石英晶體稱重原理

1、中國運載火箭技術(shù)研究院第七。二研究所劉九卿【摘 要】 本文介紹了以石英晶體為敏感元件的壓電石英稱重傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點；石英晶體的壓電效應(yīng)， 壓電石英晶體片的并聯(lián)、串聯(lián)連接方法，電荷電壓計算；石英晶體片的裝配要求和裝配工藝；石英晶體敏感元件與電阻 應(yīng)變計的性能比較。分析了利用多個石英晶體敏感元件組裝的工字梁型動態(tài)稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點及其在動態(tài)公 路車輛稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】石英晶體 壓電效應(yīng) 稱重傳感器電荷放大器 動態(tài)稱重 軸重秤一、概述盡管早在1908年P(guān)ierre （皮埃爾）和Jacguse Curie （雅克卡里）就發(fā)現(xiàn)了石英晶體的壓電效應(yīng)，但是用于動態(tài)力的測量還是2

2、0世紀(jì)60年代。當(dāng)時由蘇黎世的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所研制出壓電石英測力傳感器，并利用它制成風(fēng)洞天平，對空氣動力進(jìn)行測量。瑞士聯(lián)邦工學(xué)院和德國 Aachen大學(xué)分別利用石英晶體研制出剛性非常好的三分量測力傳感器，用來測量機床的切削力。20世紀(jì)70年代擴展了壓電石英三分量測力系統(tǒng)，用來測量六個分量和計算力作用點的座標(biāo)；軍事工程部門用于測 量火箭推力向量（力的大小、方向和位置）；汽車工業(yè)部門用于測量輪胎的附著力；生物力學(xué)領(lǐng)域用于運動矯形術(shù)、整 形和姿態(tài)控制。20世紀(jì)80年代在汽車制造業(yè)中壓電石英測力傳感器用于測量汽車點火壓力，汽車碰撞的沖擊力。利用二分量測力傳感器同時測量汽車檢測平臺的垂直力和水平力，將

3、壓電石英測力傳感器埋在路面下，測量汽車輪胎與路面之間的接觸 力。20世紀(jì)90年代公路車輛軸載超限越來越嚴(yán)重，已成為世界難題。在公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報警和軸載 動態(tài)稱重計量中，迫切需要體積小、高度低、重量輕，剛度大，固有頻率高，動態(tài)范圍廣，靈敏度高的動態(tài)稱重傳感器 和動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)。壓電石英晶體敏感元件及其組裝的壓電石英稱重傳感器就具備上述特點。瑞士Kistler （奇石樂）公司開發(fā)出可以埋在路面下的以石英晶體為敏感元件的工字梁型動態(tài)稱重傳感器，用于公路車輛軸載超載預(yù)判，橋 梁超載報警，隧道保護(hù)和車輛軸載計量，取得了很好的應(yīng)用效果。這種壓電石英稱重傳感器已在美國、英國、德國、澳大

4、利亞、韓國、日本等許多國家廣泛應(yīng)用。1993年7月在蘇黎世的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所，根據(jù)歐洲研究項目“COTS323道路動態(tài)稱重”的要求，對壓電石英稱重傳感器與另外 8個商用稱重傳感器進(jìn)行了道路比較試驗。試驗使用數(shù)字式示波器顯示重量信號、并將其儲存在軟盤上，然后將數(shù)據(jù)用計算機進(jìn)行離線分析。除了車輛的軸重和毛重外，車速、軸距、輪距和單雙輪胎等均可確定。 在2050km/h速度下，動態(tài)稱量結(jié)果與動態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果非常吻合，證明壓電石英稱重傳感器完全可以用于公路車輛軸重計量。二、石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體（Quartz Crystal）是二氧化硅無水 化合物，分子式為 Si02,是各向異性的材料，通 常用直角

5、坐標(biāo)軸來表征它的方向性。 典型的石英 晶體外形和直角坐標(biāo)軸如圖 1所示。圖1石英晶體Z軸是石英晶體的對稱軸， 在垂直于Z軸的 平面上，通過相對兩棱的直線叫 X軸，由于石英 晶體呈六角棱形，因此有三個X軸。與X軸和Z 軸都垂直的是Y軸。X軸稱為電軸，Y軸稱為中 性軸（或機械軸）Z軸稱為光軸。通常所說的 X （或Y）切割，就是切割出來的石英晶體片的兩 個平面都與X （或Y）軸相垂直。X切割的石英 晶體片如圖2所示。圖2 X切割的石英晶體片當(dāng)石英晶體片沿X軸方向受一外力作用時， 內(nèi)部產(chǎn)生極化，在垂直于X軸的兩個平面上產(chǎn)生 等量的正負(fù)電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。 而在垂直于Y軸的平面上，沿著 Y軸

