薛 棟，趙 鋼，樊建鋒，孫進民，李運來，李慧祥

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020;2.吉林省沃莎特科技發(fā)展有限公司，吉林 長春 130117)

0 引 言

近年來隨著城市現(xiàn)代化和橋梁建設(shè)的發(fā)展，高層建筑和橋梁施工日益規(guī)范，鋼筋保護層厚度和鋼筋位置是否達標(biāo)直接影響建筑和橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性[1-3]。鋼筋保護層厚度可采用非破損或局部破損的方法測得[4]，目前在測量鋼筋保護層厚度中非破損電磁感應(yīng)法是應(yīng)用最廣泛的一種方法[5]。而該方法被市場諸多公司應(yīng)用制備成鋼筋保護層測厚儀，如我國的杰瑞恒達有限公司、星銳儀器儀表有限公司、美國 HUMBOLDTMFG.CO、英國的 C·NSEL、ECTRONICSLTD、意大利的CONTROL、瑞士CONTROL和日本的株式會社等[6]，其產(chǎn)品的測量范圍約為0～200 mm，示值誤差絕對值的最大值和最小值分別是3 mm和1 mm。這些儀器是否符合我國鋼筋保護層校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，需要相應(yīng)的部門進行校準(zhǔn)。目前我國計量檢測部門主要是使用不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)試塊進行校準(zhǔn)，試塊的厚度層材料主要有水泥和塑料。實施校準(zhǔn)時，鋼筋保護層厚度測量儀與試塊直接接觸，試塊表面容易磨損，存在著較大的誤差；試塊具有固定的模擬鋼筋保護層厚度，不能被隨意改變，只能制備不同的厚度模擬鋼筋保護層試塊，試塊測量范圍太過單一，不能滿足連續(xù)測量；由于試塊的質(zhì)量較大，具有操作不便的特點[7-9]。因此，需研制一種新的鋼筋保護層測定儀校準(zhǔn)裝置來改善目前校準(zhǔn)方法，從而滿足市場的校準(zhǔn)要求。

本文主要介紹了自行研制的一款新的鋼筋保護層測定儀校準(zhǔn)裝置，簡要敘述其結(jié)構(gòu)和工作原理，并通過大量的實驗數(shù)據(jù)證明其完全滿足JJF 1224——2009《鋼筋保護層、樓板厚度測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》[10]，可開展各類鋼筋保護層測定儀的校準(zhǔn)，保證其測量值的準(zhǔn)確可靠高效傳遞。

1 裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

鋼筋保護層測定儀校準(zhǔn)裝置的機械部分結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由水平伺服電機1、鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣庫位2、導(dǎo)軌3、測試臺面4、定位凸臺5、絲杠6、垂直伺服電機7、光柵尺8等組成。鋼筋保護層測定儀校準(zhǔn)裝置的實物如圖1（b）所示。裝置外部框架由非磁性材料構(gòu)造而成，底部安裝萬向腳輪，方便移動定位并能把裝置調(diào)整水平位置。主機內(nèi)部由鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣庫位、定位裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣庫放置多種不同規(guī)格的鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣。由形變量極小的特殊玻璃承載鋼筋，玻璃上粘合著間距固定的鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖2所示?？蓮臉?biāo)準(zhǔn)試樣庫選取不同規(guī)格鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣來校準(zhǔn)鋼筋保護層測定儀。標(biāo)準(zhǔn)試樣定位裝置系統(tǒng)由水平伺服電機、垂直伺服電機、光柵尺、定位凸臺和滾珠絲杠等構(gòu)成。其中光柵尺的測量范圍為0～1 m，分度值為0.02 mm；絲杠長度900 mm，外徑20 mm，內(nèi)徑18.4 mm，導(dǎo)程6 mm；滾珠直徑4 mm；測試臺面為形變極小且厚度為2 mm的特殊玻璃?？刂葡到y(tǒng)的核心是德國西門子S7-200型可編程控制器，配以模擬量采集模塊和輸出模塊，使得可編程控制器（PLC）不僅能夠完成系統(tǒng)的控制功能，還可以與上位機進行系統(tǒng)集成。人機界面采用西門子10.2寸（1寸=3.3 cm）觸摸屏，方便標(biāo)定參數(shù)、設(shè)定參數(shù)和控制設(shè)備運行。

