3. 壓電石英稱重傳感器

　　3.1 壓電石英傳感器的發(fā)展歷程

　　20世紀(jì)80年代在汽車制造業(yè)中壓電石英測(cè)力傳感器用于測(cè)量汽車點(diǎn)火壓力，汽車碰撞的沖擊力。利用二分量測(cè)力傳感器同時(shí)測(cè)量汽車檢測(cè)平臺(tái)的垂直力和水平力，將壓電石英測(cè)力傳感器埋在路面下，測(cè)量汽車輪胎與路面之間的接觸力。

　　20世紀(jì)90年代公路車輛軸載超限越來越嚴(yán)重，已成為世界難題。瑞士Kastler（奇石樂）公司開發(fā)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(dòng)態(tài)稱重傳感器，用于公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報(bào)警，隧道保護(hù)和車輛軸載計(jì)量，取得了很好的應(yīng)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(yīng)用。

　　3.2 石英晶體的壓電效應(yīng)

　　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(biāo)軸來表征它的方向性。典型的石英晶體外形和直角坐標(biāo)軸，X切割的石英晶體片如圖1所示。Z軸是石英晶體的對(duì)稱軸，在垂直于Z軸的平面上，通過相對(duì)兩棱的直線叫X軸，由于石英晶體呈六角棱形，因此有三個(gè)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(jī)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(gè)平面都與X（或Y）軸相垂直。

　　3.2 石英晶體的壓電效應(yīng)

　　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(biāo)軸來表征它的方向性。典型的石英晶體外形和直角坐標(biāo)軸，X切割的石英晶體片如圖1所示。Z軸是石英晶體的對(duì)稱軸，在垂直于Z軸的平面上，通過相對(duì)兩棱的直線叫X軸，由于石英晶體呈六角棱形，因此有三個(gè)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(jī)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(gè)平面都與X（或Y）軸相。

　　圖1  石英晶體結(jié)構(gòu)圖

　　當(dāng)石英晶體片沿X軸方向受一外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化，在垂直于X軸的兩個(gè)平面上產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。而在垂直于Y軸的平面上，沿著Y軸的方向施加外力時(shí)，在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為橫向壓電效應(yīng)。在Y切割（剪切型切割）石英晶體片中，當(dāng)在垂直于Y軸的平面內(nèi)，沿X軸方向受外力作用時(shí)，在受力表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為剪切效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)是由于在外力作用下石英晶體內(nèi)的硅原子和氧原子的位置產(chǎn)生相對(duì)變形，正電荷和負(fù)電荷的重心互相移位所至，產(chǎn)生的電荷由覆蓋在石英晶體表面的電極板進(jìn)行收集、傳輸。力值的計(jì)量就是直接利用這三個(gè)壓電效應(yīng)，制成單分量或多分量測(cè)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(yīng)將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置[4]�，F(xiàn)以一個(gè)X切割的石英晶體圓片為例，計(jì)算它的電荷、電壓。石英晶體圓片如圖2所示。

　　設(shè)石英晶體圓片直徑為d，厚度為t。當(dāng)石英晶體圓片沿X軸方向受外力Fx作用時(shí)，在垂直于Fx的平面上產(chǎn)生電荷，而且其外力與產(chǎn)生的電荷存在線性關(guān)系。

                                                     圖2  石英晶體圓片受力圖

　　兩個(gè)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(chǎn)生的電荷
　　d11—石英晶體的縱向壓電模數(shù)，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(shù)。

　　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(nèi)，施加足夠的預(yù)緊力后，采用圓膜片與殼體焊接密封。當(dāng)稱重傳感器受外載荷作用時(shí)，石英晶體圓片產(chǎn)生電荷，由電極板收集傳至信號(hào)輸出插座，再由低噪聲的同軸電纜傳輸?shù)诫姾煞糯笃鳎◣в须娙莘答伒倪\(yùn)算放大器），經(jīng)靈敏度歸一化后，按比例的轉(zhuǎn)換成電壓輸出�；蚍糯笃鳛橹亓啃盘�(hào)的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換提供必要的驅(qū)動(dòng)，并將此信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，然后用專用的軟件將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系數(shù)有關(guān)）由反饋電容確定，通常稱為量程電容。通過測(cè)得的電壓值，就可得到所測(cè)載荷的大小。

　　利用石英晶體制造稱重傳感器時(shí)，石英晶體片有并聯(lián)和串聯(lián)連接兩種方法。并聯(lián)連接：兩個(gè)壓電石英晶體片按極化方向相反粘結(jié)，負(fù)電荷集中在中間的負(fù)電極板上，正電荷在兩端的正電極板上。這時(shí)相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)，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(gè)石英晶體片并聯(lián)示意圖

　　如果有n個(gè)石英晶體片按并聯(lián)方式連接，此時(shí)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(gè)石英晶體片工作時(shí)相同。n個(gè)石英晶體片并聯(lián)所產(chǎn)生的電荷為：

　　Qx=ndllFx   （C）

　　串聯(lián)連接：兩個(gè)石英晶體片按極化方向相同粘結(jié)，于是在兩個(gè)石英晶體片粘結(jié)處的中間電極板上正負(fù)電荷相互抵消，這時(shí)總電容量為單個(gè)石英晶體片工作時(shí)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(gè)石英晶體片串聯(lián)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(gè)石英晶體片工作時(shí)相同。

