十字板剪切儀計量檢定規程制定的研究

周振杰 李紹輝 朱懷東 李 妍

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

0 引言

十字板剪切儀是一種在施工現場用于測定飽和軟黏性土天然抗剪強度的儀器設備［1-2］，在交通領域中的公路綜合、水運地基（結構）等實驗室內應用廣泛，市場保有量巨大，是交通工程檢測領域重要的檢測儀器設備，已被列入《水運工程試驗檢測儀器設備計量管理目錄》（交辦科技﹝2016﹞56 號）。目前，交通行業并未發布十字板剪切儀相關的檢定規程，無法對十字板剪切儀的全部性能參數進行有效檢定工作。為了應對資質審查，檢測機構不得不委托計量機構按照標準出具校準證書，但由于缺乏統一的計量技術規范，各個計量機構對十字板剪切儀的校準參數并不一致，甚至有的計量機構只對常規尺寸量進行校準，造成有些十字板剪切儀未經過準確計量便用于工程檢測中，給工程檢測造成了極大的安全隱患。為滿足行業內十字板剪切儀量值溯源的需求，有必要開展十字板剪切儀計量檢定規程制定的研究工作，規范十字板剪切儀的生產、使用及后期檢定∕校準等過程的管理，促進交通工程建設［3-4］。為此，本研究通過梳理十字板剪切儀使用現狀，編寫了《十字板剪切儀計量檢定規程制訂方案》，并得以發布實施。編制過程中選用樣機對十字板剪切儀的指示表誤差、尺寸誤差及扭矩線性度等參數進行校準，分析結果表明，檢定規程中所提出計量性能要求及檢定方法符合預期要求。

1 確定規程主要內容

按照檢定規程的編寫要求，《十字板剪切儀計量檢定規程》共有范圍、概述、計量性能要求、通用技術要求及計量器具控制五部分內容。

1.1 范圍

該規程為交通運輸部部門計量檢定規程，規定的適用范圍為“本規程適用于十字板剪切儀的首次檢定、后續檢定和使用中檢查”。

1.2 概述

檢定規程概述中，規定了十字板剪切儀的用途、結構和原理，具體為“十字板剪切儀主要用于測定飽和軟黏性土的不排水抗剪強度和靈敏度”。根據工作原理的不同，十字板剪切儀按扭力測量設備可分為機械式和電測式兩種［5］。機械式十字板剪切儀主要由開口鋼環、旋轉手柄、鉆桿、十字板頭、導輪和指示表等組成。電測式十字板剪切儀主要由壓力主機、扭力測量設備、扭力裝置和十字板頭等組成。十字板剪切儀通過對土體施加一定扭矩，將土體剪壞，測定土體因抗剪對試驗儀產生的最大扭矩，從而計算出土的抗剪強度［6］。

1.3 計量性能要求

規程中要求十字板剪切儀的尺寸最大允許誤差為±1%、扭力測量線性度為±2%F·S、重復性≤0.8%F·S、回程誤差≤1%F·S。指示表示值誤差按照指示表的分辨力的不同示值誤差分別為±0.02 mm、±0.012 mm、±0.009 mm。

1.4 通用技術要求

查詢十字板剪切儀相關產品標準和技術規范，梳理相關技術要求，“規程”規定了十字板剪切儀的通用技術。從外觀和銘牌方面，要求不應有明顯的凹痕、裂縫和污染等，金屬部件不應有銹蝕及其他機械損傷，后續檢定和使用中檢查的儀器允許有不影響計量特性的上述缺陷，還應標有產品名稱、型號、生產廠家、出廠編號及出廠日期等。

1.5 計量器具控制

根據計量標準器具和被檢十字板剪切儀在檢定過程中都能保持相對穩定的性質和狀態，經調研及專家咨詢后可知，溫度為室溫（23 ℃±5 ℃），相對濕度不大于85%。

檢定設備包括指示表檢定儀、游標卡尺和十字板扭矩專用標定儀。對于檢定設備要求如下：指示表檢定儀的測量范圍為0～25 mm，最大允許誤差為±4 μm；游標卡尺的測量范圍為0～200 mm，最大允許誤差為±0.03 mm；十字板扭矩專用標定儀測量范圍為0.05～80.00 N·m，最大允許誤差為±0.3%。

檢定結果若滿足檢定規程條件要求的，可確定為符合設備性能的規定，出具檢定證書；若不能滿足檢定規程要求的，出具檢定結果通知書，并注明不合格項。十字板剪切儀的檢定周期一般不超過1 a。