整個鋼筋保護層測定校準(zhǔn)裝置工作過程可分為取樣、還樣及平臺定位兩個步驟。

1）取樣、還樣

圖1 鋼筋保護層測定儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣

取樣、還樣過程是整個試驗臺水平移動機構(gòu)和垂直移動機構(gòu)配合完成的過程。伺服電機經(jīng)由精密減速機通過同步帶驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲母固定于取樣平臺上，實現(xiàn)了取樣平臺的上下移動，確保平臺的移動精度及平穩(wěn)性，在平臺的四角安裝了用于直線約束的直線滑軌，此機構(gòu)屬于試驗臺垂直移動機構(gòu)。為實現(xiàn)將樣件庫內(nèi)的試樣取出和送回，在取樣平臺上設(shè)計了水平滑動取樣平臺，通過伺服電機驅(qū)動直線模組機構(gòu)實現(xiàn)取樣滑臺的水平往復(fù)運動，此機構(gòu)屬于試驗臺水平移動機構(gòu)。

取樣過程：由觸摸屏設(shè)置要取得試樣編號，試驗臺垂直移動機構(gòu)開始移動，直至到達該試樣編號所在的庫位，水平機構(gòu)將試樣取出并送至檢測位置。

還樣過程：當(dāng)試驗完成，當(dāng)前試驗送回庫內(nèi)，由觸摸屏點擊還樣，試驗臺垂直移動機構(gòu)開始移動，直至到達該試樣編號所在的庫位，水平機構(gòu)將試樣由檢測位置送回至原庫位。

2）平臺定位

試樣取出至平臺后，垂直移動機構(gòu)根據(jù)試驗設(shè)定的檢測距離，計算當(dāng)前平臺位置和設(shè)定位置的差值，驅(qū)動平臺移動直至到達設(shè)定位置。為了精確實時讀取取樣平臺距離測試臺面的位置，在取樣平臺上安裝了光柵尺。

由控制臺輸入實際操作數(shù)據(jù)，驅(qū)動模塊控制水平伺服電機和垂直伺服電機還原到初始設(shè)定位置。界面中設(shè)定取樣鋼筋直徑和模擬鋼筋保護層厚度，設(shè)定完成后進行加載，當(dāng)滑臺到達設(shè)置高度附近時電機開始減速，到達指定高度后停止，模擬鋼筋保護層厚度的標(biāo)準(zhǔn)距離由光柵尺來測量，并在屏幕上顯示。滾珠絲杠的無級調(diào)速特性能夠使水平滑臺在任意模擬保護層厚度處精準(zhǔn)停留，保證了校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。待校準(zhǔn)鋼筋保護層測定儀完成后由界面點擊還樣，伺服電機自動把樣品送回至鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣庫位中。工作界面有緊急按鈕，如儀器出現(xiàn)異常（振動、未按照設(shè)定位置到達指定處或者電機運行速度異常等）應(yīng)按下緊急按鈕。

2 實驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗方法

鋼筋直徑和常用鋼筋保護層厚度依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[11]和JJF 1224—2009[10]來選定。鋼筋保護層測厚儀的允許誤差范圍如表1所示。

表1 試驗試塊和模擬保護層厚度的選取及測量誤差范圍1）

選擇合適的鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣進行取樣，垂直移動平臺把鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣定位到選定的位置，標(biāo)準(zhǔn)器深度標(biāo)準(zhǔn)卡尺測量測試臺面和鋼筋上表面距離（即模擬鋼筋保護層厚度），對該距離測量10次為該直徑下的設(shè)置鋼筋保護層厚度值的一組實驗數(shù)據(jù)。例如：選擇鋼筋直徑為8 mm時的鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣，選擇設(shè)定10 mm為模擬鋼筋保護層厚度，用標(biāo)準(zhǔn)器深度卡尺測量10次，為測量一組數(shù)據(jù)的結(jié)果。不同直徑的鋼筋與模擬鋼筋保護層厚度相對應(yīng)，且設(shè)定同一厚度模擬鋼筋保護層重復(fù)測量都為10次，共測得數(shù)據(jù)為26組。

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

為了進一步對鋼筋保護層校準(zhǔn)裝置性能進行評估，對其進行不確定度分析，首先建立模型[10]為

其中Δ為鋼筋保護層測厚校準(zhǔn)儀的示值誤差，d為鋼筋保護層測厚儀的示值，da為標(biāo)稱值。

不同鋼筋直徑設(shè)計不同鋼筋保護層厚度與誤差如圖3所示，其中y軸為測量結(jié)果的平均值與標(biāo)稱值之差。由圖可知，直徑為10 mm的鋼筋保護層厚度分別是 10，20，30，40 mm，測得其平均值分別是10.018，10.012，10.027，10.027 mm，其殘差的最大值分別為 0.032 5，0.027，0.034 5，0.043 mm；其他不同鋼筋直徑的鋼筋保護層厚度殘差絕對值也均小于0.1 mm，小于JJF 1224——2009中所要求1 mm的誤差，且精度要高于以往使用的標(biāo)準(zhǔn)塊。

