汽车衡称量过程中各类称重传感器优劣探讨

陈瀚鸣 中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 概述

电子汽车衡的称量检定对货物的贸易结算，对货车的行车安全和对道路的使用寿命至关重要。据统计，70%的道路安全事故是由车辆超载和偏载造成的，而作为货物运输的主体车辆运输，由汽车衡称量不准引起的贸易纠纷也比比皆是。如果称重传感器的选择不合理，既会增加成本，又会造成检测精度达不到要求。本文主要研究市面上主要使用的电阻应变式称重传感器，新兴的压电式传感器和物美价廉的电容式称重传感器，探讨传感器的结构、原理、工作效率、准确度、稳定性、价格等方面，分析并给出参考意见。

2 称重传感器分类

称重传感器按材质、结构、工作原理等有不同的分类。本文以工作原理作为视角，将称重传感器分为电阻应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器，当然还有比较小众的压磁式、振弦式等。

3 称重传感器介绍

3.1 电阻应变式传感器

电阻应变式传感器由电阻应变片、弹性体、检测电路组成，如图1所示。

图1 电阻应变式传感器

电阻应变片（计）是把电阻丝机械式地缠绕在基底上，基底一般使用有机材料。电阻应变片的结构参数主要由灵敏系数K决定。灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7～3.6 之间；其次K值是一个无因次量，所以它没有量纲。

而电阻应变片的电阻变化率=K×ΔL/L，其中K是由材料决定的，所以电阻应变片的电阻变化率主要由材料和电阻丝相对变化率决定，这也是不同型号电阻应变式传感器的主要区别。

需要注意的是，在材料力学中，ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作με。

电阻应变片受到外力作用时会变长，发生变形，横截面积缩小，电阻值改变，这也是电阻应变式传感器的主要工作原理。电阻值的变化将会传递到检测电路，完成力信号到电信号的转变。

弹性元件（弹性片）是一种形状特殊的结构原件。弹性元件作为承上启下的原件，既要给出一个弹力来平衡压力来保障传感器的正常运行，又要能产生一个高品质的应变区，使在此之上的应变片能圆满完成任务，所以弹性元件可以说是此类传感器的中坚力量。不同厂家的电阻应变式传感器价格不同、质量层次不齐，往往就是因为弹性元件的材料差异所导致的。

检测电路作为电阻应变式传感器的“大脑”，负责将电阻应变片的电阻变化变为电压输出。图示的波纹管结构在压力的作用下，波纹管伸长或收缩一直到压力与弹性力平衡为止。这时管的自由端就产生一定位移，通过传动放大机构后，使指针转动显示读数。波纹管自由端的位移与所测压力成正比。现在比较通用的是惠斯顿电桥结构。惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，单片机采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。称重传感器均采用全桥式等臂电桥。将电阻应变片粘固在弹性元件上，当受到压力时，应变片也随之发生形变，应变片的电阻由电桥平衡时的Rx变为Rx+△R，这时检流计通过的电流Ig也将变化，再根据Ig与△R的关系就可测出△R，然后由△R与固体形变之间的关系计算出物体的形变量。

3.2 电容式传感器

如图2所示，电容式传感器的结构非常简单。

图2 电容式称重传感器

电容式传感器并不加装在机械结构上，而是安装在被测车辆的轮轴上方和车厢底部之间。安装完毕后，汽车前后轮轴上的电容测量电路接收到载荷变化，传输一个模拟信号给数模转换器。A/D转换器将接收到的模拟信号转化为数字信号后，将数字信号传输给单片机，单片机经过简单的数据处理后，通过无线信号传输将结果输出到显示仪表。而正因为处理系统是单片机，所以可以做出更复杂的反馈，如超重、偏重时控制汽车报警等。

电容式传感器的这种结构使它在偏载检定中也有一席之地。当车厢内的货物两边轻重不同时，车轮上方的钢板弹簧的变形会不同，会引起车厢倾斜。为降低弹簧变形不同带来的误差，将电容极板固定在轮轴的正中间，因此，当车厢产生倾斜时，电容传感器中心的相对高度仍然可以保持不变。其中电容上极板部分由上屏蔽板和上极板组成，固定在车厢下面，处于车架正中部；电容下极板部分由下屏蔽板和下极板组成，固定在车轴中间的正上方，电容上下两板需要正好上下对齐。电容上下两极板中屏蔽板要求接测量电路中的地。汽车每根轮轴正上方和车身之间都需要安装一个电容称重传感器。当汽车装上货物后，轮轴上安装的钢板弹簧就会出现弹性变形，称重传感器极板间距d就会与原来不同，称重电容的容量值也就会随之产生变化。由于车辆载荷和弹簧的变形量成正比，所以，我们可以预先通过实验的方法标定出电容测量电路输出电压值与汽车轮承受载荷之间的线性关系，然后就能依据各轴上安装的电容传感器输出的电压值测出该轴的承受质量。将汽车各轴上所对应的载荷质量全部相加，就可以求得该车总的载荷质量。

