晶体没 有 热电效应， 即使是温 度瞬 变 也 不 会 引 起 信 号 漂 移 ， 而 且 灵 敏 度 温 度 系 数 非 常 小 ， 约 为 -0.02% ， 因 此 不 必 采 取 特 殊 手 段 补 偿 路面温度 的 影响。 而应 变式称重 传 感器则必 须 进行零点 和 灵敏度温 度 补偿。 垫圈 式压电石 英 称重 传 感器一般 有 额定量程为 100、 200、 500kg， l、 2、 5、 10、 20、

18、 50、 100t 十种规格。 灵 敏 度均为 40pc/kg， 固有频率 40KHz， 线性 度 1%FS， 绝缘电阻 10T ， 50t 的压电石英称重传感器的重量只有 l00g。 压电石英称重传感器具有如下特点：量程范围广，测量范围达 10 的几次方，一个称重传感器即可完成全量程测量，频率响应范 围能在低至接近零周，高达十千周范围内工作；量程与鉴别阈之比可达 100000000， 一 般 比 值 超 过 1000000。灵敏度高，测量值可到上百吨 载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力； 刚度大，固有频率高（几十千赫以上 ） ，是同尺寸应变式称重传感器的 8 倍，动态响应快；时间老化率低，无

19、热释电现象，工作可靠性高，寿命长；石英晶 体 的居里点 高 （573） ， 对温度的 敏 感性低， 灵 敏度变化 极 小，长期 稳 定性好； 石英晶体具有较好的线性 ， 在一般情况下无滞后 ， 组装成称重传感器其动态测量的综合误差 优于 1%；结构紧凑，体积小，高度低，重量轻，可用多个石英晶体片组装大型称重传感器； 用多分量称重传感器进行称重计量时 ， 抗交叉干扰能力强 ， 交叉干扰达到 800Hz 时 ， 测量误 差仍然低于 10%，交叉干扰到 400Hz 时，测量误差小至 2%以内；使用温度范围广，通常为-200200；在使用时不用事先调整平衡，操作方便。 唯一的缺点是不能在长时间内进行静

20、态测量。五、压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用石英晶体敏感元件及压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式 。 一种 是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮重 、 轴重秤或条形称重板 。 一种是利 用 多 个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器内 ， 形成专用的压电石英称重传感器 ， 将 其 埋 在公路表面截面为 5050mm 的 长 槽 内 ， 形 成 动 态 公 路 车 辆 轴 重 秤 。 瑞 士 Kistler（ 奇 石 乐 ） 公 司 研 制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。它的总体结构如同 1m 长的工字梁，所不 同的是工字

21、梁的腹板为圆形空心截面 ， 实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形 成 的 矩形通孔，它的结构如图 7 所示。图 7 梁 式 压 电 石 英 称 重 传 感 器多个石英晶体片在梁式称重传感器内的安装及所施加的预紧力的大小 ， 对称重传感器的性能影 响较 大 ， 应 有 严 格 的 装 配 要 求 和 装 配 工 艺 。 装 配 时 首 先 沿 梁 式 称 重 传 感 器 的 水 平 对 称 轴 ， 对 圆 形 腹 板施加水平力 P，使腹板变形，矩形通孔高度增大。在梁长 1m 的 范 围 内 ， 先 插 入 电 极 板 ， 再 每 隔 50mm 插入一个石英晶体片。然后卸掉水平力 P，

22、此时石英晶体片已被施加上预紧力，并得到了很 好的保护和密封 。 利用称重传感器内部的沟槽从中间引出低噪声的同轴电缆 ， 接入与其配套的 动 态 称重仪表就可实现公路车辆动态称重。压电石英梁式称重传感器在应用时必须埋在路面下 ， 梁的上表面为载荷测量面 ， 下表面安放在 公路基础上为支撑面 。 由于在高速公路上行驶的车辆 ， 在路面上产生的水平力可能与垂直力的 大 小 相 当 。为 保 证 动 态 称 量 的 准 确 度 ， 应 对 梁 式 称 重 传 感 器 与 路 面 采 取 隔 离 措 施 ， 尽 量 消 除 或 减 少 水 平 力 的 影 响 ，以 获 得 高 质 量 的 信 号 脉 冲

23、 形 状 和 可 重 复 的 测 量 结 果 。 例 如 ： 在 梁 式 称 重 传 感 器 埋 入 地 面 时 ， 采用窄条柔软泡沫围绕上部整个周边 ， 将称重传感器与水平力隔离 ， 采用 75%石英沙和 25%环氧树脂混合物固定称重传感器本体等 。 由于压电石英梁式称重传感器测量表面的宽度比车辆轮 胎 的 印迹 窄 ， 重 量 信 号 必 须 沿 车 轮 接 触 长 度 积 分 。 因 此 ， 称 重 传 感 器 的 性 能 主 要 取 决 于 积 分 时 段 内 信 号 质量的稳定性和称重传感器与路面相互作用的长期稳定性 。 为提高动态称重的准确度 ， 一般都 采 用 排列多个称重传感器

