陳瀚鳴 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 概述

電子汽車衡的稱量檢定對貨物的貿(mào)易結(jié)算，對貨車的行車安全和對道路的使用壽命至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%的道路安全事故是由車輛超載和偏載造成的，而作為貨物運(yùn)輸?shù)闹黧w車輛運(yùn)輸，由汽車衡稱量不準(zhǔn)引起的貿(mào)易糾紛也比比皆是。如果稱重傳感器的選擇不合理，既會增加成本，又會造成檢測精度達(dá)不到要求。本文主要研究市面上主要使用的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，新興的壓電式傳感器和物美價廉的電容式稱重傳感器，探討傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、工作效率、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、價格等方面，分析并給出參考意見。

2 稱重傳感器分類

稱重傳感器按材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工作原理等有不同的分類。本文以工作原理作為視角，將稱重傳感器分為電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器，當(dāng)然還有比較小眾的壓磁式、振弦式等。

3 稱重傳感器介紹

3.1 電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片、彈性體、檢測電路組成，如圖1所示。

圖1 電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變片（計(jì)）是把電阻絲機(jī)械式地纏繞在基底上，基底一般使用有機(jī)材料。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由靈敏系數(shù)K決定。靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7～3.6 之間；其次K值是一個無因次量，所以它沒有量綱。

而電阻應(yīng)變片的電阻變化率=K×ΔL/L，其中K是由材料決定的，所以電阻應(yīng)變片的電阻變化率主要由材料和電阻絲相對變化率決定，這也是不同型號電阻應(yīng)變式傳感器的主要區(qū)別。

需要注意的是，在材料力學(xué)中，ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。

電阻應(yīng)變片受到外力作用時會變長，發(fā)生變形，橫截面積縮小，電阻值改變，這也是電阻應(yīng)變式傳感器的主要工作原理。電阻值的變化將會傳遞到檢測電路，完成力信號到電信號的轉(zhuǎn)變。

彈性元件（彈性片）是一種形狀特殊的結(jié)構(gòu)原件。彈性元件作為承上啟下的原件，既要給出一個彈力來平衡壓力來保障傳感器的正常運(yùn)行，又要能產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變區(qū)，使在此之上的應(yīng)變片能圓滿完成任務(wù)，所以彈性元件可以說是此類傳感器的中堅(jiān)力量。不同廠家的電阻應(yīng)變式傳感器價格不同、質(zhì)量層次不齊，往往就是因?yàn)閺椥栽牟牧喜町愃鶎?dǎo)致的。

檢測電路作為電阻應(yīng)變式傳感器的“大腦”，負(fù)責(zé)將電阻應(yīng)變片的電阻變化變?yōu)殡妷狠敵?。圖示的波紋管結(jié)構(gòu)在壓力的作用下，波紋管伸長或收縮一直到壓力與彈性力平衡為止。這時管的自由端就產(chǎn)生一定位移，通過傳動放大機(jī)構(gòu)后，使指針轉(zhuǎn)動顯示讀數(shù)。波紋管自由端的位移與所測壓力成正比?，F(xiàn)在比較通用的是惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)?；菟雇姌蚴怯伤膫€電阻組成的電橋電路，這四個電阻分別叫做電橋的橋臂，惠斯通電橋利用電阻的變化來測量物理量的變化，單片機(jī)采集可變電阻兩端的電壓然后處理，就可以計(jì)算出相應(yīng)的物理量的變化，是一種精度很高的測量方式。稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。將電阻應(yīng)變片粘固在彈性元件上，當(dāng)受到壓力時，應(yīng)變片也隨之發(fā)生形變，應(yīng)變片的電阻由電橋平衡時的Rx變?yōu)镽x+△R，這時檢流計(jì)通過的電流Ig也將變化，再根據(jù)Ig與△R的關(guān)系就可測出△R，然后由△R與固體形變之間的關(guān)系計(jì)算出物體的形變量。

3.2 電容式傳感器

如圖2所示，電容式傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡單。

圖2 電容式稱重傳感器

電容式傳感器并不加裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，而是安裝在被測車輛的輪軸上方和車廂底部之間。安裝完畢后，汽車前后輪軸上的電容測量電路接收到載荷變化，傳輸一個模擬信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，將數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后，通過無線信號傳輸將結(jié)果輸出到顯示儀表。而正因?yàn)樘幚硐到y(tǒng)是單片機(jī)，所以可以做出更復(fù)雜的反饋，如超重、偏重時控制汽車報警等。

電容式傳感器的這種結(jié)構(gòu)使它在偏載檢定中也有一席之地。當(dāng)車廂內(nèi)的貨物兩邊輕重不同時，車輪上方的鋼板彈簧的變形會不同，會引起車廂傾斜。為降低彈簧變形不同帶來的誤差，將電容極板固定在輪軸的正中間，因此，當(dāng)車廂產(chǎn)生傾斜時，電容傳感器中心的相對高度仍然可以保持不變。其中電容上極板部分由上屏蔽板和上極板組成，固定在車廂下面，處于車架正中部；電容下極板部分由下屏蔽板和下極板組成，固定在車軸中間的正上方，電容上下兩板需要正好上下對齊。電容上下兩極板中屏蔽板要求接測量電路中的地。汽車每根輪軸正上方和車身之間都需要安裝一個電容稱重傳感器。當(dāng)汽車裝上貨物后，輪軸上安裝的鋼板彈簧就會出現(xiàn)彈性變形，稱重傳感器極板間距d就會與原來不同，稱重電容的容量值也就會隨之產(chǎn)生變化。由于車輛載荷和彈簧的變形量成正比，所以，我們可以預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)的方法標(biāo)定出電容測量電路輸出電壓值與汽車輪承受載荷之間的線性關(guān)系，然后就能依據(jù)各軸上安裝的電容傳感器輸出的電壓值測出該軸的承受質(zhì)量。將汽車各軸上所對應(yīng)的載荷質(zhì)量全部相加，就可以求得該車總的載荷質(zhì)量。

