基于压电传感器的汽车动态称重系统

基于压电传感器的汽车动态称重系统

摘要

生活中我们身边很多的交通工具，每天无数的车辆航行在高速公路，很多大货车超载现象越来越严重，严重车载可能酿成大患，堵塞交通，为了减少汽车超重必须在高速上设立汽车动态称重检测系统，使其交通运行流畅，防止因为车载引起的交通事故，其中要实现这个功能要用到传感器，传感器又有很多种类型，其中汽车动态称重系统就是基于压电传感器。

Life around us a lot of vehicles, numerous vehicles per day sailing on the highway, many large trucks overloading phenomenon more and more serious, may lead to serious scourge car, blocking traffic, in order to reduce vehicle must establish overweight car at high speed, said dynamic weight detection system to traffic running smoothly, to prevent accidents caused because the car in which to achieve this functionality to use sensors which there are many types, including automotive dynamic weighing system is based on the piezoelectric sensor.

概述

尽管早在 1908 年 Pierre（皮埃尔）和 Jacguse Curie（雅克卡里）就发现了石英晶体的压电效应，但是用于动态力的测量还是 20 世纪 60 年代。当时由苏黎世的瑞士联邦技术研究所研制出压电石英测力传感器，并利用它制成风洞天平，对空气动力进行测量。瑞士联邦工学院和德国 Aachen 大学分别利用石英晶体研制出刚性非常好的三分量测力传感器，用来测量机床的切削力。

20 世纪 70 年代扩展了压电石英三分量测力系统，用来测量六个分量和计算力作用点的座标；军事工程部门用于测量火箭推力向量（力的大小、方向和位置）；汽车工业部门用于测量轮胎的附着力；生物力学领域用于运动矫形术、整形和姿态控制。

20 世纪 80 年代在汽车制造业中压电石英测力传感器用于测量汽车点火压力，汽车碰撞的冲击力。利用二分量测力传感器同时测量汽车检测平台的垂直力和水平力，将压电石英测力传感器埋在路面下，测量汽车轮胎与路面之间的接触力。

20 世纪 90 年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。在公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警和轴载动态称重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。压电石英晶体敏感元件及其组装的压电石英称重传感器就具备上述特点。瑞士 Kistler（奇石乐）公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的工字梁型动态称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。1993 年 7 月在苏黎世的瑞士联邦技术研究所，根据欧洲研究项目“COTS323 道路动态称重”的要求，对压电石英称重传感器与另外 8 个商用称重传感器进行了道路比较试验。试验使用数字式示波器显示重量信号、并将其储存在软盘上，然后将数据用计算机进行离线分析。除了车辆的轴重和毛重外，车速、轴距、轮距和单双轮胎等均可确定。在 20～50km/h 速度下，动态称量结果与动态校准结果非常吻合，证明压电石英称重传感器完全可以用于公路车辆轴重计量。

石英晶体是二氧化硅无水化合物,是各向异性的材料,通常用直角坐标轴来表征它的方向性典型的石英晶体外形和直角坐标轴如图所示Z,。轴是石英晶体的对称轴在垂直于,Z轴的Z 平面上通过相对两棱的直线叫晶体呈六角棱形因此有三个,X轴。,由于石英X轴与X轴和,轴都垂直的是Y轴性轴(或机械轴)(或Y)切割, X轴称为电轴。Y轴

称为中Z轴称为光轴通常所说的X就是切割出来的石英晶体片的

两。个平面都与X(或Y)轴相垂直晶体片如图所示。X切割的石英

图石英晶体当石英晶体片沿,X轴方向受一外力作用时X,内部产生

极化在垂直于等量的正负电荷而在垂直于,轴的两个平面上产生。,

这种现象称为纵向压电效应,Y轴的平面上X沿着Y轴的方向施,

加外力时在与轴垂直的平面上产生电荷这。种现象称为横向压电效应在害d)石英晶体片中,Y 切割(剪切型切Y当在垂直于,轴的平面内,沿X轴方向受外力作用时在受力表面产生电荷.这种现象称为剪切效应石英晶体的压电效应是由于在外力作用下石英晶体内的硅原子和氧原

子的位置产生相对变形正电荷和负电荷的重心互相移位所至产生的电荷由覆盖在石英晶体表面的电极板进行收集传输是直接利用这三个压电效应量测力与称重传感器力值的计量就图ZX,制成单分量或多分切割的石英晶体片。

简介

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

动态称重系统是一组安装的传感器和含有软件的电子仪器，用以测量动态轮胎力和车辆通过时间并提供计算轮重、轴重、总重（如车速、轴距等）的数据。

由于动态称重系统是具有测量行驶车辆重量的特点，决定了它在交通轴载调查、治理超限超载运输和计重收费系统中不可替代的作用，也正是因为这一特点，它必须测量运动中轮胎的动态力而不是静态荷载，在性能和使用上都与传统的静态汽车衡有着显著区别，因而静态汽车衡的相关标准交不适用于动态称重系统。

动态称重与传统的静态称重有很大的区别。其次，由于车辆行驶产生的各种复杂因素和动态称重技术的复杂性，动态称重结果具有一定的不确定性，因此，精度检验需要按照适当的方法进行，对于称重误差采用概率术语表述更为合理。最后，应特别注意各种标准规范对于使用条件的规定与现场使用条件的吻合程度，选择适用的标准与设备对应。

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

压电传感器一般有两种，一种是基于石英晶体的，还有一种是基于薄膜轴的。本次试验用的是基于石英晶体的压电传感器。