24、求动态称量平均值的方法。采用压电石英称重传感器进行动态称重时，应特别注意以下两个问题：（ 1）电缆：在动态称重中，应选择低噪声屏蔽电缆，芯线接称重传感器信号级，屏蔽套接外 壳 ，屏 蔽 套 应 有 绝 缘 层 ； 必 须 尽 可 能 固 定 夹 紧 电 缆 ， 防 止 连 接 电 缆 产 生 噪 声 ； 与 称 重 传 感 器 、 电 荷 放 大 器的 连 接 接 头 ， 电 缆 线 之 间 的 连 接 均 需 要 清 洁 、 干 燥 ， 电 缆 线 的 绝 缘 电 阻 应 等 同 称 重 传 感 器 的 要求，即静态校验时大于 1013，动态校验时大于 109；称重传感器与电缆接好后，在接入

25、电荷 放 大 器前 ， 应 使 插 头 短 路 ， 将 称 重 传 感 器 内 的 剩 余 电 荷 放 掉 后 ， 再 接 入 电 荷 放 大 器 ， 否 则 会 造 成 干 扰。瑞士Kistler（奇石乐）公司采用的是铜质外壳，内部充填钙钛压电粉末的同轴电缆。（ 2）干扰问题：在动态称重中，为了获取准确的测量结果，人们很自然的选用准确度高、稳 定性好的动态称重传感器和高精度的测量仪表 。 这仅仅是一方面 ， 而往往被忽视的是测试系统 理 论 和 测试 技 术 问 题 。 事 实 上 使 用 同 样 的 仪 器 设 备 ， 由 于 测 试 技 术 的 完 善 与 否 ， 会 得 到 截 然 不

26、 同 的 测 试 结 果 ，不 仅 仅 是 准 确 度 不 同 ， 而 且 还 会 给 测 试 结 果 引 入 新 的 频 率 分 量 。 因 此 ， 在 动 态 称 重 中 应 特 别 注意解决附加地电干扰问题。总 之 ， 在 动 态 称 重 中 ， 在 保 证 各 测 量 环 节 都 正 常 工 作 的 情 况 下 ， 引 起 动 态 称 重 误 差 的 两 个 主 要 问题就是干扰和漂移，应引起足够重视。六、结语近年来 ， 压电石英称重传感器组成的动态公路车辆称重系统 ， 在美国 、 英国 、 德国 、 澳大利亚、 韩国、日本等国家的高速公路超载识别、桥梁超载报警、隧道保护和公路收费中得

27、到广泛的应用。 例 如 ，美 国 密 苏 里 州 （ Missouri） 的 所 有 称 重 站 都 使 用 以 压 电 石 英 称 重 传 感 器 为 基 础 的 动 态 公 路 车 辆称重系统，为其提供这套系统的是美国 Cardinal（卡甸诺）公司。该公司为了实现快速、准确的 动 态 称重 和 车 速 、 轴 距 、 单 双 轮 胎 识 别 等 多 参 数 测 量 ， 放 弃 了 传 统 的 以 应 变 式 称 重 传 感 器 为 基 础 的 组秤方案，选择了瑞士奇石乐公司的 9195 型压电石英称重传感器组成动态称重系统。这套动态称 重系统的 各 项功能 特 别 是动态称 量 准确度

28、、 动 态响应速 度 、 工作 的稳 定性和可 靠 性都达到 了 较高 的 水平、经受了考验。在美国密苏里州的 19 个称重站工作了 3 年，只有一个压电石英称重传感器出 现故障 。美 国卡甸诺 公 司选择压 电 石英称重 传 感器的原 因 ， 正是 本文 所要总结 的 压电石英 称 重传 感 器具有的突出特点：（ 1） 测 量 比 较 准 确 且 参 数 多 ， 长 期 稳 定 性 好 ， 工 作 可 靠 性 高 ， 在 超 过 30 个 月 的 测 试 期 内 ， 灵 敏度变化在 2%以 内 ；（ 2）结构紧凑、坚固耐用，可承受路面上通常见到的磨损、压力、振动和冲击等，疲劳寿命 长，在环形

29、疲劳试验场模拟重载交通试验 10 年，没有任何损坏；（3）集成化、模块化设计，容易与所有道路宽度和路面形状匹配；（ 4）安装方便，费用低，无需建造大面积混凝土地基，只用一把混凝土锯在路面上锯开截面 为 5050mm 的沟槽，放进称重传感器并注入石英沙和环氧树脂混合物即可固定；（ 5）通过石英晶体片在称重传感器内有规律的分布和接线，不论车辆轮载施加在称重传感器 长度方向上的任何位置，都能产生均匀的信号输出，所有检测参数在数秒内即可完成。本文介绍的压电石英称重传感器 ， 美国 MSI 公司研制的共聚物压电薄膜轴称重传感器以 及 光钎 称重传感器 ， 制成的动态公路车辆称重系统其动态响应速度之快 ， 测量参数之多 ， 安装应用之方便， 是以传统的应变式称重传感器为基础的动态轮轴秤无法比拟的。利 用 这 类 动 态 称 重 传 感 器 与 车 辆 自 动 识 别 器 （ AVI） 、 车 辆 伴 侣 （ Trucking companies） 组 成 智 能高速公路管理系统 ， 完全可以满足需要采集各种信息的现代公路工程智能化管理的需要 。 我 国 有 能力的企业应在这方面加强研究增加投入 ， 开发出适合我国公路工程管理需要的产品 ， 为我国 公 路 工程管理智能化作出贡献。