一種新型鋼筋保護層測定校準裝置的研發和不確定度分析

薛 棟，趙 鋼，樊建鋒，孫進民，李運來，李慧祥

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

0 引 言

近年來隨著城市現代化和橋梁建設的發展，高層建筑和橋梁施工日益規范，鋼筋保護層厚度和鋼筋位置是否達標直接影響建筑和橋梁結構的耐久性[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法是應用最廣泛的一種方法[5]。而該方法被市場諸多公司應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規范規定，需要相應的部門進行校準。目前我國計量檢測部門主要是使用不同規格的標準試塊進行校準，試塊的厚度層材料主要有水泥和塑料。實施校準時，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，不能滿足連續測量；由于試塊的質量較大，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裝置來改善目前校準方法，從而滿足市場的校準要求。

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裝置，簡要敘述其結構和工作原理，并通過大量的實驗數據證明其完全滿足JJF 1224——2009《鋼筋保護層、樓板厚度測量儀校準規范》[10]，可開展各類鋼筋保護層測定儀的校準，保證其測量值的準確可靠高效傳遞。

1 裝置的結構及工作原理

鋼筋保護層測定儀校準裝置的機械部分結構如圖1（a）所示，主要由水平伺服電機1、鋼筋標準試樣庫位2、導軌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裝置的實物如圖1（b）所示。裝置外部框架由非磁性材料構造而成，底部安裝萬向腳輪，方便移動定位并能把裝置調整水平位置。主機內部由鋼筋標準試樣庫位、定位裝置系統、控制系統等構成。鋼筋標準試樣庫放置多種不同規格的鋼筋標準試樣。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準試樣，如圖2所示。可從標準試樣庫選取不同規格鋼筋標準試樣來校準鋼筋保護層測定儀。標準試樣定位裝置系統由水平伺服電機、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，內徑18.4 mm，導程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。控制系統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）不僅能夠完成系統的控制功能，還可以與上位機進行系統集成。人機界面采用西門子10.2寸（1寸=3.3 cm）觸摸屏，方便標定參數、設定參數和控制設備運行。

整個鋼筋保護層測定校準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構圖

圖2 鋼筋標準試樣

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

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

還樣過程：當試驗完成，當前試驗送回庫內，由觸摸屏點擊還樣，試驗臺垂直移動機構開始移動，直至到達該試樣編號所在的庫位，水平機構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，垂直移動機構根據試驗設定的檢測距離，計算當前平臺位置和設定位置的差值，驅動平臺移動直至到達設定位置。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據，驅動模塊控制水平伺服電機和垂直伺服電機還原到初始設定位置。界面中設定取樣鋼筋直徑和模擬鋼筋保護層厚度，設定完成后進行加載，當滑臺到達設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準距離由光柵尺來測量，并在屏幕上顯示。滾珠絲杠的無級調速特性能夠使水平滑臺在任意模擬保護層厚度處精準停留，保證了校準結果的準確性。待校準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準試樣庫位中。工作界面有緊急按鈕，如儀器出現異常（振動、未按照設定位置到達指定處或者電機運行速度異常等）應按下緊急按鈕。

2 實驗及數據分析

2.1 實驗方法

鋼筋直徑和常用鋼筋保護層厚度依據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[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）

選擇合適的鋼筋標準試樣進行取樣，垂直移動平臺把鋼筋標準試樣定位到選定的位置，標準器深度標準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次為該直徑下的設置鋼筋保護層厚度值的一組實驗數據。例如：選擇鋼筋直徑為8 mm時的鋼筋標準試樣，選擇設定10 mm為模擬鋼筋保護層厚度，用標準器深度卡尺測量10次，為測量一組數據的結果。不同直徑的鋼筋與模擬鋼筋保護層厚度相對應，且設定同一厚度模擬鋼筋保護層重復測量都為10次，共測得數據為26組。

2.2 實驗數據分析

為了進一步對鋼筋保護層校準裝置性能進行評估，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儀的示值誤差，d為鋼筋保護層測厚儀的示值，da為標稱值。

不同鋼筋直徑設計不同鋼筋保護層厚度與誤差如圖3所示，其中y軸為測量結果的平均值與標稱值之差。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準塊。

圖3 用不同鋼筋直徑設計不同鋼筋保護層厚度與殘差的關系圖

在測量過程中主要對測量結果影響有[12-13]：實驗的重復測量對結果造成的不確定性；應用標準器測量時，標準器自身的分辨率給實驗結果帶來的影響；在測量時支撐垂直移動平面，絲杠產生的形變對結果引起不確定性；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，選擇不同的標準試樣測得不同的重復性誤差，不確定度分量u1表達式為

依據式（2）得到鋼筋保護層厚度與重復性實驗引入的不確定關系如圖4所示，其中重復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性實驗引入的不確定關系

2）標準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為0.098 325 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系如圖5所示。實驗重復性引入的不確定度u1與合成不確定度呈線性關系，即uc=ku1+b。由圖5可知，鋼筋保護測定儀校準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系

3 結束語

本文成功研制了一種新型的鋼筋保護層測定儀校準裝置，該裝置通過西門子可編程控制系統控制，實現較高精度的模擬鋼筋保護層厚度。與傳統的試塊校準相比較，精度提高了10倍，實現可連續測量，測量范圍擴展到0～600 mm。并且闡述了該儀器結構及工作原理，通過大量的實驗證明了其滿足JJF 1224——2009規范要求，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。