6、的方向施 加外力時，在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷， 這 種現(xiàn)象稱為橫向壓電效應(yīng)。 在Y切割（剪切型切 割）石英晶體片中，當(dāng)在垂直于 Y軸的平面內(nèi)， 沿X軸方向受外力作用時，在受力表面產(chǎn)生電 荷，這種現(xiàn)象稱為剪切效應(yīng)。石英晶體的壓電效 應(yīng)是由于在外力作用下石英晶體內(nèi)的硅原子和 氧原子的位置產(chǎn)生相對變形， 正電荷和負(fù)電荷的 重心互相移位所至，產(chǎn)生的電荷由覆蓋在石英晶 體表面的電極板進(jìn)行收集、傳輸。力值的計量就 是直接利用這三個壓電效應(yīng)， 制成單分量或多分 量測力與稱重傳感器。Ux=Qx/Cx=diiFx/Cx十+F? 一, ?j J 一 J.、 I _ J. A .圖3石英晶體圓片受力圖(C)(V

7、)(F)IP：保密三、壓電石英稱重傳感器的工作原理壓電石英稱重傳感器是利用石英晶體的 縱向壓電效應(yīng)將重量信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝 置?，F(xiàn)以一個X切割的石英晶體圓片為例， 計算它的電荷、電壓。石英晶體圓片如圖3所示。設(shè)石英晶體圓片直徑為 d,厚度為to當(dāng) 石英晶體圓片沿X軸方向受外力Fx作用時， 在垂直于Fx的平面上產(chǎn)生電荷， 而且其外力 與產(chǎn)生的電荷存在線性關(guān)系。式中：Qx石英晶體圓片垂直于 Fx平面產(chǎn)生的電荷dii石英晶體的縱向壓電模數(shù)，dii=2.31PC/N 兩個表面之間的電壓 Ux為：式中：Cx石英晶體圓片的電容量Cx= & d d2/4t£ 一石英晶體的介電系數(shù)。將X切

8、割的石英晶體片加工成稱重傳感器殼體所需要的外形和尺寸，按要求連同電極板一起裝入殼體內(nèi)，施加足夠 的預(yù)緊力后，采用圓膜片與殼體焊接密封。當(dāng)稱重傳感器受外載荷作用時，石英晶體圓片產(chǎn)生電荷，由電極板收集傳至 信號輸出插座，再由低噪聲的同軸電纜傳輸?shù)诫姾煞糯笃鳎◣в须娙莘答伒倪\算放大器），經(jīng)靈敏度歸一化后，按比例的轉(zhuǎn)換成電壓輸出。或放大器為重量信號的模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換提供必要的驅(qū)動，并將此信號傳輸?shù)接嬎銠C，然后用專用的軟件將其轉(zhuǎn)換為重量。為了減小電荷的泄漏，放大器的輸入端要有很高的絕緣電阻，通常要求大于10TQo電荷放大器的量程（與轉(zhuǎn)換系數(shù)有關(guān)）由反饋電容確定，通常稱為量程電容。通過測得的電壓值，就可得到

9、所測載荷的大小。利用石英晶體制造稱重傳感器時，石英 晶體片有并聯(lián)和串聯(lián)連接兩種方法。圖4兩個石英晶體片并聯(lián)示意圖并聯(lián)連接：兩個壓電石英晶體片按極化 方向相反粘結(jié)，負(fù)電荷集中在中間的負(fù)電極 板上，正電荷在兩端的正電極板上。這時相 當(dāng)于兩個電容器并聯(lián)，輸出電極板上的電荷 和電容量將增加一倍，如圖 4所示。n倍，電荷靈敏度也增加 n倍，而電壓靈敏度則如果有n個石英晶體片按并聯(lián)方式連接，此時的總輸出電荷將增加與單個石英晶體片工作時相同。 n個石英晶體片并聯(lián)所產(chǎn)生的電荷為:Qx=ndiiFx（C）串聯(lián)連接：兩個石英晶體片按極化方向相同粘結(jié)，于是在兩個石英晶體片粘結(jié)處的中間電極板上正負(fù)電荷相互抵消，這時總

