一種利用固結儀進行測力環(huán)校準的方法

劉 鈺，黃正均，張 棟，楊 同

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083）

引言

在土工試驗設備中，需要應用到測力環(huán)的儀器設備較多，如土工直剪儀、無側限壓力儀、三軸儀等。每一個測力環(huán)出廠時都會有檢定證書，并記錄有其測力環(huán)系數。隨著在實驗中的不斷使用，測力環(huán)在循環(huán)應力的作用下會產生疲勞損傷，測力環(huán)系數會有所變化。根據測力環(huán)的使用情況以及《工作測力儀檢定規(guī)程》（JJG455-2000）[1]5.4 條的規(guī)定，一般要求至少一年需要對測力環(huán)進行標定一次，如果平時使用的比較頻繁，需要適當縮短校準周期。

周亦泉[2]等運用回歸分析中散點圖和相關系數的方法確定測力環(huán)的負荷和百分表示值的相互關系；王蓁麗[3]等利用EXCEL 來分析基于最小二乘法的測力環(huán)線性回歸方程；麻青春[4]等通過理論分析證實，基于最小二乘法的測力環(huán)線性回歸分析法建立的回歸方程回歸直線誤差最小，是測力環(huán)回歸分析的最佳方法。以上研究主要是針對測力環(huán)的線性數據分析，但是針對測力環(huán)的校準方法及校準設備的研究未見涉及。本研究提出一種利用杠桿式固結儀對測力環(huán)進行校準的方法，可以解決實驗室內數量較多的測力環(huán)校準問題，達到高效且節(jié)約成本的目的。

1 校準原理及設備

1.1 校準原理

常見的測力環(huán)是用線性和重復性較好的金屬彈性體制成圓環(huán)[3]，圓環(huán)內裝置百分表，當金屬彈性體圓環(huán)受力產生變形后，通過百分表讀出變形量。根據彈性力學理論，測力環(huán)在彈性范圍內，受到的力與變形的比值為常量，稱為測力環(huán)系數。如式（1）所示：

式中：C 為測力環(huán)系數；F 為測力環(huán)受力；R 為百分表讀數。

據水利部行業(yè)標準《應變控制式直剪儀校驗方法》（SL116-2012）[5]，測力環(huán)即可按《工作測力儀檢定規(guī)程》（JJG455-2000）方法校驗，也可用專用砝碼直接加荷法校驗。水利水電部《土工試驗規(guī)程》（SD128-84）[6]中提到2 種直接加荷法：直立率定法和磅秤率定法，本研究所采用的方法是受到直立率定法的啟發(fā)，對實驗室內現有的杠桿式固結儀進行加工改造，完成測力環(huán)的校準工作。

1.2 試驗設備

圖1 為測力環(huán)校準方法中改造使用的單聯杠桿式固結儀示意圖，是土力學實驗室中比較常見的土工試驗設備，主要用于測定土在不同載荷和有側限的條件下的壓縮性能。根據固結儀正向壓力范圍等參數的不同分為多個型號，表1 為此次用于改造的單聯杠桿式固結儀的具體參數。

表1 單聯杠桿式固結儀參數

由單聯杠桿式固結儀改裝后的測力環(huán)校驗裝置示意圖見圖2。卸除原測量壓縮高度的百分表及百分表架，將固結儀兩根原長23 cm 的加壓框架豎桿加長至38 cm，測力環(huán)和百分表作為整體，“一表一環(huán)”，測力環(huán)底部置于土樣盒蓋上，測力環(huán)上部與固結儀加載框架相連，上下均配有鋼珠，確保受力軸線與重力軸向相重合。采用分級加載的方式，并記錄每一級對應的測力環(huán)中百分表讀數。

2 測力環(huán)校準及數據處理

2.1 測力環(huán)校準

溫度與濕度會對測力環(huán)的變形產生一定的影響，因此需要在溫濕度較為適宜的條件下進行校準，一般要求室溫在（20±5）℃，相對濕度不大于80%。校準時，周圍應無影響校準結果的振動、電磁場或其它干擾。測力環(huán)的檢定點為5 個點，各點均勻分布，按照測量上限的20%、40%、60%、80%、100%布置。此次校準采用砝碼加載，為了保證每級加載力值的準確性，采用電子天平（最大稱量2 000 g，感量0.01 g）測定砝碼質量，每級荷載砝碼力值的計算如式（2）所示:

