关于石英动态汽车衡应用现状的调查及未来发展的预测

本文介绍了基于压电效应的石英称重传感器的原理以及石英汽车动态衡的特点，尤其与应变类称重设备的区别，国内外石英动态汽车衡的应用现状，以及未来的发展趋势。

一、概述

道路车辆动态称重系统是将车辆称重设备安装在高速公路及等级公路上对行驶中的车辆进行重量数据及其他基本数据如车辆数、车轴距、车种、交通量等信息进行采集，实现数据上传处理达到使用者预期目的。

动态汽车衡是整个系统中最关键也是最主要的设备，按我国目前使用的情况，动态汽车衡按测量方式分为两类：一是对车辆轴 （或轴组） 重量进行分别测量后进行累加得到总车重量，代表产品有轴重式、弯板式及石英等；二是直接对整车重量进行测量。

目前我国使用的大部分计重设备都是以应变式称重传感器进行重量信号转换，其原理是将电阻应变片贴附于弹性体，受力时弹性体发生正比于力值的变形，带动应变片形变、从而改变应变片电阻值，再通过惠斯顿电桥输出正比于力值的微弱的电压信号 （mV 级） 再送至仪表放大器、模数转换 （ADC） 等，经微处理器 （MCU） 显示或送出称量结果。由于其响应时间 （ms 级），温度漂移，受气候季节性影响，安装工程量以及后期维护保养等原因，在技术要求越来越高的现在，应变式称重传感器的应用受到一定的局限。

石英动态衡原理较为特殊，了解的人也相对一些，为此，就其原理、应用现状以及发展趋势，我们进行了专门的调查、了解，汇总成此文，供同行们参考。

二、测量原理

石英传感器是利用石英的压电效应原理对重量信号进行测量。

压电效应是由法国科学家皮埃尔·居里 （Pierre Curie，镭的发现者、诺贝尔奖得主玛丽·居里的丈夫） 在 1880 年发现的，简单原理如下：

自然界的物质都是由原子组成，带正电荷的原子核周围分布着带负电荷的电子，正负电荷总数相同，在均衡状态下对外显示为中性。某些物质 （即“压电材料”） 在受到外力时，正负电荷不再均匀分布，而是在某个表面负电荷相对集中、某个表面正电荷相对集中，宏观来看就是受压后在不同表面“产生”了电荷，如图 1、图 2、图 3 所示。

但电荷的收集、保持需要在很高的阻抗条件下，否则容易泄放，更难于对其进行计量，直至 1955 年，瑞士奇石乐公司的创始人 Kistler 先生利用电子管运算放大器 （OperationAmplifier，经过贝尔实验室、荷兰 N.V.Philips 公司等几代人的努力，其实践和理论在上世纪 30 年 ~50 年代逐步形成）发明了电荷放大器 （CA，即 ChargeAmplifier），将电荷量转换为对应的电压信号，首次实现常规的仪表和器件对电荷的度量和处理，由此开创了压电测量领域。电荷放大器如图 4 所示。

时至今日，压电测量已经广泛应用于军事、航天航空、汽车、机械加工等领域，其测量链基本一致，都是：力 / 压力 / 压强→电荷→对应电压→后续处理（模拟或数字化）压电材料 （即具有压电效应的材料） 有不同种类，有天然的、有人工极化的，主要有石英、

压电陶瓷、压电聚合物，其中性能最优异的是石英，尤其温度稳定性、老化性能、寿命方面，因此在高精度测量中采用最多的是各种石英传感器。

石英称重传感器是将若干石英晶片作为换能元件放置在长条形的金属结构体中，密封后经过高阻低噪声电缆引出，如图 5 所示。

石英动态衡构成包括：石英称重传感器、电荷放大器、数采 / 控制器 （即“称重仪表”） 以及车辆分离器。石英称重传感器垂直于车行方向 （2条或更多），当车辆碾压过传感器时，产生与轮负荷对应的电荷信号，电荷信号送至电荷放大器转换为电压信号，再送至仪表经过 ADC 转换为数字信号，再由处理器按照数学模型计算出相应的轮重、轴重、整车重。布局及系统构成如图 6 所示。

