鋼筋籠長度磁法檢測儀磁參量校準裝置的建立與研究

周振杰，趙禹晴，李紹輝，朱懷東

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

隨著我國工程建設的高質量發展，樁基礎在交通、水利、住建等工程中被廣泛應用。由于灌注樁具有施工時無擠土、無振動、噪音低等優點，逐漸成為應用最為普遍的樁基礎[1]。在灌注樁應用愈加廣泛的同時，施工質量事故也頻繁出現，鋼筋籠長度不滿足設計要求就是其中之一。然而，由于灌注樁屬于地下隱蔽工程，采用開挖的方式來驗證鋼筋籠長度是否符合要求并不可取，因此需采用無損檢測手段來解決爭議。鋼筋籠材質為金屬鐵，其與混凝土、樁周巖土之間存在可識別的磁性差異，故而可采用工程物探中的磁測法來實現鋼筋籠長度的準確檢測。近幾年，科研人員在灌注樁鋼筋籠長度檢測方面上突破了關鍵檢測技術，并取得了很好的效果[2]。江蘇省、廣東省、福建省、浙江省等地先后出臺了灌注樁鋼筋籠長度檢測的技術規程。目前，灌注樁鋼筋籠長度檢測的主要方法有磁測法、充電法和瞬變電磁法。基于磁測法理論研制的鋼筋籠長度磁法檢測儀由于具有理論基礎充分、判斷標準準確、工作效率高、價格便宜等優點，已經成為交通工程領域應用最廣泛的鋼筋籠長度檢測方法[3-4]。然而在實際使用中，鋼筋籠長度磁法檢測儀檢測系統在較長時間的復雜環境下工作后，其磁性傳感器靈敏度系數會發生一定程度的漂移。為了保障測量數據的準確性，加強鋼筋籠長度磁法檢測儀的計量管理，鋼筋籠長度磁法檢測儀需要按計量要求進行定期校準。

交通運輸部門計量檢定規程《鋼筋籠長度磁法檢測儀》于2021年發布實施，但尚未有計量機構依據該計量檢定規程申請計量標準，導致磁法儀的重要技術參數缺乏有效的量值溯源途徑。本文基于交通行業鋼筋籠長度磁法檢測儀的溯源需求，研制搭建了鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度校準系統，通過試驗測量驗證了該校準系統的可靠性。

1 鋼筋籠長度磁法檢測儀工作原理及技術要求

1.1 工作原理

鋼筋籠長度磁法檢測儀是采用磁測法原理，通過測量鋼筋籠深度方向的垂直磁場分量變化來判斷鋼筋籠長度的一種磁法物探設備。鋼筋籠材質屬于鐵磁性物質，與混凝土及樁周巖土之間存在明顯的磁性差異，在放置鋼筋籠前，該處地磁場處于正常磁場狀態，其磁場強度為地球基本磁場、大陸磁場以及外磁場的總和[5-6]。放置鋼筋籠之后，由于磁化效應而使鋼筋籠自身產生磁感應強度，在其周圍產生磁異常現象。鑒于地磁磁感線與鋼筋籠磁化后的磁感線同向或反向，會造成磁場的局部增強或減弱，因此鋼筋籠磁化引起的磁異常分為正異常和負異常。

假設鋼筋籠主筋長度為無限長，則單根主筋的磁感應強度Z 理論公式為

式中：B⊥為垂直方向地磁場強度；k 為主筋的磁化率；S 為主筋橫截面面積；L 為測量點與主筋的垂直距離。當鋼筋籠長度磁法檢測儀磁探頭順著鉆孔下放至鋼筋籠底端界面時，由于脫離主筋磁場，鋼筋籠長度磁法檢測儀測得的磁場強度會發生明顯變化，表現為垂直方向磁場強度曲線出現一個極值點，超過該界面再往下逐漸又變回背景磁場值Z0（見圖1）。因此，當鋼筋籠周圍不存在其他磁性物質干擾時，鋼筋籠長度磁法檢測儀通過測量垂直方向地磁場強度在鋼筋籠內或附近的變化，通過繪制的磁場強度曲線圖能夠準確直觀地測量出鋼筋籠的埋設深度H。

圖1 鋼筋籠長度磁法檢測儀檢測示意圖及理論曲線Fig.1 Schematic diagram and theoretical curve of magnetic detector for reinforcement cage length

1.2 技術要求

目前，國內尚未有關于鋼筋籠長度磁法檢測儀的國家標準，但各個省份及交通運輸部相繼發布實施了相關技術規范，對鋼筋籠長度磁法檢測儀的技術參數進行了規定，技術規范匯總見表1。

表1 鋼筋籠長度磁法檢測儀技術要求Tab.1 Technical requirements for magnetic detector of reinforcement cage length

