本文介紹了基于壓電效應(yīng)的石英稱重傳感器的原理以及石英汽車動態(tài)衡的特點，尤其與應(yīng)變類稱重設(shè)備的區(qū)別，國內(nèi)外石英動態(tài)汽車衡的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及未來的發(fā)展趨勢。

一、概述

道路車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)是將車輛稱重設(shè)備安裝在高速公路及等級公路上對行駛中的車輛進行重量數(shù)據(jù)及其他基本數(shù)據(jù)如車輛數(shù)、車軸距、車種、交通量等信息進行采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳處理達(dá)到使用者預(yù)期目的。

動態(tài)汽車衡是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵也是最主要的設(shè)備，按我國目前使用的情況，動態(tài)汽車衡按測量方式分為兩類：一是對車輛軸 （或軸組） 重量進行分別測量后進行累加得到總車重量，代表產(chǎn)品有軸重式、彎板式及石英等；二是直接對整車重量進行測量。

目前我國使用的大部分計重設(shè)備都是以應(yīng)變式稱重傳感器進行重量信號轉(zhuǎn)換，其原理是將電阻應(yīng)變片貼附于彈性體，受力時彈性體發(fā)生正比于力值的變形，帶動應(yīng)變片形變、從而改變應(yīng)變片電阻值，再通過惠斯頓電橋輸出正比于力值的微弱的電壓信號 （mV 級） 再送至儀表放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC） 等，經(jīng)微處理器 （MCU） 顯示或送出稱量結(jié)果。由于其響應(yīng)時間 （ms 級），溫度漂移，受氣候季節(jié)性影響，安裝工程量以及后期維護保養(yǎng)等原因，在技術(shù)要求越來越高的現(xiàn)在，應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用受到一定的局限。

石英動態(tài)衡原理較為特殊，了解的人也相對一些，為此，就其原理、應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，我們進行了專門的調(diào)查、了解，匯總成此文，供同行們參考。

二、測量原理

石英傳感器是利用石英的壓電效應(yīng)原理對重量信號進行測量。

壓電效應(yīng)是由法國科學(xué)家皮埃爾·居里 （Pierre Curie，鐳的發(fā)現(xiàn)者、諾貝爾獎得主瑪麗·居里的丈夫） 在 1880 年發(fā)現(xiàn)的，簡單原理如下：

自然界的物質(zhì)都是由原子組成，帶正電荷的原子核周圍分布著帶負(fù)電荷的電子，正負(fù)電荷總數(shù)相同，在均衡狀態(tài)下對外顯示為中性。某些物質(zhì) （即“壓電材料”） 在受到外力時，正負(fù)電荷不再均勻分布，而是在某個表面負(fù)電荷相對集中、某個表面正電荷相對集中，宏觀來看就是受壓后在不同表面“產(chǎn)生”了電荷，如圖 1、圖 2、圖 3 所示。

但電荷的收集、保持需要在很高的阻抗條件下，否則容易泄放，更難于對其進行計量，直至 1955 年，瑞士奇石樂公司的創(chuàng)始人 Kistler 先生利用電子管運算放大器 （OperationAmplifier，經(jīng)過貝爾實驗室、荷蘭 N.V.Philips 公司等幾代人的努力，其實踐和理論在上世紀(jì) 30 年 ~50 年代逐步形成）發(fā)明了電荷放大器 （CA，即 ChargeAmplifier），將電荷量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號，首次實現(xiàn)常規(guī)的儀表和器件對電荷的度量和處理，由此開創(chuàng)了壓電測量領(lǐng)域。電荷放大器如圖 4 所示。

時至今日，壓電測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航天航空、汽車、機械加工等領(lǐng)域，其測量鏈基本一致，都是：力 / 壓力 / 壓強→電荷→對應(yīng)電壓→后續(xù)處理（模擬或數(shù)字化）壓電材料 （即具有壓電效應(yīng)的材料） 有不同種類，有天然的、有人工極化的，主要有石英、

