鄭州衡量科技股份有限公司 涂必文
【摘要】從傳感器原理，傳感器應(yīng)用，實際檢測數(shù)據(jù)三方面，淺析石英晶體式稱重傳感器是否適用現(xiàn)行稱重傳感器蠕變測試指標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】石英晶體傳感器；動態(tài)稱重；蠕變性能檢測
【名詞解釋】
l 動態(tài)稱重：通過測量和分析輪胎動態(tài)力測算一輛運動中的車輛的總重和部分重量的過程。
l 局部稱重:不完全承載載荷的全部力，通過計算獲取載荷重量的方式。
l 機電耦合系數(shù)：壓電體通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化的能量對輸入于壓電體的總能量的比值，標(biāo)志壓電體將機械能與電能互相轉(zhuǎn)換時的效率。
l 蠕變：在載荷不變，所有環(huán)境和其他變量也保持不變的條件下，稱重傳感器輸出隨時間發(fā)生的變化。
引言
隨著運輸工業(yè)生產(chǎn)及傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，稱重傳感器產(chǎn)品日益豐富，并在計量系統(tǒng)內(nèi)不斷發(fā)揮其優(yōu)勢和作用，總體分為兩大體系：應(yīng)變式和壓電式。對于應(yīng)變式稱重設(shè)備來說蠕變是由彈性體產(chǎn)生的正蠕變和應(yīng)變片，應(yīng)變膠產(chǎn)生的負蠕變綜合影響而形成。根據(jù)現(xiàn)行稱重傳感器國家標(biāo)準GB/T7551蠕變是判定全載荷靜態(tài)傳感器一段時間內(nèi)（一般為30分鐘）穩(wěn)定性和精度的重要指標(biāo)。石英晶體稱重傳感器作為一種以局部稱重，動態(tài)稱重為應(yīng)用場景的壓電式傳感器；本文淺從傳感器原理，傳感器應(yīng)用，實際檢測數(shù)據(jù)三方面，分析以石英晶體式稱重傳感器是否適用現(xiàn)行稱重傳感器蠕變測試指標(biāo)。
蠕變產(chǎn)生的原因
傳統(tǒng)應(yīng)變式傳感器的基礎(chǔ)原理是將應(yīng)變柵計（一般選擇康銅合金）粘貼在彈性體（一般采用合金鋼或不銹鋼），按照柱式或橋式結(jié)構(gòu)通過檢測受力造成的形變，進而引起應(yīng)變片阻值變化。產(chǎn)生蠕變的主要原因為1.彈性體因材料內(nèi)應(yīng)力帶來的滯彈效應(yīng)2.敏感應(yīng)變柵計材料作為一種薄膜電阻柵本身存在相應(yīng)的蠕變特性3.粘貼應(yīng)變膠材料和生產(chǎn)工藝造成的蠕變，實際測試顯示選用成型薄膜作為基底的應(yīng)變計基底每薄 2μm，蠕變大約往負向變化 0.02%，蓋層厚度薄 5μm~10μm，蠕變大約往負向變化0.02%。因此對于應(yīng)變式傳感器來說其蠕變特性是直接判斷傳感器性能優(yōu)劣的核心參數(shù)，同時也是衡量傳感器性能的核心測試指標(biāo)。
石英晶體稱重傳感器原理分析
圖1
石英晶體稱重傳感器是以石英晶體為敏感元件的動態(tài)稱重傳感器，構(gòu)造如圖1所示將晶體按一定方向切割成片狀，按一定規(guī)則裝配在鋁合金基材內(nèi)腔里，兩側(cè)用柔性填充材料包裹，底端固定依靠上表面承載層檢測傳導(dǎo)壓力。力是直接通過工形空腔型材傳導(dǎo)到石英晶體表面。其次石英晶體表面硬度可高達莫氏硬度7.5，是自然界中硬度僅次于鉆石的晶體材質(zhì)，通過局部檢測后造成的晶體形變幾乎為0，不存在滯彈效應(yīng)。另外稱重利用的是其壓電效應(yīng)：晶體受到固定方向的力的作用時，表面即產(chǎn)生與力呈線性比例的電荷。，不依賴于檢測形變量進行檢測。當(dāng)鋁合金基材上下表面受到壓力時，力傳導(dǎo)到石英晶體，收集在石英晶體上下表面產(chǎn)生大小相等、方向相反，與受力呈線性的電荷。單純從傳感器角度來說，產(chǎn)生的電荷量Q與所有壓力F呈比例線性。因此石英晶體稱重傳感器從原理上來說并不會產(chǎn)生大幅度蠕變。
實驗數(shù)據(jù)分析
實驗條件：檢驗合格的石英晶體傳感器，電荷放大器，力標(biāo)準機；實驗步驟：置零后，在傳感器中心位置施加90%Emax~100%Emax = 20kN的力，加載時間200s，每20s記錄一次放大器輸出示值。
傳感器型號 | HL-S-QZ70 |
電荷放大器型號 | HL-A-CH08 |
傳感器編號 | 202212055 |
傳感器內(nèi)阻值 | ＞100GΩ |
放大器輸入內(nèi)阻 | ＞10GΩ |
傳感器長度 | 1750mm |
測試環(huán)境溫度 | 12.3℃ |
測試環(huán)境濕度 | 38% |
在以上測試條件下，使用標(biāo)準力壓力機在石英傳感器中心位置施加20kN的力并保持恒定，每20s記錄一次電荷放大器輸出示值，并繪制特性曲線.
