汽車衡稱量過程中各類稱重傳感器優(yōu)劣探討

陳瀚鳴 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 概述

電子汽車衡的稱量檢定對貨物的貿(mào)易結算，對貨車的行車安全和對道路的使用壽命至關重要。據(jù)統(tǒng)計，70%的道路安全事故是由車輛超載和偏載造成的，而作為貨物運輸?shù)闹黧w車輛運輸，由汽車衡稱量不準引起的貿(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不到要求。本文主要研究市面上主要使用的電阻應變式稱重傳感器，新興的壓電式傳感器和物美價廉的電容式稱重傳感器，探討傳感器的結構、原理、工作效率、準確度、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、結構、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變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器，當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 電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器由電阻應變片、彈性體、檢測電路組成，如圖1所示。

圖1 電阻應變式傳感器

電阻應變片（計）是把電阻絲機械式地纏繞在基底上，基底一般使用有機材料。電阻應變片的結構參數(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決定的一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，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變式傳感器的主要區(qū)別。

需要注意的是，在材料力學中，ΔL/L稱作為應變，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變。

彈性元件（彈性片）是一種形狀特殊的結構原件。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行，又要能產(chǎn)生一個高品質的應變區(qū)，使在此之上的應變片能圓滿完成任務，所以彈性元件可以說是此類傳感器的中堅力量。不同廠家的電阻應變式傳感器價格不同、質量層次不齊，往往就是因為彈性元件的材料差異所導致的。

檢測電路作為電阻應變式傳感器的“大腦”，負責將電阻應變片的電阻變化變?yōu)殡妷狠敵觥D示的波紋管結構在壓力的作用下，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，通過傳動放大機構后，使指針轉動顯示讀數(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構?；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，單片機采集可變電阻兩端的電壓然后處理，就可以計算出相應的物理量的變化，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。將電阻應變片粘固在彈性元件上，當受到壓力時，應變片也隨之發(fā)生形變，應變片的電阻由電橋平衡時的Rx變?yōu)镽x+△R，這時檢流計通過的電流Ig也將變化，再根據(jù)Ig與△R的關系就可測出△R，然后由△R與固體形變之間的關系計算出物體的形變量。

3.2 電容式傳感器

如圖2所示，電容式傳感器的結構非常簡單。

圖2 電容式稱重傳感器

電容式傳感器并不加裝在機械結構上，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)模轉換器。A/D轉換器將接收到的模擬信號轉化為數(shù)字信號后，將數(shù)字信號傳輸給單片機，單片機經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后，通過無線信號傳輸將結果輸出到顯示儀表。而正因為處理系統(tǒng)是單片機，所以可以做出更復雜的反饋，如超重、偏重時控制汽車報警等。

電容式傳感器的這種結構使它在偏載檢定中也有一席之地。當車廂內(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，我們可以預先通過實驗的方法標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量。將汽車各軸上所對應的載荷質量全部相加，就可以求得該車總的載荷質量。

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 壓電傳感器結構圖

壓電傳感器的原理是利用所使用的特殊材料的特性：當石英、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)的正負電荷將產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生極化反應，從而導致壓電材料帶電。當外力變小時，壓電材料會恢復成不帶電狀態(tài)。當汽車通過汽車衡時，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。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，與標準波形的比對就越準確，轉化成的數(shù)字信號也就越接近真實數(shù)值。

4 三種傳感器優(yōu)缺點比較

4.1 準確度

汽車衡稱重傳感器最重要的指標是其準確度。電阻應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，準確度等級相對較低。壓電式傳感器與電阻應變式傳感器比較，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；而電阻應變式傳感器依靠電阻應變片電阻的變化將力信號直接轉化成數(shù)字信號，幾乎只與受力大小有關，準確度等級也最高。

4.2 穩(wěn)定性

電阻應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，這將導致測量結果偏高。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，但因為是直接安裝在輪對兩側，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而產(chǎn)生電荷信號，這種極化反應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。壓電式傳感器因結構比電阻應變式傳感器簡單，原理更先進，數(shù)據(jù)處理速度也比電阻應變式稍快。

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 結束語

三種傳感器從結構、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行轉化，最終轉化成數(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。電阻應變式傳感器作為大部分汽車衡使用的傳感器，因其價格實惠、準確度等級高、相對穩(wěn)定的特點，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械結構正越來越受廣大廠家、用戶的關注。雖然美中不足的是準確度等級較差，但日后經(jīng)過不斷改良、不斷優(yōu)化，必將成為“科學計量”不可忽視的重要一筆。電容式傳感器由于其獨特的特性，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，互補互足，共同組成了我國法制計量、科學計量的宏偉藍圖，為我國能夠保障貿(mào)易結算、車輛道路安全奉獻上自己的一份力量。