基于饰面砖拉拔仪检测装置的扩展改造研制

邱南聪

（广东省珠海市质量计量监督检测所， 广东 珠海 519000）

0 引言

随着现代化进程的加快， 越来越多类型的饰面砖被广泛应用于各类建筑、装备的外饰面。 无论从美观、外墙保护、耐污染、耐腐蚀等哪个方面来看，饰面砖都发挥着越来越不可或缺的重要作用。与此同时，因饰面砖粘接强度不达标导致的饰面砖空鼓、脱落，乃至引发较为严重质量事故、工程事故的情况也时有发生。 因此，饰面砖粘接强度备受行业关注。 建筑工程外墙饰面砖的粘结质量如何，是否会脱落，是建筑外墙检验的必检项目，主要通过饰面砖拉拔仪进行检验， 所以饰面砖拉拔仪计量性能的准确性，是影响饰面砖粘结强度准确的关键因素。 但是目前，饰面砖拉拔仪只有行业标准，没有计量检定规程和校准规范。为确保仪器计量/校准的准确性，研制饰面砖拉拔仪检测装置， 设计编制科学的饰面砖拉拔仪计量/校准方法，具有重要意义。

1 饰面砖拉拔仪工作原理

按标准要求，使用胶粘剂粘结标准块与饰面砖见图1。

图1 饰面砖拉拔仪标准块粘结图

安装饰面砖拉拔仪见图2： 饰面砖拉拔仪支架跨在标准块两边，带万向节的连接杆，一端与标准块连接，一端通过穿心千斤顶中心 （或直接与测力传感器连接），并与饰面砖表面垂直；调整千斤顶活塞，使活塞升出2mm，并将数字显示器调零，再拧紧拉力杆螺母；匀速摇转饰面砖拉拔仪的摇转手柄加压 （或驱动饰面砖拉拔仪的自动加载机构加载），直至饰面砖试样断开，饰面砖拉拔仪记录并显示该峰值，即为粘结力值。

图2 饰面砖拉拔仪工作示意图

2 总体设计

饰面砖拉拔仪的检测校准， 主要是通过连接机构将拉拔仪与检测装置进行串联， 然后经比较传递的方式来实现。 检测装置设计要素如下：

2.1 准确度等级

经市场调研， 饰面砖拉拔仪的加载及测量单元主要有三种模式：①T 型丝杆手动加载+压力传感器；②T 型丝杆手动加载+称重传感器； ③T 型丝杆电机自动加载+称重传感器（现时最新结构模式）；因此，受加载装置的平稳性及仪器试验支架刚性的影响， 建筑工业行业标准JG/T 507-2016《数显式粘结强度检测仪》，对饰面砖拉拔仪拉拔仪的系统误差定义为≤1.5%，即1.5 级及以上，结合以上情况， 按检测标准器计量性能优于被检测仪器3 倍的原则， 为满足市面常见的1.0 级、1.5 级饰面砖拉拔仪拉拔仪的计量检测， 依据国家计量检定系统表JJG 2045-1990《力值（≤1MN）计量器具检定系统框图》，定义饰面砖拉拔仪检测装置的准确度等级为0.3 级。

2.2 量程

依据建筑工业行业标准JG/T 507-2016《数显式粘结强度检测仪》，饰面砖拉拔仪的最大试验力为10kN，但市面上也有不少50kN 以下的拉拔仪（锚固式拉拔仪最大量程为1MN，因测量范围过于宽广，本研究暂不予于考虑），因此， 饰面砖拉拔仪检测装置的传感器实际选10kN 与50kN 两个标准测力仪， 装置的计量检定下限从10%～100%，则可以满足50kN 及10kN 拉拔仪的计量校准需求。

