基桩高应变仪计量检定规程制定的研究

窦春晖，周振杰，韩鸿胜，李 妍

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

基桩高应变仪是一种在重锤锤击作用下基于应力波法[1]检测单桩轴向抗压承载力和桩身完整性的测试分析仪器，由加速度计、应变传感器、采集与显示装置及配套电缆组成[2-4]。作为工程设备，基桩高应变仪量值的准确度和稳定性必须达到一定要求，才能保障工程质量[5-6]。目前国内已发布的《JJG 930-1998基桩动测仪》与《JJG (建设)0003-1996基桩动测仪测量系统》适用于基桩高、低应变仪的计量性能检定，尚未发布仅针对基桩高应变仪的检定规程或校准规范，而且上述两个检定规程已发布近20年，其中规定的部分计量参数已不适用于国内生产的基桩高应变仪。为此，本文依据现有的检测器具和仪器，对基桩高应变仪检定规程制订方案进行了研究，并实现了对交通运输部部门计量检定规程《基桩高应变仪》的实施。与此同时，实验测量了样机的加速度幅值线性度、频率响应以及应变幅值线性度，结果表明规程中所提参数符合预期要求。

1 确定规程主要内容

规程的编制内容分为范围、规范性引用文件、概述、计量性能要求、通用技术要求和计量技术器具控制六部分。

1.1 范围

规程为交通运输部部门计量规程，规程规定的范围为“本规程适用于水运工程基桩高应变仪的首次检定、后续检定和使用中检查。

1.2 规范性引用文件

根据评判基桩高应变仪技术性能的需求，参考规范性文件有《JJG(建设)0003-1996基桩动测仪测量系统》，《JGT 518-2017 基桩动测仪》，《JJG 834-2006动态信号分析仪检定规程》，《GBT 20485.21-2007振动与冲击传感器校准方法 第21部分：振动比较法校准》，《GBT 20485.22-2007 振动与冲击传感器校准方法 第22部分：冲击比较法校准》。

1.3 概述

概述规定了基桩高应变仪的作用、组成，具体内容为“基桩高应变仪是一种在重锤冲击作用下检测单桩轴向抗压承载力和桩身完整性的测试分析仪器，由加速度计、应变传感器、采集与显示装置、适配器及配套电缆等组成”。

1.4 计量性能要求

根据基桩高应变仪的输出结果可分为加速度测量和应变测量，规程中要求基桩高应变仪加速度参考灵敏度测量不确定度5%(k=2)，加速度幅值线性度不大于10%，频率响应要求在频率为(10～4 000)Hz范围内基桩高应变仪的系统灵敏度较参考点变化不大于10%，应变参考灵敏度测量不确定度5%(k=2)，应变幅值线性度不大于0.5% F·S，应变重复性不大于0.5% F·S。

1.5 通用技术要求

参考基桩高应变仪相关国家、行业标准，在规程中对基桩高应变的通用技术要求进行了规定。从外观和铭牌方面，要求基桩高应变仪涂镀层应牢固、均匀，不应有影响正常工作的脱落、起泡、锈蚀、磨损等缺陷，还应该标有产品名称、型号、生产厂家、出厂编号及出厂日期等。

1.6 计量器具控制

首先，应确定检定环境条件，温度为室温20℃±5℃，相对湿度不大于80%，周围无强电磁场干扰，无腐蚀性气、液体，无其他冲击源。在此条件下，检定器具和被检设备都能保持相对稳定的性质和状态。

检定设备包括标准加速度计套组、标准冲击台、动态信号分析仪、标准振动台、标准应变发生装置和位移测量仪表。对于检定设备要求：标准加速度计套组测量不确定度为3%(k=2)；动态信号分析仪最高采样频率不小于100 kHz，频率误差不大于0.1%，幅值误差不大于0.2%；标准应变发生装置应变范围不小于1 000 με；位移测量仪表测量不确定度为4%(k=2)。

