一种新型钢筋保护层测定校准装置的研发和不确定度分析

薛 栋，赵 钢，樊建锋，孙进民，李运来，李慧祥

(1.内蒙古自治区计量测试研究院，内蒙古 呼和浩特 010020;2.吉林省沃莎特科技发展有限公司，吉林 长春 130117)

0 引 言

近年来随着城市现代化和桥梁建设的发展，高层建筑和桥梁施工日益规范，钢筋保护层厚度和钢筋位置是否达标直接影响建筑和桥梁结构的耐久性[1-3]。钢筋保护层厚度可采用非破损或局部破损的方法测得[4]，目前在测量钢筋保护层厚度中非破损电磁感应法是应用最广泛的一种方法[5]。而该方法被市场诸多公司应用制备成钢筋保护层测厚仪，如我国的杰瑞恒达有限公司、星锐仪器仪表有限公司、美国 HUMBOLDTMFG.CO、英国的 C·NSEL、ECTRONICSLTD、意大利的CONTROL、瑞士CONTROL和日本的株式会社等[6]，其产品的测量范围约为0～200 mm，示值误差绝对值的最大值和最小值分别是3 mm和1 mm。这些仪器是否符合我国钢筋保护层校准规范规定，需要相应的部门进行校准。目前我国计量检测部门主要是使用不同规格的标准试块进行校准，试块的厚度层材料主要有水泥和塑料。实施校准时，钢筋保护层厚度测量仪与试块直接接触，试块表面容易磨损，存在着较大的误差；试块具有固定的模拟钢筋保护层厚度，不能被随意改变，只能制备不同的厚度模拟钢筋保护层试块，试块测量范围太过单一，不能满足连续测量；由于试块的质量较大，具有操作不便的特点[7-9]。因此，需研制一种新的钢筋保护层测定仪校准装置来改善目前校准方法，从而满足市场的校准要求。

本文主要介绍了自行研制的一款新的钢筋保护层测定仪校准装置，简要叙述其结构和工作原理，并通过大量的实验数据证明其完全满足JJF 1224——2009《钢筋保护层、楼板厚度测量仪校准规范》[10]，可开展各类钢筋保护层测定仪的校准，保证其测量值的准确可靠高效传递。

1 装置的结构及工作原理

钢筋保护层测定仪校准装置的机械部分结构如图1（a）所示，主要由水平伺服电机1、钢筋标准试样库位2、导轨3、测试台面4、定位凸台5、丝杠6、垂直伺服电机7、光栅尺8等组成。钢筋保护层测定仪校准装置的实物如图1（b）所示。装置外部框架由非磁性材料构造而成，底部安装万向脚轮，方便移动定位并能把装置调整水平位置。主机内部由钢筋标准试样库位、定位装置系统、控制系统等构成。钢筋标准试样库放置多种不同规格的钢筋标准试样。由形变量极小的特殊玻璃承载钢筋，玻璃上粘合着间距固定的钢筋标准试样，如图2所示。可从标准试样库选取不同规格钢筋标准试样来校准钢筋保护层测定仪。标准试样定位装置系统由水平伺服电机、垂直伺服电机、光栅尺、定位凸台和滚珠丝杠等构成。其中光栅尺的测量范围为0～1 m，分度值为0.02 mm；丝杠长度900 mm，外径20 mm，内径18.4 mm，导程6 mm；滚珠直径4 mm；测试台面为形变极小且厚度为2 mm的特殊玻璃。控制系统的核心是德国西门子S7-200型可编程控制器，配以模拟量采集模块和输出模块，使得可编程控制器（PLC）不仅能够完成系统的控制功能，还可以与上位机进行系统集成。人机界面采用西门子10.2寸（1寸=3.3 cm）触摸屏，方便标定参数、设定参数和控制设备运行。

整个钢筋保护层测定校准装置工作过程可分为取样、还样及平台定位两个步骤。

1）取样、还样

图1 钢筋保护层测定仪结构图

图2 钢筋标准试样

取样、还样过程是整个试验台水平移动机构和垂直移动机构配合完成的过程。伺服电机经由精密减速机通过同步带驱动滚珠丝杠旋转，丝母固定于取样平台上，实现了取样平台的上下移动，确保平台的移动精度及平稳性，在平台的四角安装了用于直线约束的直线滑轨，此机构属于试验台垂直移动机构。为实现将样件库内的试样取出和送回，在取样平台上设计了水平滑动取样平台，通过伺服电机驱动直线模组机构实现取样滑台的水平往复运动，此机构属于试验台水平移动机构。

取样过程：由触摸屏设置要取得试样编号，试验台垂直移动机构开始移动，直至到达该试样编号所在的库位，水平机构将试样取出并送至检测位置。

还样过程：当试验完成，当前试验送回库内，由触摸屏点击还样，试验台垂直移动机构开始移动，直至到达该试样编号所在的库位，水平机构将试样由检测位置送回至原库位。

2）平台定位

试样取出至平台后，垂直移动机构根据试验设定的检测距离，计算当前平台位置和设定位置的差值，驱动平台移动直至到达设定位置。为了精确实时读取取样平台距离测试台面的位置，在取样平台上安装了光栅尺。