壓電陶瓷、壓電聚合物，其中性能最優(yōu)異的是石英，尤其溫度穩(wěn)定性、老化性能、壽命方面，因此在高精度測量中采用最多的是各種石英傳感器。

石英稱重傳感器是將若干石英晶片作為換能元件放置在長條形的金屬結(jié)構(gòu)體中，密封后經(jīng)過高阻低噪聲電纜引出，如圖 5 所示。

石英動態(tài)衡構(gòu)成包括：石英稱重傳感器、電荷放大器、數(shù)采 / 控制器 （即“稱重儀表”） 以及車輛分離器。石英稱重傳感器垂直于車行方向 （2條或更多），當(dāng)車輛碾壓過傳感器時，產(chǎn)生與輪負(fù)荷對應(yīng)的電荷信號，電荷信號送至電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，再送至儀表經(jīng)過 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由處理器按照數(shù)學(xué)模型計算出相應(yīng)的輪重、軸重、整車重。布局及系統(tǒng)構(gòu)成如圖 6 所示。

三、在計重設(shè)備應(yīng)用中的特點

由于測量原理完全不同，與應(yīng)變原理的秤臺、相比，石英稱重傳感器及由此構(gòu)成的石英動態(tài)衡也具有一些明顯的特點。

首先是響應(yīng)快，石英稱重傳感器基于壓電原理，測量過程不依賴形變、也不需要彈性體，整個傳感器為完全的剛性結(jié)構(gòu)，響應(yīng)時間為 μS 級（應(yīng)變?yōu)?ms），因此應(yīng)用中沒有因為速度高、低帶來的影響和誤差，可以滿足高速的稱重測量需要。同時，由于其剛性結(jié)構(gòu)，避免了反復(fù)變形帶來的疲勞、老化乃至失效的問題，石英稱重傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性和壽命—上世紀(jì) 90 年代安裝的石英動態(tài)衡迄今為止依然運行正常、并且保持著相同的性能。

還有一個特點是石英動態(tài)衡獨有的，依靠石英晶片的精密光學(xué)取向 （晶軸） 和傳感器的力學(xué)設(shè)計，石英稱重傳感器能做到只對垂直方向的力敏感，排除橫向力的影響，因此石英動態(tài)衡是迄今為止唯一可以在坡道、彎道安裝、使用的動態(tài)衡—坡道、彎道引起的橫切力是動態(tài)衡重要誤差來源之一，因而相應(yīng)的規(guī)范 （如 JJG-907） 中均對計重車道有著嚴(yán)格的要求。

四、在動態(tài)稱量中的應(yīng)用狀況

國外于 90 年代中期開始投入批量商業(yè)運用，主要是公路及高速公路的超載及預(yù)選 （也成為“合法性檢測”） 以及橋梁、隧道的保護，由于其長期穩(wěn)定、長壽，尤其是超越其它類型產(chǎn)品的速度范圍，逐步成為汽車動態(tài)衡的主流，在北美、歐洲和日本都得到廣泛應(yīng)用。以日本為例，2003年左右開始在高速公路試行動態(tài)稱重并配合其 ETC 系統(tǒng)，曾經(jīng)也安裝了德國、加拿大的彎板產(chǎn)品，但經(jīng)過數(shù)年的運行、比較，彎板在精度的穩(wěn)定性、壽命和維護量方面與石英相比差距明顯，因此全部被淘汰和替換，目前日本全境的汽車動態(tài)衡均為石英式。

國內(nèi)的應(yīng)用方向與國外有所不同，治超等高速應(yīng)用由于法律、制度以及投資方面的限制相對比例較小，大部分應(yīng)用集中在計重收費方面。尤以廣東、四川兩省最為突出。

以廣東為例，2008 年、2009 年開始實施計重收費，選擇的產(chǎn)品包括彎板和石英兩種，石英所占比例僅 10%左右，但在應(yīng)用中，石英穩(wěn)定、長壽、施工快捷、環(huán)境適應(yīng)強 （包括坡道、彎道、多雨） 的優(yōu)勢逐步體現(xiàn)，在新增項目以及原有項目升級改造過程中選用石英的業(yè)主越來越多，截止目前的統(tǒng)計，廣東省已開通的計重收費車道 2200 余條，其中石英 1100 多條，占到 50%比例。

