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1、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。Lifearoundusalotofvehicles,numerousvehiclesperdaysailingonthehighway,manylargetrucksoverloadingphenomenonmoreandmoreseriou
2、s,mayleadtoseriousscourgecar,blockingtraffic,inordertoreducevehiclemustestablishoverweightcarathighspeed,saiddynamicweightdetectionsystemtotrafficrunningsmoothly,topreventaccidentscausedbecausethecarinwhichtoachievethisfunctionalitytousesensorswhichtherearemanytypes,includingautomotivedynamicweigh
3、ingsystemisbasedonthepiezoelectricsensor.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
4、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
5、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
6、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
7、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
