- 壓電傳感器在智能交通系統中的應用-石英稱重傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/8/26
3. 壓電石英稱重傳感器
3.1 壓電石英傳感器的發展歷程
20世紀80年代在汽車制造業中壓電石英測力傳感器用于測量汽車點火壓力，汽車碰撞的沖擊力。利用二分量測力傳感器同時測量汽車檢測平臺的垂直力和水平力，將壓電石英測力傳感器埋在路面下，測量汽車輪胎與路面之間的接觸力。
20世紀90年代公路車輛軸載超限越來越嚴重，已成為世界難題。瑞士Kastler（奇石樂）公司開發出可以埋在路面下的以石英晶體為敏感元件的工字梁型動態稱重傳感器，用于公路車輛軸載超載預判，橋梁超載報警，隧道保護和車輛軸載計量，取得了很好的應用效果。這種壓電石英稱重傳感器已在美國、英國、德國、澳大利亞、韓國、日本等許多國家廣泛應用。
3.2 石英晶體的壓電效應
石英晶體（Quartz Crystal）是二氧化硅無水化合物，分子式為Si02，是各向異性的材料，通常用直角坐標軸來表征它的方向性。典型的石英晶體外形和直角坐標軸，X切割的石英晶體片如圖1所示。Z軸是石英晶體的對稱軸，在垂直于Z軸的平面上，通過相對兩棱的直線叫X軸，由于石英晶體呈六角棱形，因此有三個X軸。與X軸和Z軸都垂直的是Y軸。X軸稱為電軸，Y軸稱為中性軸（或機械軸）Z軸稱為光軸[3]。通常所說的X（或Y）切割，就是切割出來的石英晶體片的兩個平面都與X（或Y）軸相垂直。
3.2 石英晶體的壓電效應
石英晶體（Quartz Crystal）是二氧化硅無水化合物，分子式為Si02，是各向異性的材料，通常用直角坐標軸來表征它的方向性。典型的石英晶體外形和直角坐標軸，X切割的石英晶體片如圖1所示。Z軸是石英晶體的對稱軸，在垂直于Z軸的平面上，通過相對兩棱的直線叫X軸，由于石英晶體呈六角棱形，因此有三個X軸。與X軸和Z軸都垂直的是Y軸。X軸稱為電軸，Y軸稱為中性軸（或機械軸）Z軸稱為光軸。通常所說的X（或Y）切割，就是切割出來的石英晶體片的兩個平面都與X（或Y）軸相。
圖1 石英晶體結構圖
當石英晶體片沿X軸方向受一外力作用時，內部產生極化，在垂直于X軸的兩個平面上產生等量的正負電荷，這種現象稱為縱向壓電效應。而在垂直于Y軸的平面上，沿著Y軸的方向施加外力時，在與X軸垂直的平面上產生電荷，這種現象稱為橫向壓電效應。在Y切割（剪切型切割）石英晶體片中，當在垂直于Y軸的平面內，沿X軸方向受外力作用時，在受力表面產生電荷，這種現象稱為剪切效應。石英晶體的壓電效應是由于在外力作用下石英晶體內的硅原子和氧原子的位置產生相對變形，正電荷和負電荷的重心互相移位所至，產生的電荷由覆蓋在石英晶體表面的電極板進行收集、傳輸。力值的計量就是直接利用這三個壓電效應，制成單分量或多分量測力與稱重傳感器。
3.3 壓電石英稱重傳感器的工作原理
壓電石英稱重傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應將重量信號轉換成電信號的裝置[4]�，F以一個X切割的石英晶體圓片為例，計算它的電荷、電壓。石英晶體圓片如圖2所示。
設石英晶體圓片直徑為d，厚度為t。當石英晶體圓片沿X軸方向受外力Fx作用時，在垂直于Fx的平面上產生電荷，而且其外力與產生的電荷存在線性關系。
圖2 石英晶體圓片受力圖
兩個表面之間的電壓Ux為：
