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科技治超之石英式動態稱重汽車衡淺談


一、石英晶體的壓電特性及應用
石英(SiO2)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、高壓(1000bar,400℃)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
●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
●剪切效應,電荷產生在受剪切載荷的石英表面


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%以上的電子設備都采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。
二、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汽車衡構成原理

石英式動態汽車衡的構成原理
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是:
力(N)→電荷(pC)→電壓(V)→數據→重量(Kg)
2、石英晶體WIM傳感器的結構特點
下圖石英晶體WIM傳感器結構和外觀,采用整體封裝結構,有2m 和1.75m多種長度規格,可根據道路的寬度靈活組合。


b) 外形封裝

石英晶體WIM傳感器在水泥和瀝青混凝土兩種路面均可埋設,依照圖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。

 

埋設于路表的傳感器 圖7 傳感器安裝斷面尺寸石英晶體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

與路面無縫銜接

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,深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-40℃至+80℃,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μs 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。


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