10、電容量為單個石英晶體片工作時的一半，電壓都增大一倍，而總電荷量則不變，如圖5所示。若n個石英晶體片串聯(lián)連接，由于輸出電壓 增加n倍，因此電壓靈敏度也增加 n倍，而電荷 靈敏度則與單個石英晶體片工作時相同。由此可得出，多個石英晶體片并聯(lián)連接時， 輸出電荷量大，電荷靈敏度高；串聯(lián)連接時，輸 出電壓大，電壓靈敏度高。四、壓電石英稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與特點單分量壓電石英稱重傳感器的結(jié)構(gòu)象一個承載墊圈，由帶底座的外殼，兩個X切割的石英晶體圓片，夾在兩個圓片圖5兩個石英晶體片串聯(lián)示意圖之間的電極板，帶有密封膜片的上壓頭和信號輸出插座組成，如圖 6所示。我想知道等級：中級技工權(quán)限:普通用戶積分:1068金錢:8

11、82聲望:5經(jīng)驗:545發(fā)帖數(shù):545注冊時間:2007-6-11.石英晶體片 2.電極板 3.上壓板 4.外殼 5.信號輸出插座圖6壓電石英稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖石英晶體的排列為以其晶軸 X指向電極板的并聯(lián)連接，使其在外載荷作用下產(chǎn)生的電荷和靈敏度都增加一倍。在裝 配時，必須對石英晶體圓片施加足夠的預(yù)緊力，就是在較高的預(yù)緊力下使上壓板與外殼成為一個堅實的整體，上壓板的 膜片與外殼采用電子束焊或激光焊對石英晶體圓片進(jìn)行密封和保持預(yù)緊力。密封膜片必須具有柔軟的線性彈簧特性。對 石英晶體圓片施加預(yù)緊力進(jìn)行裝配時應(yīng)作到：預(yù)緊力必須垂直于稱重傳感器表面；在石英晶體圓片上產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)盡量 均勻分布；預(yù)緊元件的

12、剛度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于稱重傳感器的剛度以保持較高的靈敏度。ip：保密編輯刪除引用第3樓將石英晶體敏感元件與電阻應(yīng)變計進(jìn)行比較，不難得出，電阻應(yīng)變計實際上是測量稱重傳感器彈性體上的應(yīng)變，而不是測量外力。在具體設(shè)計時必須使額定載荷下彈性體上產(chǎn)生的應(yīng)變大小適當(dāng)，即1100左右。實際上電阻應(yīng)變計在彈性體上測量的是一個或幾個位置上的表面應(yīng)變值。表面應(yīng)變是否代表彈性體每一種受載狀態(tài)下的平均應(yīng)變，取決于設(shè)計技術(shù)水平。應(yīng)變式稱重傳感器的固有缺點在動態(tài)稱重中受到較多限制：測量范圍小，對于 10的幾次方的測量范圍必須用 多個不同量程的稱重傳感器進(jìn)行測量；量程與鑒別閾之比通常被限制在50000以下；彈性體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；剛度偏

13、小，固有頻率低；使用溫度范圍小，一般為-10C60C。相對壓電石英稱重傳感器唯一的優(yōu)點是可以進(jìn)行絕對測量和靜態(tài)稱重， 特別是非常適用于精確稱重。與電阻應(yīng)變計不同，石英晶體敏感元件測量的是應(yīng)力，是它產(chǎn)生的電荷對于應(yīng)力的平均值，也就是說石英晶體具有把敏感元件（石英圓片）整個表面上的載荷進(jìn)行積分的能力。壓電石英稱重傳感器與應(yīng)變式稱重傳感器的最大區(qū)別是石英晶體沒有熱電效應(yīng)，即使是溫度瞬變也不會引起信號漂移，而且靈敏度溫度系數(shù)非常小，約為 -0.02% C,因此不必采取特殊手段補償路面溫度的影響。而應(yīng)變式稱重傳感器則必須進(jìn)行零點和靈敏度溫度補償。墊圈式壓電石英稱重傳感器一般有額定量程為100、200、5