圖3 用不同鋼筋直徑設(shè)計不同鋼筋保護層厚度與殘差的關(guān)系圖

在測量過程中主要對測量結(jié)果影響有[12-13]：實驗的重復(fù)測量對結(jié)果造成的不確定性；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)器測量時，標(biāo)準(zhǔn)器自身的分辨率給實驗結(jié)果帶來的影響；在測量時支撐垂直移動平面，絲杠產(chǎn)生的形變對結(jié)果引起不確定性；光柵尺作為定位垂直平臺主要儀器，其對測量結(jié)果帶來的不確定性；控制屏幕顯示的示值分辨率引起的不確定度；測試臺面平行度引入的不確定度分量、試樣塊形變引入的不確定度分量及其他形式對測量結(jié)果的影響，由于在研制裝置時，對測試臺面以及試樣塊選擇形變量極小的玻璃，對該試驗的影響量極小，因此可以忽略不計。

1）由實驗重復(fù)性引入的不確定度分量u1

由JJF 1224——2009可知，每種不同直徑的鋼筋應(yīng)至少選擇3種不同鋼筋保護層厚度。由實驗可知，選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)試樣測得不同的重復(fù)性誤差，不確定度分量u1表達式為

依據(jù)式（2）得到鋼筋保護層厚度與重復(fù)性實驗引入的不確定關(guān)系如圖4所示，其中重復(fù)性最大的不確定度分量為鋼筋直徑為32 mm，模擬鋼筋保護層厚度為100 mm，不確定度分量u1max=0.028 6 mm。

圖4 鋼筋保護層厚度與重復(fù)性實驗引入的不確定關(guān)系

2）標(biāo)準(zhǔn)深度卡尺分辨率引入的不確定度分量u2

由深度卡尺的分度值引入的不確定度分量，其分布可視為均勻分布，表達式為

3）絲杠的形變引入的不確定度分量u3

絲杠在支撐垂直移動平面時，由仿真得出絲杠的形變?yōu)?.098 325 8 mm，由于絲杠螺紋存在加工誤差每300 mm誤差為0.03 mm，絲杠總長為900 mm。在實際應(yīng)用中屬于均勻分布，表達式為

4）光柵尺引入的不確定度分量u4

光柵尺的光柵條紋分度值為0.02 mm，屬于均勻分布，表達式為

5）由鋼筋直徑引入的不確定度分量為u5

鋼筋直徑在制造時偏差不超過±0.15 mm，屬于均勻分布，表達式為

6）控制屏幕分辨率引入的不確定度分量u6

由讀數(shù)示值引入的不確定度分量，屬于均勻分布，表達式為

因此，合成不確定度表達式為

由式（8）得出模擬鋼筋保護層厚度與合成不確定度之間的關(guān)系如圖5所示。實驗重復(fù)性引入的不確定度u1與合成不確定度呈線性關(guān)系，即uc=ku1+b。由圖5可知，鋼筋保護測定儀校準(zhǔn)裝置中試樣鋼筋直徑為32 mm，模擬鋼筋保護層厚度為100 mm時，合成不確定度最大為ucmax=0.111 5 mm。因此，該儀器的擴展不確定度U=0.223 mm（k=2），完全滿足JJF 1224——2009要求。

圖5 模擬鋼筋保護層厚度與合成不確定度之間的關(guān)系

3 結(jié)束語

本文成功研制了一種新型的鋼筋保護層測定儀校準(zhǔn)裝置，該裝置通過西門子可編程控制系統(tǒng)控制，實現(xiàn)較高精度的模擬鋼筋保護層厚度。與傳統(tǒng)的試塊校準(zhǔn)相比較，精度提高了10倍，實現(xiàn)可連續(xù)測量，測量范圍擴展到0～600 mm。并且闡述了該儀器結(jié)構(gòu)及工作原理，通過大量的實驗證明了其滿足JJF 1224——2009規(guī)范要求，得到該儀器的擴展不確定度U=0.223 mm（k=2），使高精度量值在鋼筋保護層測厚儀中高效傳遞。