一種利用固結儀進行測力環校準的方法

劉 鈺，黃正均，張 棟，楊 同

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083）

引言

在土工試驗設備中，需要應用到測力環的儀器設備較多，如土工直剪儀、無側限壓力儀、三軸儀等。每一個測力環出廠時都會有檢定證書，并記錄有其測力環系數。隨著在實驗中的不斷使用，測力環在循環應力的作用下會產生疲勞損傷，測力環系數會有所變化。根據測力環的使用情況以及《工作測力儀檢定規程》（JJG455-2000）[1]5.4 條的規定，一般要求至少一年需要對測力環進行標定一次，如果平時使用的比較頻繁，需要適當縮短校準周期。

周亦泉[2]等運用回歸分析中散點圖和相關系數的方法確定測力環的負荷和百分表示值的相互關系；王蓁麗[3]等利用EXCEL 來分析基于最小二乘法的測力環線性回歸方程；麻青春[4]等通過理論分析證實，基于最小二乘法的測力環線性回歸分析法建立的回歸方程回歸直線誤差最小，是測力環回歸分析的最佳方法。以上研究主要是針對測力環的線性數據分析，但是針對測力環的校準方法及校準設備的研究未見涉及。本研究提出一種利用杠桿式固結儀對測力環進行校準的方法，可以解決實驗室內數量較多的測力環校準問題，達到高效且節約成本的目的。

1 校準原理及設備

1.1 校準原理

常見的測力環是用線性和重復性較好的金屬彈性體制成圓環[3]，圓環內裝置百分表，當金屬彈性體圓環受力產生變形后，通過百分表讀出變形量。根據彈性力學理論，測力環在彈性范圍內，受到的力與變形的比值為常量，稱為測力環系數。如式（1）所示：

式中：C 為測力環系數；F 為測力環受力；R 為百分表讀數。

據水利部行業標準《應變控制式直剪儀校驗方法》（SL116-2012）[5]，測力環即可按《工作測力儀檢定規程》（JJG455-2000）方法校驗，也可用專用砝碼直接加荷法校驗。水利水電部《土工試驗規程》（SD128-84）[6]中提到2 種直接加荷法：直立率定法和磅秤率定法，本研究所采用的方法是受到直立率定法的啟發，對實驗室內現有的杠桿式固結儀進行加工改造，完成測力環的校準工作。

1.2 試驗設備

圖1 為測力環校準方法中改造使用的單聯杠桿式固結儀示意圖，是土力學實驗室中比較常見的土工試驗設備，主要用于測定土在不同載荷和有側限的條件下的壓縮性能。根據固結儀正向壓力范圍等參數的不同分為多個型號，表1 為此次用于改造的單聯杠桿式固結儀的具體參數。

表1 單聯杠桿式固結儀參數

由單聯杠桿式固結儀改裝后的測力環校驗裝置示意圖見圖2。卸除原測量壓縮高度的百分表及百分表架，將固結儀兩根原長23 cm 的加壓框架豎桿加長至38 cm，測力環和百分表作為整體，“一表一環”，測力環底部置于土樣盒蓋上，測力環上部與固結儀加載框架相連，上下均配有鋼珠，確保受力軸線與重力軸向相重合。采用分級加載的方式，并記錄每一級對應的測力環中百分表讀數。

2 測力環校準及數據處理

2.1 測力環校準

溫度與濕度會對測力環的變形產生一定的影響，因此需要在溫濕度較為適宜的條件下進行校準，一般要求室溫在（20±5）℃，相對濕度不大于80%。校準時，周圍應無影響校準結果的振動、電磁場或其它干擾。測力環的檢定點為5 個點，各點均勻分布，按照測量上限的20%、40%、60%、80%、100%布置。此次校準采用砝碼加載，為了保證每級加載力值的準確性，采用電子天平（最大稱量2 000 g，感量0.01 g）測定砝碼質量，每級荷載砝碼力值的計算如式（2）所示:

式中：Fn為n 級砝碼力值；mn為n 級砝碼質量；L 為杠桿比，本次校準方法杠桿比為12；以量程為1.2 KN 的剪切測力環為例，各級加載情況見表2。

表2 各級加載情況匯總

校準工作開始前，首先觀察測力環是否有肉眼可見的變形及損傷，并記錄測力環的編號及校準前的測力環系數。測力環和百分表作為整體如圖2 所示安裝好，“一環一表”作為整體進行校準。為保證測力環與儀器上下各部件之間接觸良好，施加1.558 2 N 的預壓力，然后調整百分表使讀數為零。

校準時，按照荷載遞增順序逐點進行校準，見表2。每級荷載加到后，保持一定的時間，通常取30 s，記錄此時百分表的讀數，直到最后一級。依次卸載，觀察百分表讀數是否回零，用式（3）計算回零差，校準過程結束。

2.2 數據處理

測力環的受力和百分表的讀數具有線性關系，比值為常量，即為測力環系數。處理數據時，使用origin軟件自帶的線性擬合功能，通過Origin 線性擬合窗口工作列表可以獲得斜率、相關系數等參數[7-9]。使用本次校準方法對實驗室內10 個測力環進行了校準，校準結果匯總表見表3，部分校準曲線見圖3。

表3 校準結果匯總

2.3 數據分析

已校準的10 個測力環的測力環系數匯總情況見圖4，與出廠時的系數相比，誤差均在5%以內，符合教學要求，將測力環系數更正為校準后結果還可以繼續使用。校準后的測力環系數均比出廠時小，這是因為測力環在長期的使用過程中，在循環應力和溫濕度的共同作用下，產生了局部永久性的累積損傷，產生了一定塑性變形[10]。誤差率最小的07122 號測力環，它的測力環系數最大，測力環壁比較厚，平時只在教學實驗中使用；誤差率最大的10673 號測力環，其測力環系數較小，測力環壁較薄，平時不僅在教學實驗中使用也會在科研實驗中使用，使用頻率較高。因此，測力環的壁厚、出廠時測力環的系數大小、使用頻次均會對測力環系數產生影響[11-13]。

3 對比試驗

為了驗證本校準方法的可靠性，使用本次校準方法對全新的測力環編號10651 進行校準，表4 為兩種方法的校準點匯總情況，圖5 為校準曲線對比。編號10651 測力環出廠測力環系數為4.663 N/0.01 mm，使用本校準方法得到測力環系數為4.668 N/0.01 mm，相對誤差按式（4）計算，誤差為0.107%。通過對全新測力環的校準，驗證了本校準方法的可靠性。式中：E 為校準結果的相對誤差；CMUT為校準得到的測力環系數；Ca為出廠測力環系數。

表4 校準點匯總

4 結論

本次測力環校準方法是利用實驗室現有的杠桿式固結儀進行改造，具有試驗設備易于取得、改造成本較低、易于推廣等優點，達到節省時間與經費的目的。本次使用的是1:12 杠桿比的單聯固結儀，也可以使用其它型號的固結儀進行改造。分級加載中使用的砝碼是通過電子天平（最大稱量2 000 g，感量0.01 g）稱量并代入計算的，高于行業標準的0.1%精度要求。測力環在出廠時都帶有標定證書，附有測力環系數，但是其僅對測力環進行了標定并沒有考慮百分表的誤差。本次校準方法，提出“一表一環”，每個測力環都配有專用的百分表，在校準時，將測力環與百分表作為整體安裝與校準，從而提高精度。使用該方法校準后的測力環已經在科研及教學實驗中得以應用，均取得較好的試驗結果。