14、00kg, I、2、5、10、20、50、100t十種規(guī)格。靈敏度均為 40pc/kg,固有頻率40KHz線性度41%F§絕緣電阻10TQ 50t的壓電石英稱重傳感器的重量只有I00g。壓電石英稱重傳感器具有如下特點：量程范圍廣，測量范圍達(dá) 10的幾次方，一個稱重傳感器即可完成全量程測量，頻率響應(yīng)范圍能在低至接近零周，高達(dá)十千周范圍內(nèi)工作；量程與鑒別I之比可達(dá) 100000000, 一般比值超過10000000靈敏度高，測量值可到上百噸載荷，又能分辨出小至幾公斤的動態(tài)力；剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），是同尺寸應(yīng)變式稱重傳感器的8倍，動態(tài)響應(yīng)快；時間老化率低，無熱釋電現(xiàn)象，工作可

15、靠性高，壽命長；石英晶體的居里點高（573C）,對溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長期穩(wěn)定性好；石英晶體具有較好的線性，在一般情況下無滯后，組裝成稱重傳感器其動態(tài)測量的綜合誤差優(yōu)于1%;結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，高度低，重量輕，可用多個石英晶體片組裝大型稱重傳感器；用多分量稱重傳感器進(jìn)行稱重計量時，抗交叉干擾能力強，交叉干擾達(dá)到 800Hz時，測量誤差仍然低于10%,交叉干擾到400Hz時，測量誤差小至2%以內(nèi)；使用溫度范圍廣，通常為-200C200C;在使用時不用事先調(diào)整平衡，操作方便。唯一的缺點是不能在長時間內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測量。五、壓電石英稱重傳感器在動態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用石英晶體敏感元件及壓電石英

16、稱重傳感器在動態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用主要有兩種方式。一種是利用多個墊圈式壓 電石英稱重傳感器組裝成薄形電子輪重、軸重秤或條形稱重板。一種是利用多個石英晶體片和電極板直接安裝在特制的 梁式承載器內(nèi)，形成專用的壓電石英稱重傳感器，將其埋在公路表面截面為50X 50mm的長槽內(nèi)，形成動態(tài)公路車輛軸重秤。瑞士 Kistler （奇石樂）公司研制的石英晶體動態(tài)稱重傳感器就是這種應(yīng)用的典型代表。它的總體結(jié)構(gòu)如同1m長的工字梁，所不同的是工字梁的腹板為圓形空心截面，實際上其空心是由平行于工字梁上下翼緣的兩個平面形成的矩形 通孔，它的結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7梁式壓電石英稱重傳感器多個石英晶體片在梁式稱重傳感器內(nèi)的

17、安裝及所施加的預(yù)緊力的大小，對稱重傳感器的性能影響較大，應(yīng)有嚴(yán)格的裝配要求和裝配工藝。裝配時首先沿梁式稱重傳感器的水平對稱軸，對圓形腹板施加水平力P,使腹板變形，矩形通孔高度增大。在梁長1m的范圍內(nèi)，先插入電極板，再每隔 50mm插入一個石英晶體片。然后卸掉水平力P,此時石英晶體片已被施加上預(yù)緊力，并得到了很好的保護(hù)和密封。利用稱重傳感器內(nèi)部的溝槽從中間引出低噪聲的同軸電纜，接入與 其配套的動態(tài)稱重儀表就可實現(xiàn)公路車輛動態(tài)稱重。壓電石英梁式稱重傳感器在應(yīng)用時必須埋在路面下，梁的上表面為載荷測量面， 下表面安放在公路基礎(chǔ)上為支撐面。由于在高速公路上行駛的車輛，在路面上產(chǎn)生的水平力可能與垂直力的大

18、小相當(dāng)。為保證動態(tài)稱量的準(zhǔn)確度，應(yīng)對梁式 稱重傳感器與路面采取隔離措施，盡量消除或減少水平力的影響，以獲得高質(zhì)量的信號脈沖形狀和可重復(fù)的測量結(jié)果。例如：在梁式稱重傳感器埋入地面時，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個周邊，將稱重傳感器與水平力隔離，采用75%石英沙和25%環(huán)氧樹脂混合物固定稱重傳感器本體等。由于壓電石英梁式稱重傳感器測量表面的寬度比車輛輪胎的印跡窄，重量信號必須沿車輪接觸長度積分。因此，稱重傳感器的性能主要取決于積分時段內(nèi)信號質(zhì)量的穩(wěn)定性和稱重傳感器與 路面相互作用的長期穩(wěn)定性。為提高動態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，一般都采用排列多個稱重傳感器求動態(tài)稱量平均值的方法。20IP:保密我想知道等級：中級