2 磁場強度校準系統的組成、性能參數及操作方法

2.1 校準系統組成、性能參數

根據檢定規程中的技術要求，建立了基于亥姆赫茲線圈的鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度校準系統，實物圖見圖2，主要由亥姆赫茲線圈、線性電源、磁通門計以及屏蔽筒組成，能夠實現在（-100000～100000）nT 磁場強度范圍內，屏蔽效果優于1 nT，調節步進0.1 nT。亥姆赫茲線圈是由一對半徑為R 完全相同的圓形導體線圈組成，線圈的中心均與Z 軸同軸，線圈間距h=R，線圈匝數相同且載有同向電流。此次選用半徑為300 mm，均勻度優于0.05%的圓形線圈。磁通門計是校準系統的標準器，用于測量亥姆赫茲線圈中心的磁場強度，此次選用的磁通門計具有高穩定度、高線性和全數字化等特點，磁強測量量程±100 μT，分辨力0.1 nT，誤差溫度系數±0.3 nT/℃，示值誤差優于±0.05%，適用于對弱磁場的精確測量。線性電流源用于亥姆赫茲線圈產生磁場所需的交流電流，輸出范圍0～±1200.000 mA DC，分辨率10 μA（1/120000 F.S），準確度±（0.015%設置值+20 μA）@1000 mA，穩定度優于±0.01%@1000 mA。屏蔽筒采用圓柱形五層屏蔽結構，由從外至內第一層屏蔽體和第五層屏蔽體采用鋁材制成，第二層屏蔽體、第三層屏蔽體和第四層屏蔽體采用高導磁坡莫合金制成，內腔均勻區直徑≥350 mm，可將地磁屏蔽到1 nT 以下。

圖2 鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度校準系統Fig.2 Magnetic field strength calibration system of magnetic method detector for reinforcement cage length

2.2 校準系統操作方法

2.2.1 磁場強度測量范圍

將鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度校準裝置上各部件依次連接，調節并固定磁通門計探頭和被檢鋼筋籠長度磁法檢測儀探頭，使其測量點均處于亥姆赫茲線圈的磁場均勻區內，記錄磁通門計測量的屏蔽筒內的本底磁場強度，然后通過測量軟件控制線性電流源調節電流方向和大小，亥姆赫茲線圈將產生一個大小與本地磁場相同方向相反的磁場，使被檢鋼筋籠長度磁法檢測儀探頭處于近似零磁場強度狀態。通過測量軟件設置亥姆赫茲線圈產生-100000 nT 的磁場，記錄被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀主機顯示的磁場強度示值，然后改變線性電流源電流方向使亥姆赫茲線圈產生100000 nT 的磁場，再次記錄被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀主機顯示的磁場強度示值，被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀主機兩次示值區間即為被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀的磁場強度測量范圍。

2.2.2 磁場強度分辨力

通過測量軟件調節線性電流源調節電流的大小使亥姆赫茲線圈產生的磁場強度以1 nT 的梯度步進變化，當被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀主機顯示的磁場強度示值發生改變時，磁場強度總變化量即為被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀的磁場強度分辨力。

2.2.3 磁場強度轉向差

選取某一校準點，轉動鋼筋籠磁法長度檢測儀探頭一周，分別記錄被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀在90°、180°、270°和360°的磁場強度示值，取最大值減最小值之差作為磁場強度轉向差的校準結果。

2.2.4 磁場強度示值誤差

根據被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀探頭的磁場強度測量范圍，在測量范圍內均勻選取包含零點和滿量程點在內的不少于7 個校準點，通過測量軟件調節線性電流源的電流，使亥姆赫茲線圈產生各個校準點相應的標準磁場強度，標準磁場強度由高精度磁通門計探頭采集并由高精度磁通門計主機顯示，記錄被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀測得的磁場強度示值。按式（1）計算被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀的磁場強度示值誤差，取各校準點的磁場強度示值誤差絕對值最大值為被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀磁場強度示值誤差的校準結果。

式中：η 為各校準點被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀測得的磁場強度示值誤差；Bi為各校準點被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀測得的磁場強度示值，nT；Bi0為各校準點亥姆赫茲線圈產生的標準磁場強度，nT；BFS為被檢鋼筋籠磁法長度檢測儀磁場強度測量范圍，nT。

3 鋼筋籠長度磁法檢測儀校準試驗

選取武漢巖海生產的RS-RBMT（S）型鋼筋籠長度磁法檢測儀，在50000 nT 校準點測得鋼筋籠長度磁法檢測儀的磁場強度分辨力為12 nT、轉向差為30 nT。根據所選取的鋼筋籠長度磁法檢測儀的測量范圍，選取了21 個點進行實驗測量，測量數據處理結果匯總見表2。根據實驗數據發現，磁場強度分辨力、轉向差、磁場強度測量范圍均符合規程技術要求，但磁場強度示值誤差不符合規程要求。通過分析原因，認為由于鋼筋籠長度磁法檢測儀探頭屬于磁性傳感器，在長期使用過程中存在零點漂移和靈敏度漂移，加上生產單位在設備出廠時一般不做參數修正，導致計量溯源時磁場強度示值誤差超標。為了解決該問題，對標準磁場強度和測量值校準數據進行了線性擬合得到線性公式：

表2 磁場測量數據Tab.2 Magnetic field measurement data

使用式（4）對測量值進行修正，得到修正后測量值y′并計算修正后示值誤差，結果顯示修正后示值誤差符合規程要求。將測試數據發給生產廠家，指導廠家對系統軟件進行升級并增加計量版塊，校準試驗中將式（3）的斜率和截距輸入到軟件中，實現磁場強度示值的修正，極大提升了鋼筋籠長度磁場檢測儀的磁場強度示值準確性。

4 結語

根據鋼筋籠長度磁法檢測儀的溯源需求以及JJG（交通）175-2021《鋼筋籠長度磁法檢測儀》檢定規程中的技術要求，研制了基于亥姆赫茲線圈的鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度校準系統，能夠實現在（-100000～100000）nT 磁場強度范圍內對鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度進行校準，校準系統屏蔽效果優于1 nT，調節步進0.1 nT。選取樣機進行了試驗并解決了目前市場上鋼筋籠長度磁法檢測儀磁場強度無法符合要求的難題，有效提升了磁場強度測量準確度，通過試驗結果證明，該裝置完全滿足鋼筋籠長度磁法檢測儀的溯源需求。