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（lOOObar，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3)。

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%以上的電子設備都米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。 本文介紹石英晶體作為動態稱重（WIM)傳感器在公路動態稱重設備中 的應用。

石英晶體傳感器的結構及特點

1.采用石英晶體傳感器的動態地磅構成原理 圖4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Lineas®石英晶體動態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。該公司是全球知名的傳感器制 造商，是壓電測量技術的發明者和領導者。

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A/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力（N)—電荷（pC)—電壓（V)—數據一重量（Kg)

石英晶體WIM傳感器的結構特點

圖5為石英晶體WIM傳感器結構和外觀，采用整體封裝結構，有lm 和0.75m兩種長度規格，可根據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：

★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8)，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 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 一個工作日，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一40°C至+80°C，更重要的 是其溫度系數僅萬分之二（0.02%)，無需對溫度進行補償，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，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、膨脹系數以及導熱性能方面與路面接近，不易結冰、 不易打滑。

★適應性強，動態稱量精度高

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，均要求車輛以較低速度 20km/h)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us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量誤差，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。

3.工業級電荷放大器的結構原理

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，采用鑄鋁外殼封裝，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。根據通道數不同有多種 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（>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地磅的應用

1.國外應用概況

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

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

國內應用概況

近年來，石英晶體動態地磅在國內的應用主要是車輛超載超限檢 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備， 其要求更為復雜，中國與日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，在四川省成渝高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查結果表明，石英晶體動態汽車衡 完全滿足計量檢定規程（JJG 907-2006)中的動態稱量精度要求，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。在此基礎上，該設備得到了更多用戶的關注，在四川、 廣東、河南、上海、安徽、遼寧、黑龍江、甘肅等地區進一步推廣應用。

石英晶體傳感器動態地磅的應用特點

▲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，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E131894的定義，動態稱重是“對運動中車輛測量其動態輪胎 力并估計車輛靜止時相應的輪胎負荷的過程”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地磅

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。

對于秤臺式與傳統彎板結構的動態地磅，承載器寬度超過輪跡長 度，具備單軸靜態稱量的結構條件，可以參照靜態衡方式進行靜態試驗 (如靜態稱量、載荷分布、偏載試驗等），根據JJG907-2006《動態公路 車輛自動衡器檢定規程》的有關規定，動態地磅進行靜態試驗的前提 是衡器具備靜態稱量模式、并且作為集成控制衡器使用，即“用于確定 參考車輛總質量，或靜態參考單軸載荷的標準計量器具”，但在動態地磅的檢定過程中，都是采用第三方的高精度衡器確定參考車輛的標準 質量，而不會采用被測對象作為標準衡器（即：必須以第三方、通常是大型 地磅為依據判斷汽車衡是否準確，而不是把地磅切換到靜態模式稱取汽車的靜態重量，再切換到動態模式看是否準確 筒而言之，衡器不能以自己為標準判斷自己是否準確），因此，動態地磅的靜態試驗和指標基本沒有實際意義。

▲可實現零公里稱量

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

靜態稱量試驗是檢定規程的一個專門術語，是根據秤臺的結構和原 理，采用砝碼“從零點開始向承載器上加實驗負荷至最大秤量，然后從 最大秤量卸載至零”，以此檢驗稱臺的偏載和線性度等指標，石英晶體、 壓電聚合物、小型彎板因承載面的寬度無法進行這樣的試驗，自然也就 沒有靜態稱量指標。

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，石英晶體動態地磅都可以實現稱量。因此， 石英晶體動態地磅沒有靜態稱量模式，但可以實現零公里動態稱量。

▲提高速度檢測精度至關重要

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，換句話說，速度檢測是否準確將影響動態稱量的精度，特別 對低速檢測精度至關重要。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 精密測速方式，進一步提高了 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%,可適應的速度范圍可達0.3km/h?200km/h。

▲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地磅屬于“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、無需置零等，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。

在國內，石英晶體動態地磅已經在四川、廣東省大規模應用，同 時甘肅、黑龍江、浙江、安徽、河南等地區也正在推廣。與老式設備相 比，石英晶體動態衡表現出了明顯的優勢，尤其是開挖量小、施工快捷、 使用過程免維護等最大程度滿足了公路部門的需求，減小了施工維護對 正常車輛通行的影響，深受業主部門的歡迎。

全球范圍來看，石英晶體也是汽車動態衡中最先進的技術類型，以 其穩定、可靠、高精度、免維護的性能特點滿足了從低速到高速、從計 重收費到治超、道路橋梁保護、統計等各方面應用，隨著石英晶體動態 衡的進一步推廣普及，將加快中國的汽車衡產業的產業升級，并促進公 路部門裝備水平的提高。