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1、中国运载火箭技术研究院第七二研究所 刘九卿【摘 要】 本文介绍了以石英晶体为敏感元件的压电石英称重传感器的工作原理、结构与特点；石英晶体的压电效应，压电石英晶体片的并联、串联连接方法，电荷电压计算；石英晶体片的装配要求和装配工艺；石英晶体敏感元件与电阻应变计的性能比较。分析了利用多个石英晶体敏感元件组装的工字梁型动态称重传感器的结构与技术特点及其在动态公路车辆称重系统中的应用。【关键词】 石英晶体 压电效应 称重传感器 电荷放大器 动态称重 轴重秤一、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
2、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
3、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
4、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2050km/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。二、石英晶体的压电效应石英晶体（Quartz Crystal）是二氧化硅无水化合物，分子式为Si02，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
5、英晶体外形和直角坐标轴如图1所示。Z轴是石英晶体的对称轴，在垂直于Z轴的平面上，通过相对两棱的直线叫X轴，由于石英晶体呈六角棱形，因此有三个X轴。与X轴和Z轴都垂直的是Y轴。X轴称为电轴，Y轴称为中性轴（或机械轴）Z轴称为光轴。通常所说的X（或Y）切割，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。X切割的石英晶体片如图2所示。 图1 石英晶体当石英晶体片沿X轴方向受一外力作用时，内部产生极化，在垂直于X轴的两个平面上产生等量的正负电荷，这种现象称为纵向压电效应。而在垂直于Y轴的平面上，沿着Y轴的方向施加外力时，在与X轴垂直的平面上产生电荷，这种现象称为横向压电效应。在Y切割（剪切
6、型切割）石英晶体片中，当在垂直于Y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。力值的计量就是直接利用这三个压电效应，制成单分量或多分量测力与称重传感器。 图2 X切割的石英晶体片三、压电石英称重传感器的工作原理压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置。现以一个X切割的石英晶体圆片为例，计算它的电荷、电压。石英晶体圆片如图3所示。设石英晶体圆片直径为d，厚度为t
7、。当石英晶体圆片沿X轴方向受外力Fx作用时，在垂直于Fx的平面上产生电荷，而且其外力与产生的电荷存在线性关系。 图3 石英晶体圆片受力图（C）式中：Qx石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷d11石英晶体的纵向压电模数，d11两个表面之间的电压Ux为：Ux=Qx/Cx=d11Fx/Cx（V）式中：Cx石英晶体圆片的电容量Cx=d2/4t（F）石英晶体的介电系数。将X切割的石英晶体片加工成称重传感器壳体所需要的外形和尺寸，按要求连同电极板一起装入壳体内，施加足够的预紧力后，采用圆膜片与壳体焊接密封。当称重传感器受外载荷作用时，石英晶体圆片产生电荷，由电极板收集传至信号输出插座，再由低噪声的同轴电缆
8、传输到电荷放大器（带有电容反馈的运算放大器），经灵敏度归一化后，按比例的转换成电压输出。或放大器为重量信号的模拟数字转换提供必要的驱动，并将此信号传输到计算机，然后用专用的软件将其转换为重量。为了减小电荷的泄漏，放大器的输入端要有很高的绝缘电阻，通常要求大于10T。电荷放大器的量程（与转换系数有关）由反馈电容确定，通常称为量程电容。通过测得的电压值，就可得到所测载荷的大小。利用石英晶体制造称重传感器时，石英晶体片有并联和串联连接两种方法。并联连接：两个压电石英晶体片按极化方向相反粘结，负电荷集中在中间的负电极板上，正电荷在两端的正电极板上。这时相当于两个电容器并联，输出电极板上的电荷和电容量将
9、增加一倍，如图4所示。 图4 两个石英晶体片并联示意图如果有n个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加n倍，电荷灵敏度也增加n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。n个石英晶体片并联所产生的电荷为：Qx=ndllFx（C）串联连接：两个石英晶体片按极化方向相同粘结，于是在两个石英晶体片粘结处的中间电极板上正负电荷相互抵消，这时总电容量为单个石英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总电荷量则不变，如图5所示。若n个石英晶体片串联连接，由于输出电压增加n倍，因此电压灵敏度也增加n倍，而电荷灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。由此可得出，多个石英晶体片并联连接时，输出电荷量大，电