3.3 压电传感器

压电传感器主要由底座、绝缘层和压电材料组成，如图3。

图3 压电传感器结构图

压电传感器的原理是利用所使用的特殊材料的特性：当石英、酒石酸钾钠等材料在某种方向上收到压力而变形时，在材料内的正负电荷将产生相对位移而产生极化反应，从而导致压电材料带电。当外力变小时，压电材料会恢复成不带电状态。当汽车通过汽车衡时，传感器会因此产生电荷信号。电荷信号经过放大电路后转化成电压信号。电压信号的振幅变化与轮胎对传感器施加的压力成正比，频率变化与轮胎停留在传感器上的时间有关。车速越快，轮胎停留时间越短，信号的波形就越窄。所以车速慢、稳定时，信号波形越宽，与标准波形的比对就越准确，转化成的数字信号也就越接近真实数值。

4 三种传感器优缺点比较

4.1 准确度

汽车衡称重传感器最重要的指标是其准确度。电阻应变式传感器和压电式传感器直接安装在汽车衡内，受外力影响较小，而电容式传感器因是便携式，受外界环境影响较大，引入的不确定度分量来源也较多，准确度等级相对较低。压电式传感器与电阻应变式传感器比较，由于压电式传感器原理是利用电荷的相对移动转化成电压信号波形，受到速度、行车平稳度等影响较大；而电阻应变式传感器依靠电阻应变片电阻的变化将力信号直接转化成数字信号，几乎只与受力大小有关，准确度等级也最高。

4.2 稳定性

电阻应变式传感器所使用的弹性元件精度较高，长时间的使用弹性体刚度会降低，这将导致测量结果偏高。电容式传感器也是利用的弹性形而变产生电势差来测量载重，但因为是直接安装在轮对两侧，在不使用时可收起，因此电容测量电路稳定性能得到保证。相比而言，压电式传感器的稳定性最佳。因压电式传感器采用的是压电材料的极化反应而产生电荷信号，这种极化反应并不会因长时间使用而衰变，在很长时间内不会产生大的数据偏移，稳定性可以说是最佳。

4.3 工作效率

电阻应变式传感器和压电式传感器均安装在汽车衡内，每次称量无需重新安装，能大大节约称量时间。与之相比，电容式传感器每次称量需要安装，虽然安装便携但总是需要花费额外时间。不过电容式传感器可以随身携带，并不依赖固定汽车衡，其得天独厚的优势可以在许多特殊情况完成汽车称重、偏载检定，工作效率上可以说各有千秋。压电式传感器因结构比电阻应变式传感器简单，原理更先进，数据处理速度也比电阻应变式稍快。

4.4 价格

电容式传感器无需安装汽车衡，只需电容极板和相应的测量、数模、传输电路，安装成本与另外两款相比大幅度降低。电阻应变式传感器产业链相对完整，所用材料便宜易得，价格上比压电式传感器略有优势。

5 结束语

三种传感器从结构、功能、性能上各不相同却又异曲同工，利用各种原理对力信号进行转化，最终转化成数字信号输送到显示仪表，为我国的汽车衡检定发光发热。电阻应变式传感器作为大部分汽车衡使用的传感器，因其价格实惠、准确度等级高、相对稳定的特点，是绝大部分汽车衡的最优选择。但其弊端也相对明显，其不易长时间使用、测量原理落后、相对笨重、测偏困难等特点始终美中不足。压电式传感器作为新兴的明珠，其非常稳定的极化测量原理和简单的机械结构正越来越受广大厂家、用户的关注。虽然美中不足的是准确度等级较差，但日后经过不断改良、不断优化，必将成为“科学计量”不可忽视的重要一笔。电容式传感器由于其独特的特性，不受位置约束，轻松测偏，在许多地基安装不便的厂区有其用武之地，只要能够不断提升他的准确度，今后也有其一展宏图的位置。总而言之，各类称重传感器各有利弊，互补互足，共同组成了我国法制计量、科学计量的宏伟蓝图，为我国能够保障贸易结算、车辆道路安全奉献上自己的一份力量。