五、關(guān)于石英動態(tài)衡的一些“流行”的傳言

無論計量系統(tǒng)還是交通系統(tǒng)，全面了解壓電測量的機會并不多，因此不理解甚至誤解在所難免。

最典型的一個流行的、但并不準(zhǔn)確的說法是“石英動態(tài)衡只適合高速，不適合計重收費”，如果僅就看到的現(xiàn)象而言，也許不錯，直到近期國外才開始少量的計重收費方面的探討，而且由于法律制度方面的原因，在此之前國外根本沒有這種應(yīng)用、甚至連這個概念也不存在，因此在國外能夠看到的只有高速應(yīng)用—合法性檢測 / 超載 / 預(yù)選 / 橋隧保護。持這種觀點的人可能還有一個理由“壓電測量是會逐步泄露的，無法永久保持，因為無法用于收費站車輛走走停停的情況”。嚴(yán)格意義上，壓電測量的確不能像應(yīng)變那樣用于純粹的靜態(tài)測量，但技術(shù)的進步，包括傳感器、電纜的絕緣性能的提高、電荷放大器的改進，壓電測量早已能夠勝任、并且早已實際應(yīng)用在各種準(zhǔn)靜態(tài)測試中，包括人體運動力學(xué)、假肢研發(fā)等領(lǐng)域。以計重收費而言，僅以目前常規(guī)的裝置、器件水平 （當(dāng)然是合格產(chǎn)品），已經(jīng)完全能做到車輪靜止不動的情況下，10 分鐘乃至更長的時間，電荷衰減等效的重量值不超過 5kg，即分度值的十分之一，這還僅僅是常規(guī)的、沒有優(yōu)化的器件，如果專門為此優(yōu)化，衰減可以進一步呈數(shù)量級減小。

還有一種說法是“石英動態(tài)衡的稱量精度不好”或者“比秤臺、彎板差一些”，如果在實驗室采用靜態(tài)方式，僅僅測試傳感器本身，應(yīng)變傳感器確實可以獲得比壓電傳感器更高的精度等級，但動態(tài)衡整機、作為一個系統(tǒng)，其誤差來源是多方面的，并且主要誤差來源也不盡相同—比如應(yīng)變類設(shè)備主要是來自于響應(yīng)速度、橫切力、不水平、限位裝置松動等，而石英主要來源于路面不平坦。事實上，單排石英動態(tài)衡 （進口傳感器）和軸重秤臺、彎板在多年的實際運行和計量檢定中，完全是相同的精度等級，而多排、高精度石英衡可以達(dá)到與整車式相同的精度，也就是說：制造精良、算法合理的石英動態(tài)衡是可以達(dá)到動態(tài)衡的高精度等級。

因此，籠統(tǒng)地評價石英動態(tài)衡“準(zhǔn)”或“不準(zhǔn)”完全沒有意義，不同的傳感器 （進口 / 國產(chǎn)）、不同廠家的儀表、數(shù)學(xué)模型、不同的布局 （排數(shù)）間存在巨大的差別，正如稱臺、彎板不同廠家之間也可能相差甚遠(yuǎn)一樣。有一點是必須承認(rèn)同時也需要注意的，動態(tài)衡由于其測量對象處于運動、變化過程，其誤差構(gòu)成中一部分是來源于外部，而不像靜態(tài)衡稱量過程中測量對象完全處于靜止（因而所有誤差都來源于系統(tǒng)誤差），因此在最終能夠達(dá)到的精度方面，動態(tài)衡永遠(yuǎn)無法達(dá)到靜態(tài)衡相同級別。