三、在计重设备应用中的特点

由于测量原理完全不同，与应变原理的秤台、相比，石英称重传感器及由此构成的石英动态衡也具有一些明显的特点。

首先是响应快，石英称重传感器基于压电原理，测量过程不依赖形变、也不需要弹性体，整个传感器为完全的刚性结构，响应时间为 μS 级（应变为 ms），因此应用中没有因为速度高、低带来的影响和误差，可以满足高速的称重测量需要。同时，由于其刚性结构，避免了反复变形带来的疲劳、老化乃至失效的问题，石英称重传感器具有良好的长期稳定性和寿命—上世纪 90 年代安装的石英动态衡迄今为止依然运行正常、并且保持着相同的性能。

还有一个特点是石英动态衡独有的，依靠石英晶片的精密光学取向 （晶轴） 和传感器的力学设计，石英称重传感器能做到只对垂直方向的力敏感，排除横向力的影响，因此石英动态衡是迄今为止唯一可以在坡道、弯道安装、使用的动态衡—坡道、弯道引起的横切力是动态衡重要误差来源之一，因而相应的规范 （如 JJG-907） 中均对计重车道有着严格的要求。

四、在动态称量中的应用状况

国外于 90 年代中期开始投入批量商业运用，主要是公路及高速公路的超载及预选 （也成为“合法性检测”） 以及桥梁、隧道的保护，由于其长期稳定、长寿，尤其是超越其它类型产品的速度范围，逐步成为汽车动态衡的主流，在北美、欧洲和日本都得到广泛应用。以日本为例，2003年左右开始在高速公路试行动态称重并配合其 ETC 系统，曾经也安装了德国、加拿大的弯板产品，但经过数年的运行、比较，弯板在精度的稳定性、寿命和维护量方面与石英相比差距明显，因此全部被淘汰和替换，目前日本全境的汽车动态衡均为石英式。

国内的应用方向与国外有所不同，治超等高速应用由于法律、制度以及投资方面的限制相对比例较小，大部分应用集中在计重收费方面。尤以广东、四川两省最为突出。

以广东为例，2008 年、2009 年开始实施计重收费，选择的产品包括弯板和石英两种，石英所占比例仅 10%左右，但在应用中，石英稳定、长寿、施工快捷、环境适应强 （包括坡道、弯道、多雨） 的优势逐步体现，在新增项目以及原有项目升级改造过程中选用石英的业主越来越多，截止目前的统计，广东省已开通的计重收费车道 2200 余条，其中石英 1100 多条，占到 50%比例。

五、关于石英动态衡的一些“流行”的传言

无论计量系统还是交通系统，全面了解压电测量的机会并不多，因此不理解甚至误解在所难免。

最典型的一个流行的、但并不准确的说法是“石英动态衡只适合高速，不适合计重收费”，如果仅就看到的现象而言，也许不错，直到近期国外才开始少量的计重收费方面的探讨，而且由于法律制度方面的原因，在此之前国外根本没有这种应用、甚至连这个概念也不存在，因此在国外能够看到的只有高速应用—合法性检测 / 超载 / 预选 / 桥隧保护。持这种观点的人可能还有一个理由“压电测量是会逐步泄露的，无法永久保持，因为无法用于收费站车辆走走停停的情况”。严格意义上，压电测量的确不能像应变那样用于纯粹的静态测量，但技术的进步，包括传感器、电缆的绝缘性能的提高、电荷放大器的改进，压电测量早已能够胜任、并且早已实际应用在各种准静态测试中，包括人体运动力学、假肢研发等领域。以计重收费而言，仅以目前常规的装置、器件水平 （当然是合格产品），已经完全能做到车轮静止不动的情况下，10 分钟乃至更长的时间，电荷衰减等效的重量值不超过 5kg，即分度值的十分之一，这还仅仅是常规的、没有优化的器件，如果专门为此优化，衰减可以进一步呈数量级减小。