Ux=Qx/Cx=d11Fx/Cx （V）
式中：Qx—石英晶體圓片垂直于Fx平面產生的電荷
d11—石英晶體的縱向壓電模數，d11=2.31PC/N
Cx—石英晶體圓片的電容量
Cx=επd2/4t （F）
ε—石英晶體的介電系數。
將X切割的石英晶體片加工成稱重傳感器殼體所需要的外形和尺寸，按要求連同電極板一起裝入殼體內，施加足夠的預緊力后，采用圓膜片與殼體焊接密封。當稱重傳感器受外載荷作用時，石英晶體圓片產生電荷，由電極板收集傳至信號輸出插座，再由低噪聲的同軸電纜傳輸到電荷放大器（帶有電容反饋的運算放大器），經靈敏度歸一化后，按比例的轉換成電壓輸出�；蚍糯笃鳛橹亓啃盘柕哪M—數字轉換提供必要的驅動，并將此信號傳輸到計算機，然后用專用的軟件將其轉換為重量。為了減小電荷的泄漏，放大器的輸入端要有很高的絕緣電阻，通常要求大于10TΩ。電荷放大器的量程（與轉換系數有關）由反饋電容確定，通常稱為量程電容。通過測得的電壓值，就可得到所測載荷的大小。
利用石英晶體制造稱重傳感器時，石英晶體片有并聯和串聯連接兩種方法。并聯連接：兩個壓電石英晶體片按極化方向相反粘結，負電荷集中在中間的負電極板上，正電荷在兩端的正電極板上。這時相當于兩個電容器并聯，輸出電極板上的電荷和電容量將增加一倍，如圖3所示。
圖3 兩個石英晶體片并聯示意圖
如果有n個石英晶體片按并聯方式連接，此時的總輸出電荷將增加n倍，電荷靈敏度也增加n倍，而電壓靈敏度則與單個石英晶體片工作時相同。n個石英晶體片并聯所產生的電荷為：
Qx=ndllFx （C）
串聯連接：兩個石英晶體片按極化方向相同粘結，于是在兩個石英晶體片粘結處的中間電極板上正負電荷相互抵消，這時總電容量為單個石英晶體片工作時的一半，電壓都增大一倍，而總電荷量則不變，如圖4所示。
若n個石英晶體片串聯連接，由于輸出電壓增加n倍，因此電壓靈敏度也增加n倍，而電荷靈敏度則與單個石英晶體片工作時相同。
由此可得出，多個石英晶體片并聯連接時，輸出電荷量大，電荷靈敏度高；串聯連接時，輸出電壓大，電壓靈敏度高。
圖4 兩個石英晶體片串聯示意圖
3.4 壓電石英稱重傳感器的結構與特點
單分量壓電石英稱重傳感器的結構象一個承載墊圈，由帶底座的外殼，兩個X切割的石英晶體圓片，夾在兩個圓片之間的電極板，帶有密封膜片的上壓頭和信號輸出插座組成，如圖5所示。
1石英晶體片 2.電極板 3.上壓板 4.外殼 5.信號輸出插座
圖5 壓電石英稱重傳感器結構圖
石英晶體的排列為以其晶軸X指向電極板的并聯連接，使其在外載荷作用下產生的電荷和靈敏度都增加一倍。在裝配時，必須對石英晶體圓片施加足夠的預緊力，就是在較高的預緊力下使上壓板與外殼成為一個堅實的整體，上壓板的膜片與外殼采用電子束焊或激光焊對石英晶體圓片進行密封和保持預緊力。密封膜片必須具有柔軟的線性彈簧特性。對石英晶體圓片施加預緊力進行裝配時應作到：預緊力必須垂直于稱重傳感器表面；在石英晶體圓片上產生的應力應盡量均勻分布；預緊元件的剛度應遠遠小于稱重傳感器的剛度以保持較高的靈敏度。
壓電石英稱重傳感器具有如下特點：
�、倭砍谭秶鷱V，測量范圍達10的幾次方，一個稱重傳感器即可完成全量程測量，頻率響應范圍能在低至接近零周，高達十千周范圍內工作；
�、诹砍膛c鑒別閾之比可達100000000，一般比值超過1000000。靈敏度高，測量值可到上百噸載荷，又能分辨出小至幾公斤的動態力；
③剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），是同尺寸應變式稱重傳感器的8倍，動態響應快；
�、軙r間老化率低，無熱釋電現象，工作可靠性高，壽命長；
�、菔⒕w的居里點高（573℃），對溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長期穩定性好；
�、奘⒕w具有較好的線性，在一般情況下無滯后，組裝成稱重傳感器其動態測量的綜合誤差優于1%；
⑦結構緊湊，體積小，高度低，重量輕，可用多個石英晶體片組裝大型稱重傳感器；
�、嘤枚喾至糠Q重傳感器進行稱重計量時，抗交叉干擾能力強，交叉干擾達到800Hz時，測量誤差仍然低于10%，交叉干擾到400Hz時，測量誤差小至2%以內；
�、崾褂脺囟确秶鷱V，通常為-200℃～200℃；
�、庠谑褂脮r不用事先調整平衡，操作方便。
唯一的缺點是不能在長時間內進行靜態測量。
3.5 壓電石英稱重傳感器在動態公路車輛稱重中的應用
石英晶體敏感元件及壓電石英稱重傳感器在動態公路車輛稱重中的應用主要有兩種方式。一種是利用多個墊圈式壓電石英稱重傳感器組裝成薄形電子輪重、軸重秤或條形稱重板。一種是利用多個石英晶體片和電極板直接安裝在特制的梁式承載器內，形成專用的壓電石英稱重傳感器，將其埋在公路表面截面為50×50mm的長槽內，形成動態公路車輛軸重秤。瑞士Kastler（奇石樂）公司研制的石英晶體動態稱重傳感器就是這種應用的典型代表。它的總體結構如同1m長的工字梁，所不同的是工字梁的腹板為圓形空心截面，實際上其空心是由平行于工字梁上下翼緣的兩個平面形成的矩形通孔，它的結構如圖6所示。
圖6 梁式壓電石英稱重傳感器
多個石英晶體片在梁式稱重傳感器內的安裝及所施加的預緊力的大小，對稱重傳感器的性能影響較大，應有嚴格的裝配要求和裝配工藝。裝配時首先沿梁式稱重傳感器的水平對稱軸，對圓形腹板施加水平力P，使腹板變形，矩形通孔高度增大。在梁長1m的范圍內，先插入電極板，再每隔50mm插入一個石英晶體片。然后卸掉水平力P，此時石英晶體片已被施加上預緊力，并得到了很好的保護和密封。利用稱重傳感器內部的溝槽從中間引出低噪聲的同軸電纜，接入與其配套的動態稱重儀表就可實現公路車輛動態稱重。
壓電石英梁式稱重傳感器在應用時必須埋在路面下，梁的上表面為載荷測量面，下表面安放在公路基礎上為支撐面。由于在高速公路上行駛的車輛，在路面上產生的水平力可能與垂直力的大小相當。為保證動態稱量的準確度，應對梁式稱重傳感器與路面采取隔離措施，盡量消除或減少水平力的影響，以獲得高質量的信號脈沖形狀和可重復的測量結果。例如：在梁式稱重傳感器埋入地面時，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個周邊，將稱重傳感器與水平力隔離，采用75%石英沙和25%環氧樹脂混合物固定稱重傳感器本體等。由于壓電石英梁式稱重傳感器測量表面的寬度比車輛輪胎的印跡窄，重量信號必須沿車輪接觸長度積分。因此，稱重傳感器的性能主要取決于積分時段內信號質量的穩定性和稱重傳感器與路面相互作用的長期穩定性。為提高動態稱重的準確度，一般都采用排列多個稱重傳感器求動態稱量平均值的方法。（未完待續）
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