19、技工權(quán)限:普通用戶積分:1068金錢:882聲望:5經(jīng)驗:545編輯刪除引用第4樓采用壓電石英稱重傳感器進(jìn)行動態(tài)稱重時，應(yīng)特別注意以下兩個問題：(1)電纜：在動態(tài)稱重中，應(yīng)選擇低噪聲屏蔽電纜， 芯線接稱重傳感器信號級， 屏蔽套接外殼，屏蔽套應(yīng)有絕緣層； 必須盡可能固定夾緊電纜，防止連接電纜產(chǎn)生噪聲；與稱重傳感器、電荷放大器的連接接頭，電纜線之間的連接均需要 清潔、干燥，電纜線的絕緣電阻應(yīng)等同稱重傳感器的要求，即靜態(tài)校驗時大于1013Q,動態(tài)校驗時大于109Q;稱重傳感器與電纜接好后，在接入電荷放大器前，應(yīng)使插頭短路，將稱重傳感器內(nèi)的剩余電荷放掉后，再接入電荷放大器，否則發(fā)帖數(shù):545注冊時間：

20、2007-6-1會造成干擾。瑞士 Kistler (奇石樂)公司采用的是銅質(zhì)外殼，內(nèi)部充填鈣鈦壓電粉末的同軸電纜。(2)干擾問題：在動態(tài)稱重中，為了獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果，人們很自然的選用準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的動態(tài)稱重傳感器和高精度的測量儀表。這僅僅是一方面，而往往被忽視的是測試系統(tǒng)理論和測試技術(shù)問題。事實上使用同樣的儀器設(shè) 備，由于測試技術(shù)的完善與否，會得到截然不同的測試結(jié)果，不僅僅是準(zhǔn)確度不同，而且還會給測試結(jié)果引入新的頻率 分量。因此，在動態(tài)稱重中應(yīng)特別注意解決附加地電干擾問題。總之，在動態(tài)稱重中，在保證各測量環(huán)節(jié)都正常工作的情況下，引起動態(tài)稱重誤差的兩個主要問題就是干擾和漂移，應(yīng)引起足夠重視

21、。六、結(jié)語近年來，壓電石英稱重傳感器組成的動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)，在美國、英國、德國、澳大利亞、韓國、日本等國家的高速公路超載識別、橋梁超載報警、隧道保護(hù)和公路收費中得到廣泛的應(yīng)用。例如，美國密蘇里州(Missouri)的所有稱重站都使用以壓電石英稱重傳感器為基礎(chǔ)的動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)，為其提供這套系統(tǒng)的是美國Cardinal (卡甸諾)公司。該公司為了實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的動態(tài)稱重和車速、軸距、單雙輪胎識別等多參數(shù)測量，放棄了傳統(tǒng)的以應(yīng)變式稱重傳感器為基礎(chǔ)的組秤方案， 選擇了瑞士奇石樂公司的 9195型壓電石英稱重傳感器組成動態(tài)稱重系統(tǒng)。這套動態(tài)稱重系統(tǒng)的各項功能特別是動態(tài)稱量準(zhǔn)確度、動態(tài)響應(yīng)速度、工作的穩(wěn)定性和可靠性都達(dá)到了較高的水平、經(jīng)受了考驗。在美國密蘇里州的19個稱重站工作了 3年，只有一個壓電石英稱重傳感器出現(xiàn)故障。美國卡甸諾公司選擇壓電石英稱重傳感器的原因，正是本文所要總結(jié)的壓電石英稱重傳感器具有的突出特點：(1)測量比較準(zhǔn)確且參數(shù)多，長期穩(wěn)定性好，工作可靠性高，在超過 30個月的測試期內(nèi)，靈敏度變化在 2%以內(nèi);(2)結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，可承受路面上通常見到的磨損、壓力、振動和沖擊等，疲勞壽命長，在環(huán)形疲勞試驗場模擬重載交