2 檢定方法

2.1 十字板板寬尺寸誤差

用游標卡尺測量十字板板寬，每塊板的上中下3個位置分別測量板寬1次，分別取板寬標稱值與6次測量值之差，取最大值作為十字板板寬尺寸誤差檢定結果。

2.2 十字板板高尺寸誤差

用游標卡尺測量十字板板高，每半片板測量1次，分別取板高標稱值與4 次測量值之差，取最大值作為十字板板高尺寸誤差檢定結果。

2.3 鉆桿直徑誤差

用游標卡尺測量鉆桿直徑，鉆桿的上中下3 個位置分別測量直徑1 次，分別取鉆桿直徑標稱值與3 次測量值之差，取最大值作為鉆桿直徑誤差檢定結果。

2.4 指示表示值誤差

當十字板剪切儀為機械式時，要對指示表示值誤差進行檢定，步驟如下。

①使用夾具將指示表安裝在在指示表檢定儀上，使指示表的測桿部分處于水平或垂直向下的狀態。

②對于指針式指示表，壓縮測桿部分使指示表對“零”，對于數顯式指示表，壓縮測桿約0.1 mm 至0.2 mm，將指示表檢定儀和指示表置“零”。

③根據指示表量程均勻選取不少于5 個檢定點，在測桿正行程方向上，逐個對每個檢定點進行檢定，待指示表檢定儀和指示表示值穩定后，分別記錄指示表檢定儀和指示表的示值。

④先計算出示值誤差，再取示值誤差中絕對值最大的值作為指示類示值誤差的檢定結果。示值誤差計算見式（1）。

式中：DLi為指示表第i個檢定點的示值誤差（i=1，2，3），mm；Li為指示表第i個檢定點的示值，mm；L'i為指示表檢定儀第i個檢定點的進程，mm。

2.5 扭力測量設備示值線性度

當十字板剪切儀為電測式時，要對扭力測量設備示值線性度進行檢定，步驟如下。

①使用十字板扭矩專用校準儀夾具將十字板剪切儀扭力測量設備加緊，調整夾具方向使扭力測量設備軸向與水平面垂直。

②十字板剪切儀開機施加預負荷1 次，額定負荷的保持時間至少30 s，卸除預負荷等待回零至少30 s，檢查扭力測量設備的回零情況，當零點偏移量超過滿量程的0.3%時重新調整零點。

③在扭矩測量設備額定扭矩的全量程范圍內均勻選取不少于5個檢定點。

④按選定的檢定點以遞增順序逐級平穩正向施加扭矩，直至扭矩測量設備示值達到滿量程；然后以遞減順序逐級平穩反向減少扭矩，直至扭矩測量設備示值為零；最后分別讀取并記錄各個檢定點十字板扭矩專用校準儀和扭力測量設備的示值。

⑤按照步驟③和④重復測量3 次，對各檢定點十字板扭矩專用校準儀Ei和正反三個循環的扭力測量設備示值平均值進行最小二乘法線性擬合，見式（2）。

式中：E'i為第i個檢定點的擬合扭力示值（i=1,2,3），N·m；k為靈敏度系數（或率定系數）；Ei為各檢定點十字板扭矩專用校準儀示值，N·m；C為截距，N·m。

⑥按式（3）計算出十字板剪切儀各檢定點的線性度γi，取γi中的絕對值最大值為線性度的測量結果，見式（3）。

2.6 扭力測量設備示值重復性

各檢定點的重復性ri計算見式（4），取ri中絕對值最大值作為重復性檢定結果。

式中：Δi為十字板剪切儀在第i個檢定點3個循環同向行程中輸出扭矩最大差值，N·m。

2.7 扭力測量設備示值回程誤差

各檢定點的回程誤差hi計算見式（5），取hi中最大值作為回程誤差檢定結果。

3 試驗驗證測量

為驗證《十字板剪切儀計量檢定規程》的科學性、合理性和可行性，實際選取交通工程領域市場占有率較大、具有代表性的磐索地勘科技（廣州）有限公司生產的PS-VST-P 便攜式十字板剪切儀，根據制定的檢定規程進行逐項試驗，結果顯示在0～3.9 N·m 范圍內的線性度為1.24%F·S、重復性為0.56%F·S、0.39%F·S。尺寸誤差、指示表誤差試驗數據見表1，扭矩驗證試驗曲線如圖1所示。

圖1 扭矩驗證試驗曲線

表1 尺寸誤差和指示表示值誤差試驗數據單位：mm

由校準試驗結果可知，該規程所規定的計量性能要求及檢定方法滿足十字板剪切儀的檢定要求，各項要求充分、合理，檢定方法嚴謹、可行，規程具備科學性、合理性和可行性。根據規程對十字板剪切儀進行檢定，能保證十字板剪切儀計量性能的準確可靠。

4 結語

通過對十字板剪切儀計量檢定方法的研究，形成了包含范圍、概述、計量性能要求、通用技術要求及計量技術器具五部分的交通運輸部門需要的計量檢定規程。通過選取樣機對指示表誤差、尺寸誤差及扭矩線性度等參數進行校準試驗，校準結果滿足規程指標要求，驗證所制定規程的合理性、可行性。《十字板剪切儀計量檢定規程》的發布實施將為交通行業內十字板剪切儀的量值溯源和計量標準考核提供法定依據，對完善交通計量技術體系具有重要意義。