　　由此可得出，多個(gè)石英晶體片并聯(lián)連接時(shí)，輸出電荷量大，電荷靈敏度高；串聯(lián)連接時(shí)，輸出電壓大，電壓靈敏度高。

　　圖4  兩個(gè)石英晶體片串聯(lián)示意圖

　　3.4 壓電石英稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
單分量壓電石英稱重傳感器的結(jié)構(gòu)象一個(gè)承載墊圈，由帶底座的外殼，兩個(gè)X切割的石英晶體圓片，夾在兩個(gè)圓片之間的電極板，帶有密封膜片的上壓頭和信號(hào)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(hào)輸出插座

　　圖5  壓電石英稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　石英晶體的排列為以其晶軸X指向電極板的并聯(lián)連接，使其在外載荷作用下產(chǎn)生的電荷和靈敏度都增加一倍。在裝配時(shí)，必須對(duì)石英晶體圓片施加足夠的預(yù)緊力，就是在較高的預(yù)緊力下使上壓板與外殼成為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，上壓板的膜片與外殼采用電子束焊或激光焊對(duì)石英晶體圓片進(jìn)行密封和保持預(yù)緊力。密封膜片必須具有柔軟的線性彈簧特性。對(duì)石英晶體圓片施加預(yù)緊力進(jìn)行裝配時(shí)應(yīng)作到：預(yù)緊力必須垂直于稱重傳感器表面；在石英晶體圓片上產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)盡量均勻分布；預(yù)緊元件的剛度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)：

　�、倭砍谭秶鷱V，測(cè)量范圍達(dá)10的幾次方，一個(gè)稱重傳感器即可完成全量程測(cè)量，頻率響應(yīng)范圍能在低至接近零周，高達(dá)十千周范圍內(nèi)工作；
　�、诹砍膛c鑒別閾之比可達(dá)100000000，一般比值超過1000000。靈敏度高，測(cè)量值可到上百噸載荷，又能分辨出小至幾公斤的動(dòng)態(tài)力；
　　③剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），是同尺寸應(yīng)變式稱重傳感器的8倍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；
　　④時(shí)間老化率低，無熱釋電現(xiàn)象，工作可靠性高，壽命長；
　�、菔�英晶體的居里點(diǎn)高（573℃），對(duì)溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長期穩(wěn)定性好；
　�、奘�英晶體具有較好的線性，在一般情況下無滯后，組裝成稱重傳感器其動(dòng)態(tài)測(cè)量的綜合誤差優(yōu)于1%；
　　⑦結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，高度低，重量輕，可用多個(gè)石英晶體片組裝大型稱重傳感器；
　　⑧用多分量稱重傳感器進(jìn)行稱重計(jì)量時(shí)，抗交叉干擾能力強(qiáng)，交叉干擾達(dá)到800Hz時(shí)，測(cè)量誤差仍然低于10%，交叉干擾到400Hz時(shí)，測(cè)量誤差小至2%以內(nèi)；
　　⑨使用溫度范圍廣，通常為-200℃～200℃；
　�、庠谑褂脮r(shí)不用事先調(diào)整平衡，操作方便。

　　唯一的缺點(diǎn)是不能在長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。

　　3.5 壓電石英稱重傳感器在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用

　　石英晶體敏感元件及壓電石英稱重傳感器在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用主要有兩種方式。一種是利用多個(gè)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(gè)石英晶體片和電極板直接安裝在特制的梁式承載器內(nèi)，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(nèi)，形成動(dòng)態(tài)公路車輛軸重秤。瑞士Kastler（奇石樂）公司研制的石英晶體動(dòng)態(tài)稱重傳感器就是這種應(yīng)用的典型代表。它的總體結(jié)構(gòu)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(shí)際上其空心是由平行于工字梁上下翼緣的兩個(gè)平面形成的矩形通孔，它的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　圖6  梁式壓電石英稱重傳感器

　　多個(gè)石英晶體片在梁式稱重傳感器內(nèi)的安裝及所施加的預(yù)緊力的大小，對(duì)稱重傳感器的性能影響較大，應(yīng)有嚴(yán)格的裝配要求和裝配工藝。裝配時(shí)首先沿梁式稱重傳感器的水平對(duì)稱軸，對(duì)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(nèi)，先插入電極板，再每隔50mm插入一個(gè)石英晶體片。然后卸掉水平力P，此時(shí)石英晶體片已被施加上預(yù)緊力，并得到了很好的保護(hù)和密封。利用稱重傳感器內(nèi)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(dòng)態(tài)稱重儀表就可實(shí)現(xiàn)公路車輛動(dòng)態(tài)稱重。

　　壓電石英梁式稱重傳感器在應(yīng)用時(shí)必須埋在路面下，梁的上表面為載荷測(cè)量面，下表面安放在公路基礎(chǔ)上為支撐面。由于在高速公路上行駛的車輛，在路面上產(chǎn)生的水平力可能與垂直力的大小相當(dāng)。為保證動(dòng)態(tài)稱量的準(zhǔn)確度，應(yīng)對(duì)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(zhì)量的信號(hào)脈沖形狀和可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。例如：在梁式稱重傳感器埋入地面時(shí)，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個(gè)周邊，將稱重傳感器與水平力隔離，采用75%石英沙和25%環(huán)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(cè)量表面的寬度比車輛輪胎的印跡窄，重量信號(hào)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(shí)段內(nèi)信號(hào)質(zhì)量的穩(wěn)定性和稱重傳感器與路面相互作用的長期穩(wěn)定性。為提高動(dòng)態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，一般都采用排列多個(gè)稱重傳感器求動(dòng)態(tài)稱量平均值的方法。（未完待續(xù)）

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