全自動混凝土尺寸測量儀的研發(fā)與應(yīng)用

陳 陽，王新祥，，王元光，鄭 靚，張 辰

（1、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州510500）

0 引言

混凝土［1-2］是建設(shè)工程中使用量最大的建筑材料之一。混凝土的抗壓強度檢測是建筑工程施工質(zhì)量控制和竣工驗收評定的項目之一，檢測的準確性與可靠性關(guān)系到整個建筑工程施工質(zhì)量與安全［3-5］?！痘炷廖锢砹W性能試驗方法標準：GB/T 50081—2019》［6］中規(guī)定立方體抗壓強度試驗前應(yīng)檢查其尺寸和形狀，且尺寸公差應(yīng)滿足規(guī)定?；炷猎嚰某叽鐚τ诹⒎襟w抗壓強度的結(jié)果至關(guān)重要。

目前，文獻［6］對混凝土試件尺寸的測量方法作了相關(guān)規(guī)定，試件的邊長和高度宜采用游標卡尺進行測量，應(yīng)精確至0.1 mm；試件承壓面的平面度可采用鋼板尺和塞尺進行測量，測量時應(yīng)將鋼板尺立起橫放在試件承壓面上，慢慢旋轉(zhuǎn)360°，用塞尺測量其最大間隙作為平面度值，也可采用其他專用設(shè)備測量，結(jié)果精確至0.01 mm；試件相鄰面間的夾角應(yīng)采用游標量角器進行測量，應(yīng)精確至0.1°。國標僅僅簡單介紹了人工手動測量混凝土試件的尺寸。人工測量方法需耗費的時間長，且結(jié)果受人為因素影響大，亟需設(shè)計一種儀器來實現(xiàn)混凝土尺寸的自動測量。

目前市面上已有很多類型的測量儀［7-8］，但未見一種尺寸測量儀專門用于測量混凝土試件的尺寸且能自動判定尺寸公差合格與否，因此有必要研發(fā)一套全自動混凝土尺寸測量儀，可以大大提高試驗效率，并保證試驗結(jié)果的準確性。

1 設(shè)計原理與功能

1.1 設(shè)計原理與組成

本研究開發(fā)的全自動混凝土尺寸測量儀主要由測量系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其中測量系統(tǒng)包括測量臺、激光測距傳感器、步進電機等。測量臺用于放置待檢混凝土試件；4 個側(cè)面設(shè)計有2 個激光測距傳感器且相對面的激光測距傳感器一一對應(yīng)，上下兩面設(shè)計有4個激光測距傳感器配合步進電機掃描測試整個平面。清掃系統(tǒng)包括毛刷、吸塵器、步進電機等；控制系統(tǒng)由控制軟件組成。其設(shè)計原理如圖1所示。

1.2 功能特點

全自動混凝土尺寸測量儀采用激光測距傳感器［9］，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖1），可測試混凝土試件的尺寸（試件的邊長和高度、承壓面的平面度和相鄰面的夾角），并將測量結(jié)果上傳至控制軟件，僅需將混凝土試件放置于測量臺指定位置，尺寸測量儀即可完成尺寸測量，尺寸公差結(jié)果的判斷，無需人工手動測量，降低人為因素的影響，極大地提高試驗人員的試驗效率，提高試驗結(jié)果的準確度。

圖1 全自動尺寸測量儀Fig.1 Full-automatic Dimension Measuring Instrument

1.3 工作流程

⑴將待檢混凝土試件按照承壓面放置于測量臺的指定位置；

⑵啟動控制軟件，開啟四側(cè)的激光測距傳感器，測量試件非承壓面的邊長、相鄰面間夾角；上、下2 臺步進電機配合4 個激光測距傳感器移動，測量上下承壓面的邊長、平面度；

⑶將測試的數(shù)據(jù)上傳至控制軟件，并計算出混凝土試件的尺寸（試件的邊長和高度、承壓面的平面度和相鄰面的夾角），判定尺寸公差合格與否；

⑷將檢畢混凝土試件移出測量臺，清掃系統(tǒng)自動清掃完測量臺上的殘留碎屑，待下次測量。

2 與人工檢測的對比

2.1 試驗方案

選取同批次300 組規(guī)格為150 mm 的混凝土立方體試件為測試對象，采用人工測量與全自動尺寸測量儀分別測量混凝土立方體的試件尺寸（包括承壓面的長度和寬度、承壓面的平面度、試件的鄰面夾角），并比對驗證2種測量方式獲得的測試結(jié)果的差異性。

