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石英晶体动态汽车衡的特点及应用 内容提要：国内公路货车计重收费动态称重设备，目前大多采用电 阻应变传感器的秤台式或弯板式结构，受电阻应变传感器特性和实际使 用的条件限制，这种设备在使用寿命、称量精度、后期维护等方面都存 在不同程度的问题。本文通过介绍石英晶体传感器及其动态汽车衡的应 用，旨在探讨公路动态称重设备应用技术的新途径。 石英晶体的压电特性及应用 石英 （SiO ）是一种天然的压电材料，当受外力作用时，石英表面 2 便会产生电荷，即压电效应。用于制造传感器的石英需要置于高温、高 压 （1000bar，400℃）热压容器内，经过长时间的培养 （每公斤石英约 需一周）。使用光学晶体测角仪可以测出晶体的方向，晶体有纵向、横 向和剪切向三种不同的切割方式，某一种切割方式的石英晶体只对相应 方向的力敏感，分别称为纵向效应、横向效应和剪切效应： ● 纵向效应，电荷产生在受载石英的表面 （如图1） ● 横向效应，电荷产生在与受载表面垂直的另两个未加载的表面 （如图2 ） ● 剪切效应，电荷产生在受剪切载荷的石英表面 （如图3 ） 图1 纵向效应 图2 横向效应 图3 剪切效应 石英晶体用于各种力的测量时，根据应用场合的需要，选择不同切 割方向的石英晶体作为检测元件，可以避免其它方向力的干扰。 石英晶体损耗小，品质因素可达数百万，耐老化性能好，可长时间 稳定可靠工作，99％以上的电子设备都采用石英晶体振荡器作为时间或 频率的基准，在民用、工业、军事和航天领域获得了非常广泛的应用。 本文介绍石英晶体作为动态称重 （WIM）传感器在公路动态称重设备中 的应用。 石英晶体传感器的结构及特点 1. 采用石英晶体传感器的动态汽车衡构成原理 图4为石英晶体动态汽车衡检测部分的构成原理，其中的核心部件 Lineas®石英晶体动态称重传感器与电荷放大器 （ChargeAmplifier）， 由瑞士Kistler （奇石乐）公司配套生产。该公司是全球知名的传感器制 造商，是压电测量技术的发明者和领导者。 石英晶体 电荷 A/D 嵌入式 传感器 放大器 转换器 计算机 图4 石英晶体动态汽车衡检测部分的构成原理 石英晶体检测元件将动态轮胎力转换为电荷信号，经电荷放大器转 换为模拟电压，再通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通 过嵌入式计算机及其专用软件得出称量结果。其测量链信号形式和单位 是： 力 （N）→电荷 （pC）→电压 （V）→数据→重量 （Kg） 2. 石英晶体WIM传感器的结构特点 图5为石英晶体WIM传感器结构和外观，采用整体封装结构，有1m 和0.75m两种长度规格，可根据道路的宽度灵活组合。 承载垫 (可被研磨) 合金铝质型材 石英敏感元件 弹性材料 a) 内部结构 b) 外形封装 图5 石英晶体压电检测器件 石英晶体WIM传感器在水泥和沥青混凝土两种路面均可埋设 （图6 ），依 照图7所示的截面安装尺寸，在路面切割7cm宽的安装槽，开挖深度仅 5cm，可以在各种路面安装，包括桥面。 图6 埋设于路表的传感器 图7 传感器安装断面尺寸 石英晶体WIM传感器具有以下主要特点： ★全密封结构，防水、防砂、耐腐蚀，坚固耐用、免维护 石英晶体传感器本身为全密封金属结构，安装时又通过固化材料 （环氧树脂＋石英砂）与路面浇筑为一个整体，传感器与路面之间平整、 无缝 （见图8）