六、石英動態(tài)汽車衡的不足

在前面特點中我們談及了石英動態(tài)衡的特點和優(yōu)勢，但每一種產(chǎn)品都有其長處和短處，石英也不例外。石英動態(tài)衡的主要不足有兩點：

第一、由于石英稱重傳感器系窄條式，寬度僅幾十毫米，屬于部分承載方式，即任何時間傳感器都沒有承擔(dān)全部車輪負(fù)荷 （或者說任意時刻車輪負(fù)荷都是由傳感器和路面共同承擔(dān)），因此其力學(xué)和數(shù)學(xué)模型的前提就是傳感器表面與路面平齊，這是一個基本的必要條件，如果路面與傳感器表面由于磨損或施工不良存在高差，則車輪經(jīng)

過時會產(chǎn)生負(fù)荷不平滑分布，帶來誤差，通常要求傳感器表面與鄰近路面高差不超過 2mm。保證、改進措施包括嚴(yán)格執(zhí)行施工規(guī)范和發(fā)展硅酸鹽基的材料作為傳感器承載面、安裝膠料，使得傳感器表面與路面磨損同步。

第二、石英傳感器成本較應(yīng)變式傳感器高。在壓電測量、壓電傳感器方面中國與發(fā)達(dá)國家的差距遠(yuǎn)大于應(yīng)變領(lǐng)域。它涉及包括材料 （主要是石英培育和生長技術(shù)）、精密機械、精密光學(xué) （晶軸測量和定位）、金屬材料和力學(xué)領(lǐng)域，需要多學(xué)科、上下游產(chǎn)業(yè)的配合，并非單個廠家能力可以全面解決的。其結(jié)果是，有能力制造石英動態(tài)衡的廠商數(shù)量少于制造應(yīng)變類設(shè)備 （秤臺、彎板）的，其中能夠提供全面解決方案，真正滿足的動態(tài)稱重需求、長期穩(wěn)定運行的又只占其中一部分。

七、發(fā)展趨勢預(yù)測

在常規(guī)的人工收費 （即 MT） 方式計重收費應(yīng)用中，石英動態(tài)衡將會與秤臺 （軸重式單秤臺、雙秤臺、軸組秤以及整車式） 和彎板長期共存。就計量性能而言，上述類別都有產(chǎn)品能夠滿足要求，而市場的需求或側(cè)重點呈多樣化，有的成本優(yōu)先、有的更注重通行效率、施工周期、有的要求不同的道路、環(huán)境適應(yīng)能力 （如多山地區(qū)或降雨頻繁地區(qū)），因而在不同的地區(qū)不同產(chǎn)品的占有率也不盡相同，會呈現(xiàn)某些區(qū)域特點。但 MT 方式從人力成本、人力資源以及車輛通行率方面已漸漸不能滿足日益增長的交通流量的需求，因此 ETC （不停車自動收費），主線“自由流”收費模式會在不斷地嘗試、改進過程中日益普及。同時，傳統(tǒng)模式的超載、超限治理因為占地、投資大，一直未能實現(xiàn)路網(wǎng)的有效覆蓋，使得超載治理的效果大打折扣，多個省市地區(qū)的交通部門以及交通部已經(jīng)把“非現(xiàn)場執(zhí)法 （即不設(shè)場站及低速、靜態(tài)復(fù)檢，直接用高速動態(tài)稱重結(jié)果作為判斷、處理依據(jù)）”列入日程，某些省區(qū)已經(jīng)開始部份實施。

無論是 ETC、主線“自由流”收費模式的進化，還是非現(xiàn)場執(zhí)法，其共同的特征是其檢測對象、即車輛是處于正常行駛狀態(tài)，即幾十至上百 km/h 小時的速度，在這方面，由于應(yīng)變類設(shè)備的響應(yīng)速度限制，石英動態(tài)衡具有先天的、原理上的絕對優(yōu)勢。

因此，我們預(yù)計，在常規(guī)人工方式計重收費中，石英動態(tài)衡會與其它設(shè)備共存，維持現(xiàn)有的占有率 （或微小波動），在 ETC、“自由流”方式以及非現(xiàn)場執(zhí)法中石英將占用主要份額，綜合低速、高速的全部動態(tài)衡應(yīng)用中，石英總體占有率將呈上升趨勢。