2.3 分辨力

分辨力也是计量器具的重要技术指标， 分辨力设置过大将对仪器的精度产生显著影响， 设置过小又会提高不必要的成本。因此，仪器分辨力设计通常以对仪器精度不构成明显影响为原则。 饰面砖拉拔仪检测装置的显示仪器配用标准负荷测量仪，依据JJG44-2007《标准测力仪检定规程》所述，0.3 级标准测力仪量程为10kN、50kN，测量下限以测量范围最大值的2%进行计算，其分辨力分别为0.29N、0.36N，结合实际情况，将两个量程对应的分辨力都设置为0.1N， 减小仪器实际分辨力带入的标准不确定度分量，以致可忽略。

2.4 测量连接件

由图2 饰面砖拉拔仪工作示意图可知， 饰面砖拉拔仪工作时，使用带万向节的拉力杆通过穿心千斤顶（或测力传感器）中心，并与饰面砖表面垂直；对饰面砖拉拔仪进行计量检测时， 也应参照饰面砖拉拔仪的实际工作模式，保留带万向节的拉力杆。

经实际调研，市面上饰面砖拉拔仪的拉力杆，其联接端大多为M12、M8 两种外螺纹，因拉力杆已安装万向节，可自行调节垂直度， 则检测装置的测量连接件可简单设计为带内螺纹的连接件，设计图见图3。

图3 饰面砖拉拔仪检测装置测量连接杆

2.5 检测装置力源

饰面砖拉拔仪均自带加载装置， 但在实际检测中发现， 使用液压和涡轮蜗杆模式的加载装置， 存在以下缺点：①最小加载速率过大，载荷变化过快，难以准确读数及检测点载荷难调节，检测效率及准确性都较低；②加载装置的平稳性不足，其摇转手柄在加压过程中，手动无法恒速加载， 摇转手柄停顿时， 力值测量容易产生滞后现象；扭矩大时，会因瞬时过冲的加载，饰面砖拉拔仪试验支架易产生晃动现象， 以上现象都会导致检测结果的重复性及复现性过大，无法准确判断检测结果；③加载装置无载荷闭环加载措施， 无法对载荷进行测量反馈及调节保持，再加上的螺杆或密封部件，容易产生磨损，导致饰面砖拉拔仪的恒载能力降低。 鉴于饰面砖拉拔仪加载装置的实际情况，饰面砖拉拔仪检测装置需设计平稳力源，确保载荷检测过程中，载荷速率平稳，数值准确可读，保证检测结果的准确性及一致性。

饰面砖拉拔仪检测装置力源的设计指标： ①加载方式：恒位移速率方式；②最小位移移动速度：0.02mm/min；③最大载荷：50kN。 以上指标，使用现时较普遍成熟的力源组合方案：滚珠丝杆+减速机+伺服电机；经计算选型可得，滚珠丝杆：外径50mm，螺距10mm；减速机：减速比100：1；伺服电机：功率1kW。

2.6 结构设计

从饰面砖拉拔仪检测装置所需实现的功能进行全面分析，装置的构成应包含以下几个部分：

检测仪支架承载机构：设计标准测力仪与饰面砖拉拔仪的安放位置及其连接承载模式；饰面砖拉拔仪其试验支架跨距≥120mm，万向节连接杆离承载面约30mm，在此空间内，无法安装标准测力仪，为保障计量检测的施力方向为拉向，检测仪支架承载机构采用平行板结构，下底板上安装标准测力仪，上平行板放置检测仪，通过上平行板的穿孔，使用测量连接件，连接标准测力仪及检测仪万向节。

测力与测量仪连接间隙调整机构： 设计标准测力仪与饰面砖拉拔仪连接后， 其同轴度保障及上下间隙调整机构； 因饰面砖拉拔仪试验支架跨距及其连接杆高度不一， 计量检测时须保证其与标准测力仪的受力方向在同一垂直轴线上， 需对饰面砖拉拔仪与标准测力仪的同轴度及上下连接位置进行调节， 测力与测量仪连接间隙调整机构采用同轴度效验棒及滚珠丝杆调节模式， 使用同轴度效验棒调节标准测力仪的安装位置， 使同轴度≤10%， 保证标准测力仪与饰面砖拉拔仪的载荷在同一垂直轴线；滚珠丝杆可升降上平行板，调节上、下平行板间距离，以调节标准测力仪与饰面砖拉拔仪的连接间隙。