由控制台输入实际操作数据，驱动模块控制水平伺服电机和垂直伺服电机还原到初始设定位置。界面中设定取样钢筋直径和模拟钢筋保护层厚度，设定完成后进行加载，当滑台到达设置高度附近时电机开始减速，到达指定高度后停止，模拟钢筋保护层厚度的标准距离由光栅尺来测量，并在屏幕上显示。滚珠丝杠的无级调速特性能够使水平滑台在任意模拟保护层厚度处精准停留，保证了校准结果的准确性。待校准钢筋保护层测定仪完成后由界面点击还样，伺服电机自动把样品送回至钢筋标准试样库位中。工作界面有紧急按钮，如仪器出现异常（振动、未按照设定位置到达指定处或者电机运行速度异常等）应按下紧急按钮。

2 实验及数据分析

2.1 实验方法

钢筋直径和常用钢筋保护层厚度依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[11]和JJF 1224—2009[10]来选定。钢筋保护层测厚仪的允许误差范围如表1所示。

表1 试验试块和模拟保护层厚度的选取及测量误差范围1）

选择合适的钢筋标准试样进行取样，垂直移动平台把钢筋标准试样定位到选定的位置，标准器深度标准卡尺测量测试台面和钢筋上表面距离（即模拟钢筋保护层厚度），对该距离测量10次为该直径下的设置钢筋保护层厚度值的一组实验数据。例如：选择钢筋直径为8 mm时的钢筋标准试样，选择设定10 mm为模拟钢筋保护层厚度，用标准器深度卡尺测量10次，为测量一组数据的结果。不同直径的钢筋与模拟钢筋保护层厚度相对应，且设定同一厚度模拟钢筋保护层重复测量都为10次，共测得数据为26组。

2.2 实验数据分析

为了进一步对钢筋保护层校准装置性能进行评估，对其进行不确定度分析，首先建立模型[10]为

其中Δ为钢筋保护层测厚校准仪的示值误差，d为钢筋保护层测厚仪的示值，da为标称值。

不同钢筋直径设计不同钢筋保护层厚度与误差如图3所示，其中y轴为测量结果的平均值与标称值之差。由图可知，直径为10 mm的钢筋保护层厚度分别是 10，20，30，40 mm，测得其平均值分别是10.018，10.012，10.027，10.027 mm，其残差的最大值分别为 0.032 5，0.027，0.034 5，0.043 mm；其他不同钢筋直径的钢筋保护层厚度残差绝对值也均小于0.1 mm，小于JJF 1224——2009中所要求1 mm的误差，且精度要高于以往使用的标准块。

图3 用不同钢筋直径设计不同钢筋保护层厚度与残差的关系图

在测量过程中主要对测量结果影响有[12-13]：实验的重复测量对结果造成的不确定性；应用标准器测量时，标准器自身的分辨率给实验结果带来的影响；在测量时支撑垂直移动平面，丝杠产生的形变对结果引起不确定性；光栅尺作为定位垂直平台主要仪器，其对测量结果带来的不确定性；控制屏幕显示的示值分辨率引起的不确定度；测试台面平行度引入的不确定度分量、试样块形变引入的不确定度分量及其他形式对测量结果的影响，由于在研制装置时，对测试台面以及试样块选择形变量极小的玻璃，对该试验的影响量极小，因此可以忽略不计。

1）由实验重复性引入的不确定度分量u1

由JJF 1224——2009可知，每种不同直径的钢筋应至少选择3种不同钢筋保护层厚度。由实验可知，选择不同的标准试样测得不同的重复性误差，不确定度分量u1表达式为

依据式（2）得到钢筋保护层厚度与重复性实验引入的不确定关系如图4所示，其中重复性最大的不确定度分量为钢筋直径为32 mm，模拟钢筋保护层厚度为100 mm，不确定度分量u1max=0.028 6 mm。

图4 钢筋保护层厚度与重复性实验引入的不确定关系

2）标准深度卡尺分辨率引入的不确定度分量u2

由深度卡尺的分度值引入的不确定度分量，其分布可视为均匀分布，表达式为

3）丝杠的形变引入的不确定度分量u3

丝杠在支撑垂直移动平面时，由仿真得出丝杠的形变为0.098 325 8 mm，由于丝杠螺纹存在加工误差每300 mm误差为0.03 mm，丝杠总长为900 mm。在实际应用中属于均匀分布，表达式为

4）光栅尺引入的不确定度分量u4

光栅尺的光栅条纹分度值为0.02 mm，属于均匀分布，表达式为

5）由钢筋直径引入的不确定度分量为u5

钢筋直径在制造时偏差不超过±0.15 mm，属于均匀分布，表达式为

6）控制屏幕分辨率引入的不确定度分量u6

由读数示值引入的不确定度分量，属于均匀分布，表达式为

因此，合成不确定度表达式为

由式（8）得出模拟钢筋保护层厚度与合成不确定度之间的关系如图5所示。实验重复性引入的不确定度u1与合成不确定度呈线性关系，即uc=ku1+b。由图5可知，钢筋保护测定仪校准装置中试样钢筋直径为32 mm，模拟钢筋保护层厚度为100 mm时，合成不确定度最大为ucmax=0.111 5 mm。因此，该仪器的扩展不确定度U=0.223 mm（k=2），完全满足JJF 1224——2009要求。

图5 模拟钢筋保护层厚度与合成不确定度之间的关系

3 结束语

本文成功研制了一种新型的钢筋保护层测定仪校准装置，该装置通过西门子可编程控制系统控制，实现较高精度的模拟钢筋保护层厚度。与传统的试块校准相比较，精度提高了10倍，实现可连续测量，测量范围扩展到0～600 mm。并且阐述了该仪器结构及工作原理，通过大量的实验证明了其满足JJF 1224——2009规范要求，得到该仪器的扩展不确定度U=0.223 mm（k=2），使高精度量值在钢筋保护层测厚仪中高效传递。