時間 載荷值 | 0s | 20s | 40s | 60s | 80s | 100s | 120s | 140s | 160s | 180s | 200s |
2kN | 7.47v | 7.37v | 7.12 v | 6.92 v | 6.72 v | 6.53 v | 6.33 v | 6.15 v | 5.95 v | 5.78 v | 5.64 v |
石英傳感器短時間的蠕變特征曲線：
通過蠕變曲線可以看出，高阻抗的輸入電阻并不能完全阻止電荷的泄露，因此輸出信號在標(biāo)準力不變的情況下以約0.7%/10s的速度不斷減少，3分鐘內(nèi)減少至標(biāo)準輸出值的87%。遠超現(xiàn)行稱重傳感器國家標(biāo)準中“初次讀數(shù)與其后30min內(nèi)記錄的任一讀數(shù)只差，應(yīng)不大于所加載荷最大允許誤差絕 對值的0.7倍”這一標(biāo)準。
誤差原因
既然石英晶體稱重傳感器本身不存在蠕變的特性為什么實際測試結(jié)果如此差呢。目前技術(shù)上并沒有可以穩(wěn)定檢測微小靜態(tài)電荷量的專 業(yè)設(shè)備，在測試時一般的會使用專石英晶體承載-信號組合模式進行測試將電荷量轉(zhuǎn)換為電壓Uo信號并放大輸出檢測。
如上圖所示：壓電晶體受到壓力作用產(chǎn)生電荷Q；Ca 是傳感器級間電容，Qa 是此時充到Ca 中的電荷；Cc 是傳感器傳輸電纜的電容，Qc是此時充到Cc 中的電荷，Gc 是輸入電纜漏電導(dǎo)；Ci是電荷放大器的輸入電容，Q1 是此時充到C1 中的電荷，G1 是放大器的輸入電導(dǎo)；Ud 是此時在運算放大器反相輸入端上產(chǎn)生的差動電壓；Cf 是電荷放大器的反饋電容，作用到Cf 兩端的電壓是Ud 和輸出電壓Uo 的差值，Qf 是此時充入Cf 的電荷，Rg 是放大器的反饋電導(dǎo)；運算放大器的開環(huán)系數(shù)為A，由于電壓是反向輸入，所以： Uo=-A×Ud.
因此作用在Cf 兩端的電壓為：
Ucf=Ud-（-A×Ud）=Ud×（1+A）
假設(shè)反饋電阻Rg的阻值為無限大時：
Q=Qa+Qc+Q1+Qf=Ud×（Ca+Cc+C1+（1+A）Cf）
所以
Ud=Q/(Ca+Cc+C1+(1+A)Cf);
Uo=（-A*Q）/（Ca+Cc+C1+(1+A)Cf）;
在±0.5%精度的范圍內(nèi)可以忽略部分數(shù)量級小的部分，可以認為：
Uo = -Q/Cf;即輸出電壓與電荷呈線性關(guān)系；
在實際設(shè)備中不論是輸入電纜漏電導(dǎo)Gc，放大器的輸入電導(dǎo)G1以及反饋電阻Rg并不能做到完全絕緣，并且為保障零點非持續(xù)漂移必須存在反饋電阻。因此實際持續(xù)施加穩(wěn)定載荷，起初電壓Uo與產(chǎn)生電荷Q與施加的力F程比例輸出，但電荷在漏電流作用下不斷泄放，輸出電壓將呈逐漸下降趨勢。以反饋電阻＞10G計算，泄放時間常數(shù)τ=RC≈220s，與實際測試結(jié)果相對應(yīng)。因此測試結(jié)果的蠕變輸出誤差是由于電荷放大器電路造成的，并且是不可避免的。
應(yīng)用場景分析
如傳感器安裝布局俯視圖所示，采用整條多排布局方式，即相同間隔的多根傳感器共同檢測，即使車輪長時間停止到單一傳感器正上方施加持續(xù)載荷，其余多排傳感器仍能正常輸出，保障稱重結(jié)果穩(wěn)定性。其次，石英式稱重傳感器應(yīng)用于動態(tài)汽車衡適用速度范圍一般為0.5~100km/h。以貨車較大尺寸輪胎8.25R20 XR850為例，滿負荷單個輪胎的觸地寬度L約為60cm，以檢測速度vmin = 0.5km/h = 13.9cm/s通過一根寬度為5.5cm的傳感器時，傳感器最大受力時間t=L/vmin=4.3s。因此從應(yīng)用角度考慮蠕變性能石英晶體稱重傳感器應(yīng)用效果并無影響。
傳感器安裝布局俯視圖
傳感器安裝布局剖視圖
結(jié)論
石英晶體稱重傳感器因為其無熱釋電效應(yīng)，固有頻率高，動態(tài)范圍廣，重復(fù)精度高，滯后小，壽命長，免維護的特性，廣泛應(yīng)用于各貨運車輛動態(tài)稱重方案中，并收獲市場的廣泛認同。但從壓電式稱重傳感器原理來說電荷的正負相吸和活躍特性，決定了無法無損長期穩(wěn)定的檢測靜態(tài)電荷，而轉(zhuǎn)換必然帶來損耗；從實測數(shù)據(jù)也表明20s以上石英晶體承載-信號組合模塊的特性無法滿足現(xiàn)行GB/T 7551標(biāo)準蠕變誤差要求；從應(yīng)用場景分析，多排布局的動態(tài)稱重應(yīng)用無需對傳感器長時間蠕變性能進行要求；綜上所述，認為石英晶體稱重傳感器并不適用于現(xiàn)行蠕變指標(biāo)測試。因此筆者建議參考最 新修訂的動態(tài)公路車輛自動衡器國家標(biāo)準GB/T 21296.5-2020的第5部分：石英晶體式，對于石英晶體稱重傳感器按照其原理特性針對性的檢測其非線性誤差，重復(fù)性誤差，橫向靈敏度一致性誤差，絕緣阻抗和過載能力等。