式中：Fn為n 級砝碼力值；mn為n 級砝碼質量；L 為杠桿比，本次校準方法杠桿比為12；以量程為1.2 KN 的剪切測力環(huán)為例，各級加載情況見表2。

表2 各級加載情況匯總

校準工作開始前，首先觀察測力環(huán)是否有肉眼可見的變形及損傷，并記錄測力環(huán)的編號及校準前的測力環(huán)系數。測力環(huán)和百分表作為整體如圖2 所示安裝好，“一環(huán)一表”作為整體進行校準。為保證測力環(huán)與儀器上下各部件之間接觸良好，施加1.558 2 N 的預壓力，然后調整百分表使讀數為零。

校準時，按照荷載遞增順序逐點進行校準，見表2。每級荷載加到后，保持一定的時間，通常取30 s，記錄此時百分表的讀數，直到最后一級。依次卸載，觀察百分表讀數是否回零，用式（3）計算回零差，校準過程結束。

2.2 數據處理

測力環(huán)的受力和百分表的讀數具有線性關系，比值為常量，即為測力環(huán)系數。處理數據時，使用origin軟件自帶的線性擬合功能，通過Origin 線性擬合窗口工作列表可以獲得斜率、相關系數等參數[7-9]。使用本次校準方法對實驗室內10 個測力環(huán)進行了校準，校準結果匯總表見表3，部分校準曲線見圖3。

表3 校準結果匯總

2.3 數據分析

已校準的10 個測力環(huán)的測力環(huán)系數匯總情況見圖4，與出廠時的系數相比，誤差均在5%以內，符合教學要求，將測力環(huán)系數更正為校準后結果還可以繼續(xù)使用。校準后的測力環(huán)系數均比出廠時小，這是因為測力環(huán)在長期的使用過程中，在循環(huán)應力和溫濕度的共同作用下，產生了局部永久性的累積損傷，產生了一定塑性變形[10]。誤差率最小的07122 號測力環(huán)，它的測力環(huán)系數最大，測力環(huán)壁比較厚，平時只在教學實驗中使用；誤差率最大的10673 號測力環(huán)，其測力環(huán)系數較小，測力環(huán)壁較薄，平時不僅在教學實驗中使用也會在科研實驗中使用，使用頻率較高。因此，測力環(huán)的壁厚、出廠時測力環(huán)的系數大小、使用頻次均會對測力環(huán)系數產生影響[11-13]。

3 對比試驗

為了驗證本校準方法的可靠性，使用本次校準方法對全新的測力環(huán)編號10651 進行校準，表4 為兩種方法的校準點匯總情況，圖5 為校準曲線對比。編號10651 測力環(huán)出廠測力環(huán)系數為4.663 N/0.01 mm，使用本校準方法得到測力環(huán)系數為4.668 N/0.01 mm，相對誤差按式（4）計算，誤差為0.107%。通過對全新測力環(huán)的校準，驗證了本校準方法的可靠性。式中：E 為校準結果的相對誤差；CMUT為校準得到的測力環(huán)系數；Ca為出廠測力環(huán)系數。

表4 校準點匯總

4 結論

本次測力環(huán)校準方法是利用實驗室現有的杠桿式固結儀進行改造，具有試驗設備易于取得、改造成本較低、易于推廣等優(yōu)點，達到節(jié)省時間與經費的目的。本次使用的是1:12 杠桿比的單聯固結儀，也可以使用其它型號的固結儀進行改造。分級加載中使用的砝碼是通過電子天平（最大稱量2 000 g，感量0.01 g）稱量并代入計算的，高于行業(yè)標準的0.1%精度要求。測力環(huán)在出廠時都帶有標定證書，附有測力環(huán)系數，但是其僅對測力環(huán)進行了標定并沒有考慮百分表的誤差。本次校準方法，提出“一表一環(huán)”，每個測力環(huán)都配有專用的百分表，在校準時，將測力環(huán)與百分表作為整體安裝與校準，從而提高精度。使用該方法校準后的測力環(huán)已經在科研及教學實驗中得以應用，均取得較好的試驗結果。