提高石英式动态地磅准确度和稳定性的方法研究

介绍了石英晶体的压电效应，石英称重传感器的电荷电压计算，石英式动态地磅的工作原理、结构和特点。提出了提高石英式动态地磅的动态称重准确度和稳定性的方法。
0.引言
20世纪90年代末，随着公路车辆动态称重的迫切需求和石英称重传感器技术的发展，瑞士公司率先开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的动态称重传感器，用于公路车辆动态称重（WIM)。目前在美国、加拿大、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本、印度、中东地区等国家已得到广泛应用，主要用于计重收费、桥梁保护、交通流量调查、超载检测等。
在中国，以石英称重传感器为基础开发的石英式动态地磅因其开挖量小、适应范围广（速度、弯道、坡道、桥梁等）、稳定性和可靠性好、使用寿命长、无需排水、不生镑、免维护等特点，最近几年发展迅猛，已广泛应用于计重收费、桥梁保护、高速预检、非现场执法等领域。
广东省目前正在使用的石英式动态汽车衡近千套，车辆整车总重量的准确度等级为5级，为了节省成本，石英称重传感器采用单排交错布局，造成容易作弊。
为进一步提高石英式动态地磅的称重准确度、稳定性和防止作弊，须从石英式动态汽车衡的工作原理及其影响因素着手，从根本上提出实用可靠的方法。
1.石英式动态地磅的原理
石英式动态地磅主要由石英称重传感器、电荷放大器、称重仪表、车辆分离装置等组成。如图1 所示。

石英称重传感器埋设在称量区引道里，与车行方向垂直。
车轮碾压过石英称重传感器时，动态车轮力 (dynamic vehicle tyre force )施加于石英称重传感器表面和引道路面（由路面和传感器表面共同承担)，石英称重传感器产生与所承受的轮胎负荷（tyre load)呈正比的电荷。
石英称重传感器产生的电荷经过高阻抗低噪声电缆传送至电荷放大器，电荷放大器输出与电荷对应的电压（mV或V)，通过专用线缆发送给称重仪表。
电压信号经过称重仪表滤波、采样成为数字信号，再由微处理器根据既定的数学模型计算出轮、轴载荷，通过累加各轴载荷得到车辆总重量并显示。
信号处理的过程是:力—电荷—电压—数字 (经计算)—重量。
1.1石英晶体的压电效应
石英晶体的化学成分为SiO2，外形为六角棱形;通常我们称石英晶体的对称轴为Z轴或光轴、通过相对两棱且与Z轴垂直的轴线为X轴或电轴、与X轴和Z轴都垂直的轴线为Y轴或中性轴;X切割的石英晶体片（长方体、圆柱体等）是指切割出来的石英晶体片的两个大面积的平面都与X轴相垂直，如图2所示。

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，产生电荷。
如图3所示，当X切割的石英晶体片沿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；当X切割的石英晶体片沿Y轴或Z轴受一外力作用时，则不会在垂直于X轴的两个平面上产生电荷;这种现象被称为纵向压电效应。

1.2石英称重传感器的工作原理
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。
以一个X切割的石英晶体圆片为例，如图4所示，计算它的电荷值。