检定结果满足检定规程条件要求的，可确定为符合设备性能的规定，出具检定证书；不能满足检定规程要求的，出具检定结果通知书，并注明不合格项。

基桩高应变仪的检定周期一般不超过1 a。

图1 落锤冲击系统示意图Fig.1 Sketch of drop hammer impact system

2 主要试验分析

2.1 加速度幅值线性度

图2 加速度数据线性拟合Fig.2 Linear fitting of acceleration data

使用落锤冲击系统进行试验，落锤冲击系统包括标准加速度器套组(标准加速度计和电荷放大器)、落锤冲击台、动态信号分析仪(具有数据采集及处理功能)。检定原理图见图1，首先将标准加速度计与被校加速度计按照背靠背的方式刚性地固定在落锤上，在冲击主台体下放一定厚度的毡垫将冲击信号波形调整为半正弦波。然后将落锤自动或手动提升到某一个高度，释放后其自由降落。当落锤与砧头发生刚性碰撞时，就会产生一定幅度的冲击激励，该冲击激励作为机械信号输入到加速度计[7-8]。加速度计输出高阻抗电荷信号经电荷放大器转换成可供测量的电信号，最后经数据采集及处理分析得到被检加速度计的幅值线性度。

(1)

2.2 加速度频率响应

图3 振动测量系统Fig.3 Vibration measurement system

使用振动测量系统进行加速度频率响应的实验，振动测量系统主要包括标准振动台、标准加速度计套组、动态信号分析仪(具有数据采集及处理功能)。检定原理图见图3，首先将被检基桩高应变的加速度计固定在振动台上，设置好标准加速度计的参考灵敏度值，通过电脑中控制软件控制标准振动台起振，通过比较法测量被检基桩高应变仪加速度计的灵敏度。

以频率点(80 Hz或160 Hz)处的被检加速度计的灵敏度为参考值，在基桩高应变仪的工作频率范围内选择不少于7个频率点，逐个改变频率点，同时测量相对应的被检加速度计的灵敏度值，按照公式(3)计算每个频率点的幅值相对偏差δi。具体实验测量数据见表1，测量结果显示在最大的幅值相对偏差为6.35%，符合规程的要求。

(3)

图4 应变测量系统Fig.4 Strain measurement system

频率/Hz灵敏度/ mV/m·s-2相对偏差δi/%1603.620.00%203.620.00%403.58-1.10%803.55-1.93%3203.55-1.93%6503.650.83%1 2503.702.21%2 0003.856.35%

2.3 应变幅值线性度

图5 应变数据线性拟合Fig.5 Linear fitting of strain data

使用应变测量装置对应变幅值线性度进行实验，应变测量装置主要由标定台、位移传感器和位移调节手柄组成，示意图见图4。首先，将基桩高应变仪的应变数据采集器输入端与被检应变传感器连接，将被检应变传感器固定在标定台。在1 000 με范围内均匀地划分10级，通过位移调节装置获取所需要的应变量，测量并记录应变数据采集器输出的电压值随应变量增加的变化。

以基桩高应变仪应变数据采集器输出的电压值作为X，应变值作为Y，进行最小二乘法拟合，拟合曲线见图5。按式(2)计算应变幅值线性度δ，其中ΔYmax为实测曲线与拟合直线间的最大偏差，Y为基桩高应变仪应变数据采集器的满量程输出。

(2)

在所选取的10个测量点中，实测曲线与拟合直线间的最大偏差为12.6 με，由此得到应变幅值线性度为1.26%，测量结果符合规程中的要求。

3 结论

通过对范围、规范性引用文件、概述、计量性能要求、通用技术要求和计量技术器具的研究，确定了基桩高应变仪检定规程制订的基本要素，形成的技术规程符合检定要求。同时选取样机对加速度幅值线性度、加速度频率响应以及应变幅值线性度进行了试验，测量结果均满足其要求，验证了规程中所提指标的合理性。规程的发布实施为检定装置的验收与基桩高应变仪的检定提供了技术依据。