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    杭州易測計量設備有限公司

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    石英晶體動態地磅的特點及應用

    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 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)

    001.jpg

    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 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。

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    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

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    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 0.75m兩種長度規格,可根據道路的寬度靈活組合。

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    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,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+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。

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    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。

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    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。

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