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：Qx为石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷；dll为石英晶体的纵向压电模数，dll - 2.31pC/N。
石英称重传感器将多个X切割的石英晶体圆片和电极板直接安装在一个特制的梁式承载器内，梁式承载器内的所有石英晶体圆片通过并联方式连接。如果将n个石英晶体圆片按并联方式连接，总输出电荷将增加n倍，电荷灵敏度也增加n倍。n 个石英晶体片并联所产生的电荷为:Qx = nduFx。
当称重传感器受外载荷作用时，石英晶体圆片产生电荷，由电极板收集传至信号输出插座，再由高阻抗低噪声的同轴电缆传输到电荷放大器。
石英称重传感器与其他类型的传感器相比较有以下优点：
量程范围广，结构紧凑、体积小、重量轻；
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），动态响应快；
时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长；
对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好；
在使用时不用事先调整平衡，操作方便。
石英称重传感器唯一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。
1.3电荷放大器的工作原理
石英称重传感器中全部石英晶体圆片产生的电荷量Qx非常微弱且输出阻抗Ra很高（为了减小电荷泄漏，通常要求大于500Gft)，需通过电荷放大器将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。
电荷放大器是一种带电容反馈的高输人阻抗、低噪声、低漂移宽带的精密运算放大器，它将电荷经灵敏度规一化后，按比例转换成电压输出（mV或 V)。
车辆通过石英称重传感器时，由于石英称重传感器测量表面的宽度比车辆轮胎的印迹窄，轮胎重量的计算须依据电荷信号沿车轮接触长度积分方式，即采用轮胎从开始压上传感器到完全通过传感器期间传感器产生的电荷变化的脉冲波形曲线积分方式。电荷放大器通过专用线缆发送给称重仪表的是脉冲波形的电压信号。
1.4称重仪表的工作原理
脉冲电压信号在称重仪表中经过滤波、采样转换成数字信号，再由称重仪表中的微处理器根据既定的数学模型和智能动态称重软件计算出轮、轴载荷，并通过累加各轴载荷得到车辆总重量。
2.提高石英式动态汽车衡准确度和稳定性的方法
2. 1影响动态称重的因素
任何一种动态地磅动态称量时，均可将动态地磅和被检测车辆的组合视作一个等效二阶振动系统，在各种客观因素的共同作用和影响下，很难达到诸如地磅类静态秤的称重精度和稳定性。
对于石英式动态汽车衡来说，这些客观因素中最主要的有下列四大因素：
1)石英称重传感器灵敏度一致性问题石英称重传感器的灵敏度一致性是指用同样大小的力施加在石英称重传感器不同位置时的测量结果误差。
Kistler的石英称重传感器的典型分布特性如图 5所示。

2）非匀速直线行驶问题
如货车在称重区域内加速或减速通过、S型行驶、斜进、跳称等。非匀速直线行驶将会导致地磅的采集信号不规范，进而导致数据失真、误差加大。
3）路面平整度与速度问题
称量区的引道路面是动态地磅不可分割的一部分。引道路面的平整度会直接影响到车辆经过时产生振动的大小，通常情况下，引道路面平整度越差、车辆行驶速度越大，所产生的垂直于引道路面的外力越大。
4）车况问题
车况越差车辆行驶时振动越大，也会导致采集信号不同程度的失真。
2.2解决方法：多排布局
石英式动态地磅的测量误差由系统误差、随机误差、粗大误差构成。系统误差的减少可通过轨迹检测传感器和智能算法来实现。随机误差和粗大误差的减少则通过多排布局，构成多个等精度的单次测量，系统通过多次测量求算术平均值来实现。
多排布局的石英式动态汽车衡的总体设计如图6所示。

2.2 1多排布局通过多次测量求算术平均值来提高准确度
以3排石英称重传感器的布局为例，如图7 所示。

原则上，系统可实现ad、bc、cf、de、af、be组成的 6个交错单排的单次称量，可视同为6次等精度的单次称量，理论上可以在单排的基础上将其均方根误差（标准偏差值)缩小6倍。
假设单次称量的随机误差为8，其均方根误差 ^(标准偏差）为：

2. 2多排布局可对异常信号筛选过滤
在多排布局的衡器系统中，多次称量中如发现有因诸如车辆异常行驶、外部干扰等因素产生的粗大误差，可先筛选滤除后再进行算术平均，从而提高测量准确度。
2.2.3调整多排布局的间距可消除振动导致的
误差

测量数据％实际上还与车辆的振动有关，车辆振动频率大致与路面特征频率一致。采用单一正弦波建模，n排传感器所测重量平均值x可表述如下：式中:fk表示为第k排传感器的测试误差；小为一变量，以取代振动频率f、传统距离A和车速v的共同影响结果。

因此，测量数据随着标量距离以及传感器数量 n的变化而变化。多排布局时，根据车辆的振动频率范围和车辆运行速度范围，通过调整石英称重传感器的间距可减少因振动导致的误差。
广州根据多排布局的石英式动态汽车衡设计原理，采用Kistler石英称重传感器，生产的车辆整车总重量的准确度等级为2级的石英式动态汽车衡(如表1所示），通过了国家自动衡器型式评价实验室(山东）进行的型式评价，是国内第一家取得最高准确度等级石英式动态汽车衡型式批准证书和生产许可证的厂家。

3.结束语
本文从石英式动态地磅的原理、石英晶体的压电效应着手，阐述了提高石英式动态地磅计量精度、稳定性和可靠性的方法，即采用多排传感器布局和智能动态称重系统，其优点如下：可减小因石英称重传感器自身灵敏度一致性导致的误差；可减小因被测车辆行驶状态的不同导致的误差；可减小因车型、路况、车况的影响导致的称量误差。
通过实验表明，该系统软硬件运行良好，车重结果数据可靠，完全达到实际应用要求。

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