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地磅的应 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（Si02)是一种天然的压电材料，当受外力作用时，石英表面 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（lOOObar，400°C )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)。
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%以上的电子设备都米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地磅构成原理 图4为石英晶体动态地磅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（Charge Amplifier), 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力（N)—电荷（pC)—电压（V)—数据一重量（Kg)
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lm 和0.75m两种长度规格，可根据道路的宽度灵活组合。
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。
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)，不会产生积水和泥沙淤积，免除了 使用过程中定期清理维护工作。其内部没有机械传 动及磨损，性能长期稳定，在路面完好的情况下其 使用寿命可达10年之久。
★施工简便、快捷，道路结构无损 无需在道路上开挖和浇铸基坑，也不需要任何排水工程，路面切浅 槽（宽7cm，深5cm)即可安装，道路结构无损，一套检测器的安装只需 一个工作日，安装省时、省工、省费用，大大降低了占用车道的时间和 对交通的影响。
★几乎不受环境温度限制，工作特性长期稳定。
石英晶体WIM传感器的工作温度范围是一40°C至+80°C，更重要的 是其温度系数仅万分之二（0.02%)，无需对温度进行补偿，使用中无需 因季节温度变化重新标定。采用石英晶体WIM传感器的动态称重系统 在严寒和酷热地区同样保持了长期稳定可靠的运行，如北欧瑞典、北美 加拿大、中东卡塔尔等。同时，石英晶体传感器承载面和浇筑用的固化 材料在摩擦系数、膨胀系数以及导热性能方面与路面接近，不易结冰、 不易打滑。
★适应性强，动态称量精度高
动态称量精度主要受两方面因素影响：一是传感器的动态响应时间 与承载器的惯量，两者决定了衡器适用的速度范围；二是衡器对横切力 的敏感程度，决定了衡器在车辆非匀速行驶或者道路弯度、坡度对称量 结果的影响。
电阻应变或机械振弦的秤台式汽车衡，均要求车辆以较低速度 20km/h)匀速状态通过承载器（即秤台），实际车辆的速度往往超过规 定值或并非接近匀速状态，这是造成动态称量误差的重要因素之一。
电阻应变传感器依靠形变进行测量，相应时间为ms级，而石英晶 体传感器是刚性结构，在载荷下不变形，同时检测器与承载器在结构上 是一体的，避免了承载器惯量和传递延迟，其响应时间为us级，适应 的速度范围达到200km/h。
由于采用纵向效应的石英晶体材料，传感器对横向力不敏感，可大 幅度减小非匀速、曲线、坡道及弯道行驶引起的动态称量误差，换言之， 在动态称量精度要求相同的情况下，石英晶体传感器更能适应车辆的实 际通行状态。同时，由于对横向力不敏感，石英晶体动态汽车衡可以在 坡道、弯道和桥面直接安装，无需对道路、收费广场进行改造。
★线性好，动态量程范围宽
石英晶体传感器的动态量程范围宽，单只传感器达150KN，可以完 成从轻型轿车到重型货车的称量，并且在整个量程范围具有非常完美的 输出线性，便于动态汽车衡的计量标定。
3.工业级电荷放大器的结构原理
电荷放大器作为石英晶体传感器的配套装置，如图8所示。
放大器输入端通过配套的高阻抗同轴电缆连接石英晶体传感器，将 传感器输出的电荷信号转换为电压信号。放大器按照工业级标准设计， 防护等级为IP67，采用铸铝外壳封装，具有电磁屏蔽作用，抗干扰能力 强、环境温度的适应性强、长期工作性能稳定。根据通道数不同有多种 产品规格，以配合不同数量传感器构成测量系统。电荷放大器具有极高 的输入阻抗（>1012Q)，以减小对信号的分流，保证测量精度。
石英晶体传感器动态地磅的应用
1.国外应用概况
石英晶体传感器的动态地磅在北美、欧洲、中东、大洋洲和亚洲 许多国家都广泛应用，应用场合包括：预选（Pre Select)、超载检测 (Overload Detection,类似于我们的“治超”)、桥梁限重保护（Bridge &Construction Protection)和统计（Statistics),其中大部分用于高速情况。
低速应用包括英国和日本，英国的部分路桥按照载货车辆重量来征收通 行税，日本高速法实施后对货车实行按重量收费，这与国内近年实施公 路货车计重收费（weight-dependenttoll)的应用情况十分相近。
国内应用概况
近年来，石英晶体动态地磅在国内的应用主要是车辆超载超限检 测及公路货车计重收费两个方面。作为车辆超载超限治理的高速预检其 技术比较成熟，国内外有很多应用实例；作为公路货车计重收费设备， 其要求更为复杂，中国与日本基本同期开始研发，通过研制单位的技术 攻关与计量部门的严格测试，在2006年取得了国家计量部门颁发的计 量器具证书。同年，作为特殊车道（位于坡道、弯道、桥面）的动态称 重设备，在四川省成渝高速及绕城高速公路的部分收费站得以应用。计 量部门多次周期性检定与不定期的核查结果表明，石英晶体动态汽车衡 完全满足计量检定规程（JJG 907-2006)中的动态称量精度要求，并显 现了性能稳定、重复称量一致性好、运行速度范围宽、道路及环境气候 适应性好等优势。在此基础上，该设备得到了更多用户的关注，在四川、 广东、河南、上海、安徽、辽宁、黑龙江、甘肃等地区进一步推广应用。