测力装置机构：设计装置的整体结构；框体参照电子式万能试验机模式，采用四立柱门式结构，保证框体的刚性及垂直度；传动机构采用伺服电机驱动，双减速机连轴带动滚珠丝杆传动，因标准测力仪安装位置在底板，则传动机构采用顶部安装模式，在实际使用中，装置上平行板的移动速度较低，移动平滑，装置无晃动，上置式的传动机构满足需求；

装置计量溯源辅助机构： 为了快速验证标准测力仪安装效果，看其力值准确度是否超差，可采用另一相同/更高准确度等级的标准测力仪进行比对观察； 装置设计了反向测力架，压向力的标准测力仪放置在上平行板，反向测力架下端与安装好的标准测力仪连接， 加载测量标准测力仪力值准确度。 结构设计见图4。

图4 饰面砖拉拔仪检测装置结构简图

3 检验

按照JJF 1094-2002《测量仪器特性评定》，计量器具的关键技术指标有分辨力、示值误差、重复性、稳定性等。检验目的就是要逐项核查装配完成的饰面砖拉拔仪检测装置以上关键技术指标能否满足设计和使用需求。

3.1 量程

照设计要求，检测装置的量程（1～50）kN。 经检验：检测装置力值测量单元由2 个标准测力仪组成， 量程分别为10kN 及50kN， 其有效测量范围均为量程的 （10～100）%，技术指标见表1。

表1 检测装置参数设定

3.2 示值误差

选取量程为50kN，准确度等级为0.03 级的叠加式力标准机作为计量标准，对该检测装置进行逐点校准，数据见表2。

表2 示值误差测量结果

10kN 量程示值误差测量测量同上，示值误差均符合MPE：±0.3%要求。因此，检测装置示值误差符合设计及使用要求。

3.3 分辨力

检测装置的指示装置为数显式标准负荷测量仪，分辨率为0.1N，经检测，检测装置在无载荷时，指示装置的示值变化最大为0.2N，则分辨力为示值变化范围的一半，即0.1N，小于标准限值0.29N。 因此，检测装置分辨力满足设计及使用要求。

3.4 重复性检验

选取量程为50kN，0.03 级的叠加式力标准机作为计量标准，短时间内、相同工作及环境条件下，用该计量标准对检测装置各测量点进行10 次重复性测量。按贝塞尔公式求出其标准偏差，测量结果及计算见表3。

表3 重复性测量结果

10kN 量程重复性测量同上。

由此可知，检测装置实际重复性满足设计及使用要求。

3.5 装置的长期稳定性检验

要判断是装置的力值显示是否稳定可靠， 运行是否平稳，是否有稳定性差，数值跳动等不稳定因素，可以让装置首次定度后，使用核查标准（0.1 级标准测力仪），每隔一个月，对装置计量一次，记录数据，持续4 组测量结果中的最大值与最小值之差作为该时间段的稳定性，测量结果见表4。

表4 检测装置的稳定性测量数据

10kN 量程长期稳定性检验同上。

监测装置稳定性基本在0.1%以内， 符合0.3 级的设计及使用要求。

3.6 综合计量性能指标验证

综合以上技术指标经不确定度分析可知： 装置最大的合成标准不确定为0.08%，小于装置设计误差±0.3%绝对值的三分之一。

综上所述， 本研究所设计的检测装置计量技术指标满足设计要求，符合使用要求。

3.7 实际应用验证

检测装置实物图见图5。用该检测装置对多台饰面砖拉拔仪进行多次检测验证， 数据稳定性和重复性均能达到饰面砖拉拔仪的溯源要求。

图5 检测装置实物图

4 结束语

经过实际应用及分析验证， 所设计的饰面砖拉拔仪检测装置量程、准确度等级、重复性、稳定性以及综合计量性能指标均满足饰面砖拉拔仪的量值溯源需求， 有效解决了饰面砖拉拔仪测不出、测不准的难题。