基于压电陶瓷材料的无线动态称重传感器设计与优化

引言

在智能交通与工业自动化快速发展的背景下，动态称重技术作为实现车辆不停车检测、物料实时监控的关键技术，需求日益增长。传统称重传感器如应变式、电容式传感器，存在动态响应慢、易受环境干扰、布线复杂等缺陷，难以满足高精度、实时性的称重需求。

一、压电陶瓷材料与无线动态称重传感器基础理论

1.1 压电陶瓷材料特性

压电陶瓷材料基于包括正压电效应与逆压电效应，这一特性使其能将车辆荷载引起的应力转换为电信号。常见的压电陶瓷材料如 PZT，具有较高的压电常数，能产生较强的电信号输出，提高传感器灵敏度。介电性能方面，压电陶瓷材料的相对介电常数较高，这使其在高频响应下仍能保持良好的电荷积累能力，适合动态称重场景下快速变化的荷载测量。

1.2 动态称重原理

动态称重通过传感器采集车辆行驶过程中对路面的作用力，计算车辆轴重与总重。其核心在于处理车辆 - 传感器的相互作用关系。当车辆通过传感器时，轮胎与路面接触产生的垂直力使传感器发生弹性变形，压电陶瓷元件因正压电效应产生电荷信号。该信号与车辆荷载大小成正比，但受车辆速度、加速度、轮胎特性等因素影响，呈现复杂的动态特性。与静态称重相比，动态称重面临更大挑战：车辆行驶产生的振动与冲击会导致信号波动，车速变化引起的荷载分布不均会引入测量误差。为准确获取重量信息，需采用合适的信号处理方法，如滤波去除高频噪声，通过时频分析提取有效特征，结合车辆动力学模型补偿动态误差。

1.3 无线传输技术基础

无线传输技术为动态称重传感器的数据远程采集与监控提供解决方案。常见的无线通信协议各有特点：蓝牙技术工作在 2.4GHz 频段，传输距离约十米，适合短距离、低功耗的数据传输，如传感器与手持终端的通信。其优势在于协议成熟、设备普及，但传输距离有限，需在近距离范围内布置接收设备。在动态称重系统中，多个传感器节点可通过 ZigBee 组成 Mesh 网络，将数据汇聚到网关后上传至监控中心。LoRa 技术属于低功耗广域网，传输距离可达数公里，具有远距离、低功耗、大容量的特点，适合大范围分布的称重传感器数据传输，尤其适用于高速公路等长距离监测场景。

二、基于压电陶瓷材料的无线动态称重传感器设计

2.1 传感器结构设计

传感器结构设计需兼顾力学性能与安装适用性。压电陶瓷元件布置采用对称分布方式，将多个 PZT 元件串联或并联嵌入弹性体内部，确保受力均匀且信号叠加增强。弹性体选型方面，选用高强度铝合金或钛合金材料，通过优化结构参数提升应力集中效应。以轮辐式弹性体为例，其独特的轮辐状结构能有效放大压电陶瓷元件的受力，将应力集中系数提高，显著提升传感器灵敏度。封装设计采用全密封防水结构，外层包裹环氧树脂胶，防护等级达 IP67，可抵御雨水侵蚀与车辆碾压。

2.2 信号处理电路设计

信号处理电路旨在实现微弱压电信号的精准提取。前置放大模块采用低噪声运算放大器（如 INA128），其输入偏置电流低至 50pA，可有效抑制信号失真，将压电陶瓷产生的微伏级信号放大至毫伏级。滤波电路采用二阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率设为100Hz ，滤除车辆行驶振动产生的高频噪声，保留有效荷载信号。A/D 转换模块选用 24位高精度 ADC 芯片（如 ADS1256），其分辨率达 0.1μV ，可实现对微弱信号的量化采集。加入温度补偿电路，通过热敏电阻实时监测环境温度，补偿压电陶瓷材料因温度变化导致的性能漂移，确保称重数据的稳定性与准确性。

2.3 无线通信模块设计

在无线通信模块设计方面，要综合考虑数据传输范围、能耗以及时延要求，结合公路不停车称重的特点，选择以 LoRa 技术优先实现，结合 SX1278 芯片构建通信模块，通讯时在 433MHz 频带覆盖距离范围 5km，能够满足远距离传输要求；结合扩频因子和发射功率大小，平衡传输速率和消耗功率，1 个传感器节点可以支撑 1 个电池寿命 1 年以上。工业车间短距离选用蓝牙 5.0，提供 2Mbps 高速传输和节能模式，在短时间内将称重信息传送至车间监测系统。在协议层面，设计的协议数据帧格式结合传感器 ID 号、时间标签、重量值，同时配备 CRC 校验码，保证传输效率。

三、传感器性能优化与仿真分析

3.1 优化目标与方法

从压电陶瓷材料的无线动态称重传感器的性能来说，主要是对灵敏度、线性度、稳定性和抗干扰水平的改善，提升灵敏度能加强对微小荷载变化的灵敏度，使车辆即使是小型车辆甚至是微小质量的变化也能够清晰地感受到；提高线性度能够对称重传感器输出的信号与车辆的实际荷载量有更好接近直线的线性关系，进而能够对载荷的误差有更好地控制；稳定性和抗干扰性能够更加确保称重传感器即使在恶劣的环境或者是车辆移动时所产生的振动的干扰、电磁干扰等条件下能够输出准确的结果。

3.2 有限元仿真分析

对传感器采用专业的建模仿真软件进行三维有限元模型建立，分别建立力学模型和电学模型，全面分析传感器力学、电学模型；在有限元模型创建过程中，精确分配压电陶瓷和弹性体的材料属性，并考虑到两者的耦合关系；精确划分模型网格，在压力集中区域和将产生的信号转换区域适当细化网格，保证计算准确性和合理性；设置恰当的边界条件，在车碾压过程传感器受力情况下模拟传感器受力情况，在有限元模型力学方面，进行应力、应变在弹性体和压电陶瓷的分布及传递；进行有限元模型电学方面，在电荷形成、积累及传播过程中判断信号转换性能；分析力学合理性。

3.3 仿真结果分析

以上仿真结果多层面论证了传感器性能优化效果。在力学优化基础上，改变了弹性体的形貌和大小，使得弹性体分布的应力变得更加均匀合理，从而规避了局部应力集中造成的性能下降和结构破坏风险，提升了传感器的力学刚性；压电陶瓷的受力状态有所改变，更好地实现了信号的转换，从而提升了传感器的灵敏度；线性度优化效果较好，优化之后传感器的输出信号与荷载之间的非线性误差显著减小，保证了测量的精度。

结语

基于压电陶瓷材料的无线动态称重传感器通过创新设计与性能优化，有效解决了传统称重技术的局限性。从机械结构的合理布局到信号处理、无线传输模块的构建，再结合先进算法与仿真技术的优化，显著提升了传感器的精准度与稳定性。未来，随着材料与技术的持续创新，此类传感器有望在更多领域实现深度应用，为智能称重技术发展注入新动能。

[1]姜海燕,宋庆军,谢统颜.传感器与检测技术的网络实验室构建[J].实验室研究与探索,2014,33(01):17-19+37.

[2] 张明哲, 刘欢腾, 张琦. 路面压电振动能量采集技术的现状及展望[J]. 节能,2021,40(01):18-20.