还有一种说法是“石英动态衡的称量精度不好”或者“比秤台、弯板差一些”，如果在实验室采用静态方式，仅仅测试传感器本身，应变传感器确实可以获得比压电传感器更高的精度等级，但动态衡整机、作为一个系统，其误差来源是多方面的，并且主要误差来源也不尽相同—比如应变类设备主要是来自于响应速度、横切力、不水平、限位装置松动等，而石英主要来源于路面不平坦。事实上，单排石英动态衡 （进口传感器）和轴重秤台、弯板在多年的实际运行和计量检定中，完全是相同的精度等级，而多排、高精度石英衡可以达到与整车式相同的精度，也就是说：制造精良、算法合理的石英动态衡是可以达到动态衡的高精度等级。

因此，笼统地评价石英动态衡“准”或“不准”完全没有意义，不同的传感器 （进口 / 国产）、不同厂家的仪表、数学模型、不同的布局 （排数）间存在巨大的差别，正如称台、弯板不同厂家之间也可能相差甚远一样。有一点是必须承认同时也需要注意的，动态衡由于其测量对象处于运动、变化过程，其误差构成中一部分是来源于外部，而不像静态衡称量过程中测量对象完全处于静止（因而所有误差都来源于系统误差），因此在最终能够达到的精度方面，动态衡永远无法达到静态衡相同级别。

六、石英动态汽车衡的不足

在前面特点中我们谈及了石英动态衡的特点和优势，但每一种产品都有其长处和短处，石英也不例外。石英动态衡的主要不足有两点：

第一、由于石英称重传感器系窄条式，宽度仅几十毫米，属于部分承载方式，即任何时间传感器都没有承担全部车轮负荷 （或者说任意时刻车轮负荷都是由传感器和路面共同承担），因此其力学和数学模型的前提就是传感器表面与路面平齐，这是一个基本的必要条件，如果路面与传感器表面由于磨损或施工不良存在高差，则车轮经

过时会产生负荷不平滑分布，带来误差，通常要求传感器表面与邻近路面高差不超过 2mm。保证、改进措施包括严格执行施工规范和发展硅酸盐基的材料作为传感器承载面、安装胶料，使得传感器表面与路面磨损同步。

第二、石英传感器成本较应变式传感器高。在压电测量、压电传感器方面中国与发达国家的差距远大于应变领域。它涉及包括材料 （主要是石英培育和生长技术）、精密机械、精密光学 （晶轴测量和定位）、金属材料和力学领域，需要多学科、上下游产业的配合，并非单个厂家能力可以全面解决的。其结果是，有能力制造石英动态衡的厂商数量少于制造应变类设备 （秤台、弯板）的，其中能够提供全面解决方案，真正满足的动态称重需求、长期稳定运行的又只占其中一部分。

七、发展趋势预测

在常规的人工收费 （即 MT） 方式计重收费应用中，石英动态衡将会与秤台 （轴重式单秤台、双秤台、轴组秤以及整车式） 和弯板长期共存。就计量性能而言，上述类别都有产品能够满足要求，而市场的需求或侧重点呈多样化，有的成本优先、有的更注重通行效率、施工周期、有的要求不同的道路、环境适应能力 （如多山地区或降雨频繁地区），因而在不同的地区不同产品的占有率也不尽相同，会呈现某些区域特点。但 MT 方式从人力成本、人力资源以及车辆通行率方面已渐渐不能满足日益增长的交通流量的需求，因此 ETC （不停车自动收费），主线“自由流”收费模式会在不断地尝试、改进过程中日益普及。同时，传统模式的超载、超限治理因为占地、投资大，一直未能实现路网的有效覆盖，使得超载治理的效果大打折扣，多个省市地区的交通部门以及交通部已经把“非现场执法 （即不设场站及低速、静态复检，直接用高速动态称重结果作为判断、处理依据）”列入日程，某些省区已经开始部份实施。

无论是 ETC、主线“自由流”收费模式的进化，还是非现场执法，其共同的特征是其检测对象、即车辆是处于正常行驶状态，即几十至上百 km/h 小时的速度，在这方面，由于应变类设备的响应速度限制，石英动态衡具有先天的、原理上的绝对优势。

因此，我们预计，在常规人工方式计重收费中，石英动态衡会与其它设备共存，维持现有的占有率 （或微小波动），在 ETC、“自由流”方式以及非现场执法中石英将占用主要份额，综合低速、高速的全部动态衡应用中，石英总体占有率将呈上升趋势。