石英晶体传感器动态地磅的应用特点
▲采用“部分轮载”式测量
车轮载荷的测量有两种方式：“全部轮载”方式和“部分轮载”方 式。“全部轮载”方式是指承载面宽度大于轮迹长度（轮胎触地长度）， 在某一个时刻车轮的所有重量全部施加在承载器上，其输出波形如图9 右图，波形的峰值代表了车轮的载荷，也就是说这种方式测量的是车轮 的重量，称台式汽车衡和传统弯板（宽度500mm以上）均属这种方式。
“部分轮载”方式是指承载面宽度小于轮迹长度，任意时刻轮胎的 重量都是由传感器和路面共同承担，其输出波形如图9左图，波形的面 积（积分值）代表了车轮的载荷，这种方式测量的是动态轮胎力，石英 晶体WIM传感器、压电聚合物（PVDF)以及小型弯板（宽度200mm 左右）均是这种测量方式。
根据E131894的定义，动态称重是“对运动中车辆测量其动态轮胎 力并估计车辆静止时相应的轮胎负荷的过程”ithe process of measuring the dynamic tire forces of a moving vehicle and estimating the corresponding tire loads of the static
vehicl),也就是说动态称重测量的是动态轮胎力，而非直接测轮重，因此， 部分轮载方式测量在结构原理上完全体现了动态称量的特征，更符合关 于动态称重的严格定义，是真正意义上的动态称重。
采用石英晶体传感器、压电聚合物传感器和小型弯板的动态地磅
其承载面宽度小于轮迹长度，不具备静态称量的模式及试验条件，也没有静态称量指标。
对于秤台式与传统弯板结构的动态地磅，承载器宽度超过轮迹长 度，具备单轴静态称量的结构条件，可以参照静态衡方式进行静态试验 (如静态称量、载荷分布、偏载试验等），根据JJG907-2006《动态公路 车辆自动衡器检定规程》的有关规定，动态地磅进行静态试验的前提 是衡器具备静态称量模式、并且作为集成控制衡器使用，即“用于确定 参考车辆总质量，或静态参考单轴载荷的标准计量器具”，但在动态地磅的检定过程中，都是采用第三方的高精度衡器确定参考车辆的标准 质量，而不会采用被测对象作为标准衡器（即：必须以第三方、通常是大型 地磅为依据判断汽车衡是否准确，而不是把地磅切换到静态模式称取汽车的静态重量，再切换到动态模式看是否准确 筒而言之，衡器不能以自己为标准判断自己是否准确），因此，动态地磅的静态试验和指标基本没有实际意义。
▲可实现零公里称量
由于石英晶体传感器动态地磅不具备静态称量模式，当作为计重 收费设备使用时，用户可能会产生疑问：收费站车辆排队是常事，一旦 车辆在承载器上停车是否会无法正常称重？其结论是不会，这里必须正 确区分静态称量与零公里两个不同的概念。
静态称量试验是检定规程的一个专门术语，是根据秤台的结构和原 理，采用砝码“从零点开始向承载器上加实验负荷至最大秤量，然后从 最大秤量卸载至零”，以此检验称台的偏载和线性度等指标，石英晶体、 压电聚合物、小型弯板因承载面的宽度无法进行这样的试验，自然也就 没有静态称量指标。
零公里是指车轮运动到承载器停止、然后又继续运动的情况，从运 动状态上分析，车速是从一定值到零、又到一定值的变化过程，这一过程车轮对传感器始终存在相对运动，即车轮一定会通过传感器，传感器 可以检测到动态轮胎力。从传感器输出波形和处理过程分析，石英晶体 动态地磅的工作原理是通过测量轮胎的压力波形，对其积分得到面 积，再通过速度与面积的乘积得到重量，车辆在静止阶段信号波形呈现 出平顶，在信号处理过程只需要把平顶、即斜率为零的部分去掉，就可 以恢复正常波形（如图9左图）计算出轮载。换言之，只要车轮通过传 感器，无论其间是否停止，石英晶体动态地磅都可以实现称量。因此， 石英晶体动态地磅没有静态称量模式，但可以实现零公里动态称量。
▲提高速度检测精度至关重要
根据石英晶体动态地磅的设计原理，车辆的速度值是作为参变量 参与运算，换句话说，速度检测是否准确将影响动态称量的精度，特别 对低速检测精度至关重要。国外多数应用实例为高速情况下的动态称 量，国内作为公路货车计重收费的称重设备使用时，其应用特征是偏重 于低速情况下的动态称量。因此，计重收费的石英晶体动态衡中采用了 精密测速方式，进一步提高了 0?30 km/h范围的速度检测精度，目前的 速度检测精度可S0. 3%,可适应的速度范围可达0.3km/h?200km/h。
▲与之适用的计量检定规程
按其结构原理，公路计重收费使用的石英晶体动态地磅属于“通 过测量单独轮载荷来确定轴载荷的衡器”，并且具备某些与称台式地磅不同的性能特点，如不存在偏载误差、无需置零等，因此，国家现行 的动态公路车辆自动衡器检定规程（JJG 907-2006)不能完全适用。目 前对于该类型设备的计量检定工作，动态性能暂时参照现有规程执行， 有关部门正在研究制定与之适用的技术标准和计量检定规程。
在国内，石英晶体动态地磅已经在四川、广东省大规模应用，同 时甘肃、黑龙江、浙江、安徽、河南等地区也正在推广。与老式设备相 比，石英晶体动态衡表现出了明显的优势，尤其是开挖量小、施工快捷、 使用过程免维护等最大程度满足了公路部门的需求，减小了施工维护对 正常车辆通行的影响，深受业主部门的欢迎。
全球范围来看，石英晶体也是汽车动态衡中最先进的技术类型，以 其稳定、可靠、高精度、免维护的性能特点满足了从低速到高速、从计 重收费到治超、道路桥梁保护、统计等各方面应用，随着石英晶体动态 衡的进一步推广普及，将加快中国的汽车衡产业的产业升级，并促进公 路部门装备水平的提高。