2.2 試驗結(jié)果與分析

單因素方差分析［10-11］是檢驗在一種因素影響下，2 個或2 個以上總體的均值之間是否相等的一種統(tǒng)計方法。本研究采用單因素方差分析法分析2種測量方式（即人工測量和全自動尺寸測量儀）所獲得的測試結(jié)果之間的差異性。

如圖2 所示，人工測量與全自動尺寸測量儀測試所獲得的混凝土承壓面長度的數(shù)值主要分布于149.5～150.5 mm，承壓面長度的尺寸公差都滿足文獻［6］的相關(guān)規(guī)定。通過計算300 組數(shù)據(jù)，人工測量獲得的承壓面長度均值為149.89 mm，方差為0.026 6，全自動尺寸測量儀測試獲得的長度均值為149.91 mm，方差為0.021 7。對2 組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，可得出在給定顯著性水平為0.05 的前提下，由于概率p值（0.154 7）大于0.05，即認為2 種測試方式獲得的混凝土承壓面長度不存在顯著差異。

圖2 混凝土承壓面長度檢測比對結(jié)果Fig.2 Comparison of the Length of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如圖3 所示，人工檢測與全自動尺寸測量儀測試所獲得的混凝土承壓面寬度為149.5～150.5 mm。承壓面寬度的尺寸公差都滿足文獻［6］的相關(guān)規(guī)定。通過計算，人工測量獲得的寬度均值為149.76 mm，方差為0.034 4，全自動尺寸測量儀測量獲得的寬度均值為149.76 mm，方差為0.034 2。對2 組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，在給定顯著性水平為0.05 的前提下，由于概率p值（0.736 2）大于0.05，即認為2 種測試方式獲得的混凝土承壓面寬度不存在顯著差異。

圖3 混凝土承壓面寬度比對結(jié)果Fig.3 Comparison of the Width of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如圖4 所示，人工檢測與全自動尺寸測量儀所測試的混凝土承壓面平面度分布為0.01～0.06 mm。文獻［6］規(guī)定試件的平面度公差不超過邊長的0.000 5，即0.075 mm，2種測試方法獲得的尺寸公差符合要求。通過計算，人工測量獲得的上承壓面平面度均值為0.038 9，方差為0.000 2，全自動尺寸測量儀測試獲得的上承壓面平面度均值為0.038 8，方差為0.000 1。對2 組數(shù)據(jù)及2 種測試方法獲得的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，可得在給定顯著性水平為0.05 的前提下，由于概率p值（0.897 4）大于0.05，即認為2 種測試方式獲得的混凝土承壓面長度不存在顯著差異。

圖4 混凝土上承壓面平面度比對結(jié)果Fig.4 Comparison of the Flatness of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如圖5所示，人工檢測與全自動尺寸測量儀所測試的混凝土下承壓面的平面度主要分布在0.01～0.06 mm之間。2種測試方法獲得的尺寸公差符合要求。通過計算，人工測量獲得的上承壓面平面度均值為0.040 6，方差為0.000 2，全自動尺寸測量儀測試獲得的上承壓面平面度均值為0.040 6，方差為0.000 1。對2 組數(shù)據(jù)及2 種測試方法獲得的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，在給定顯著性水平為0.05 的前提下，由于概率p值（0.999 9）大于0.05，即認為2種測試方式獲得的混凝土下承壓面平面度不存在顯著差異。

圖5 混凝土下承壓面平面度比對結(jié)果Fig.5 Comparison of Flatness of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如圖6 所示，人工檢測與全自動尺寸測量儀所測試的混凝土相鄰面間的夾角分布在89.7°～90.1°之間。2 種測試方法獲得的尺寸公差符合要求。通過計算，人工測量獲得的相鄰面夾角均值為89.91°，方差為0.000 2，全自動尺寸測量儀測試獲得的相鄰面夾角均值為89.93°，方差為0.000 1。對2 組數(shù)據(jù)及2 種測試方法獲得的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，在給定顯著性水平為0.05 的前提下，由于概率p值（0.156 7）大于0.05，即認為2 種測試方式獲得的混凝土相鄰面夾角不存在顯著差異。

3 結(jié)論

⑴本研究開發(fā)的全自動混凝土尺寸測量儀解決了目前該參數(shù)無自動化檢測設(shè)備的難題，通過采用激光測距傳感器，并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以同步測量混凝土試件的邊長、承壓面的平面度、相鄰面間的夾角，極大提高了工作效率，降低了人為因素的影響。

⑵采用單因素方差法對人工檢測與全自動尺寸測量儀的測試結(jié)果進行對比分析，2 種測試方法獲得的測試結(jié)果（承壓面長度、寬帶、承壓面的平面度和相鄰面間的夾角）不存在差異性，表明全自動混凝土尺寸測量儀可以用來代替人工手動檢測混凝土試件的尺寸。