10、荷灵敏度高；串联连接时，输出电压大，电压灵敏度高。 图5 两个石英晶体片串联示意图四、压电石英称重传感器的结构与特点单分量压电石英称重传感器的结构象一个承载垫圈，由带底座的外壳，两个X切割的石英晶体圆片，夹在两个圆片之间的电极板，带有密封膜片的上压头和信号输出插座组成，如图6所示。1石英晶体片 2. 电极板 3. 上压板 4. 外壳 5. 信号输出插座图6 压电石英称重传感器结构图石英晶体的排列为以其晶轴X指向电极板的并联连接，使其在外载荷作用下产生的电荷和灵敏度都增加一倍。在装配时，必须对石英晶体圆片施加足够的预紧力，就是在较高的预紧力下使上压板与外壳成为一个坚实的整体，上压板的膜片与外壳采
11、用电子束焊或激光焊对石英晶体圆片进行密封和保持预紧力。密封膜片必须具有柔软的线性弹簧特性。对石英晶体圆片施加预紧力进行装配时应作到：预紧力必须垂直于称重传感器表面；在石英晶体圆片上产生的应力应尽量均匀分布；预紧元件的刚度应远远小于称重传感器的刚度以保持较高的灵敏度。将石英晶体敏感元件与电阻应变计进行比较，不难得出，电阻应变计实际上是测量称重传感器弹性体上的应变，而不是测量外力。在具体设计时必须使额定载荷下弹性体上产生的应变大小适当，即1100左右。实际上电阻应变计在弹性体上测量的是一个或几个位置上的表面应变值。表面应变是否代表弹性体每一种受载状态下的平均应变，取决于设计技术水平。应变式称重传感
12、器的固有缺点在动态称重中受到较多限制：测量范围小，对于10的几次方的测量范围必须用多个不同量程的称重传感器进行测量；量程与鉴别阈之比通常被限制在50000以下；弹性体结构较复杂；刚度偏小，固有频率低；使用温度范围小，一般为-1060。相对压电石英称重传感器唯一的优点是可以进行绝对测量和静态称重，特别是非常适用于精确称重。与电阻应变计不同，石英晶体敏感元件测量的是应力，是它产生的电荷对于应力的平均值，也就是说石英晶体具有把敏感元件（石英圆片）整个表面上的载荷进行积分的能力。压电石英称重传感器与应变式称重传感器的最大区别是石英晶体没有热电效应，即使是温度瞬变也不会引起信号漂移，而且灵敏度温度系数非
13、常小，约为%，因此不必采取特殊手段补偿路面温度的影响。而应变式称重传感器则必须进行零点和灵敏度温度补偿。垫圈式压电石英称重传感器一般有额定量程为100、200、500kg，l、2、5、10、20、50、100t十种规格。灵敏度均为40pc/kg，固有频率40KHz，线性度1%FS，绝缘电阻10T，50t的压电石英称重传感器的重量只有l00g。压电石英称重传感器具有如下特点：量程范围广，测量范围达10的几次方，一个称重传感器即可完成全量程测量，频率响应范围能在低至接近零周，高达十千周范围内工作；量程与鉴别阈之比可达100000000，一般比值超过1000000。灵敏度高，测量值可到上百吨载荷，又
14、能分辨出小至几公斤的动态力；刚度大，固有频率高（几十千赫以上），是同尺寸应变式称重传感器的8倍，动态响应快；时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长；石英晶体的居里点高（573），对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好；石英晶体具有较好的线性，在一般情况下无滞后，组装成称重传感器其动态测量的综合误差优于1%；结构紧凑，体积小，高度低，重量轻，可用多个石英晶体片组装大型称重传感器；用多分量称重传感器进行称重计量时，抗交叉干扰能力强，交叉干扰达到800Hz时，测量误差仍然低于10%，交叉干扰到400Hz时，测量误差小至2%以内；使用温度范围广，通常为-200200；在使用时不用事先
15、调整平衡，操作方便。唯一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。五、压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用石英晶体敏感元件及压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮重、轴重秤或条形称重板。一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器内，形成专用的压电石英称重传感器，将其埋在公路表面截面为5050mm的长槽内，形成动态公路车辆轴重秤。瑞士Kistler（奇石乐）公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。它的总体结构如同1m长的工字梁，所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面，实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔，它的结构如图7所示。图7 梁式压电石英称重传感器多个石英晶体片在梁式称重传感器内的安装及所施加的预紧力的大小，对称重传感器的性能影响较大，应有严格的装配要求和装配工艺。装配时首先沿梁式称重传感器的水平对称轴，对圆形腹板施加水平力P，使腹板变形，矩形通孔高度增大。在梁长1m的范围内，先插入电极板，再每隔50mm插入一个石英晶体片。然后卸掉水平力P，此时石英晶体片已被施加上预紧力，并得到了很好的保护和密封。利用称重传感器内部的沟槽从中间引出低