3.3 壓電傳感器

壓電傳感器主要由底座、絕緣層和壓電材料組成，如圖3。

圖3 壓電傳感器結(jié)構(gòu)圖

壓電傳感器的原理是利用所使用的特殊材料的特性：當(dāng)石英、酒石酸鉀鈉等材料在某種方向上收到壓力而變形時，在材料內(nèi)的正負(fù)電荷將產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生極化反應(yīng)，從而導(dǎo)致壓電材料帶電。當(dāng)外力變小時，壓電材料會恢復(fù)成不帶電狀態(tài)。當(dāng)汽車通過汽車衡時，傳感器會因此產(chǎn)生電荷信號。電荷信號經(jīng)過放大電路后轉(zhuǎn)化成電壓信號。電壓信號的振幅變化與輪胎對傳感器施加的壓力成正比，頻率變化與輪胎停留在傳感器上的時間有關(guān)。車速越快，輪胎停留時間越短，信號的波形就越窄。所以車速慢、穩(wěn)定時，信號波形越寬，與標(biāo)準(zhǔn)波形的比對就越準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號也就越接近真實(shí)數(shù)值。

4 三種傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較

4.1 準(zhǔn)確度

汽車衡稱重傳感器最重要的指標(biāo)是其準(zhǔn)確度。電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器直接安裝在汽車衡內(nèi)，受外力影響較小，而電容式傳感器因是便攜式，受外界環(huán)境影響較大，引入的不確定度分量來源也較多，準(zhǔn)確度等級相對較低。壓電式傳感器與電阻應(yīng)變式傳感器比較，由于壓電式傳感器原理是利用電荷的相對移動轉(zhuǎn)化成電壓信號波形，受到速度、行車平穩(wěn)度等影響較大；而電阻應(yīng)變式傳感器依靠電阻應(yīng)變片電阻的變化將力信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，幾乎只與受力大小有關(guān)，準(zhǔn)確度等級也最高。

4.2 穩(wěn)定性

電阻應(yīng)變式傳感器所使用的彈性元件精度較高，長時間的使用彈性體剛度會降低，這將導(dǎo)致測量結(jié)果偏高。電容式傳感器也是利用的彈性形而變產(chǎn)生電勢差來測量載重，但因?yàn)槭侵苯影惭b在輪對兩側(cè)，在不使用時可收起，因此電容測量電路穩(wěn)定性能得到保證。相比而言，壓電式傳感器的穩(wěn)定性最佳。因壓電式傳感器采用的是壓電材料的極化反應(yīng)而產(chǎn)生電荷信號，這種極化反應(yīng)并不會因長時間使用而衰變，在很長時間內(nèi)不會產(chǎn)生大的數(shù)據(jù)偏移，穩(wěn)定性可以說是最佳。

4.3 工作效率

電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器均安裝在汽車衡內(nèi)，每次稱量無需重新安裝，能大大節(jié)約稱量時間。與之相比，電容式傳感器每次稱量需要安裝，雖然安裝便攜但總是需要花費(fèi)額外時間。不過電容式傳感器可以隨身攜帶，并不依賴固定汽車衡，其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢可以在許多特殊情況完成汽車稱重、偏載檢定，工作效率上可以說各有千秋。壓電式傳感器因結(jié)構(gòu)比電阻應(yīng)變式傳感器簡單，原理更先進(jìn)，數(shù)據(jù)處理速度也比電阻應(yīng)變式稍快。

4.4 價格

電容式傳感器無需安裝汽車衡，只需電容極板和相應(yīng)的測量、數(shù)模、傳輸電路，安裝成本與另外兩款相比大幅度降低。電阻應(yīng)變式傳感器產(chǎn)業(yè)鏈相對完整，所用材料便宜易得，價格上比壓電式傳感器略有優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

三種傳感器從結(jié)構(gòu)、功能、性能上各不相同卻又異曲同工，利用各種原理對力信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸送到顯示儀表，為我國的汽車衡檢定發(fā)光發(fā)熱。電阻應(yīng)變式傳感器作為大部分汽車衡使用的傳感器，因其價格實(shí)惠、準(zhǔn)確度等級高、相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，是絕大部分汽車衡的最優(yōu)選擇。但其弊端也相對明顯，其不易長時間使用、測量原理落后、相對笨重、測偏困難等特點(diǎn)始終美中不足。壓電式傳感器作為新興的明珠，其非常穩(wěn)定的極化測量原理和簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)正越來越受廣大廠家、用戶的關(guān)注。雖然美中不足的是準(zhǔn)確度等級較差，但日后經(jīng)過不斷改良、不斷優(yōu)化，必將成為“科學(xué)計(jì)量”不可忽視的重要一筆。電容式傳感器由于其獨(dú)特的特性，不受位置約束，輕松測偏，在許多地基安裝不便的廠區(qū)有其用武之地，只要能夠不斷提升他的準(zhǔn)確度，今后也有其一展宏圖的位置?？偠灾黝惙Q重傳感器各有利弊，互補(bǔ)互足，共同組成了我國法制計(jì)量、科學(xué)計(jì)量的宏偉藍(lán)圖，為我國能夠保障貿(mào)易結(jié)算、車輛道路安全奉獻(xiàn)上自己的一份力量。