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周振杰，赵禹晴，李绍辉，朱怀东
（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）
随着我国工程建设的高质量发展，桩基础在交通、水利、住建等工程中被广泛应用。由于灌注桩具有施工时无挤土、无振动、噪音低等优点，逐渐成为应用最为普遍的桩基础[1]。在灌注桩应用愈加广泛的同时，施工质量事故也频繁出现，钢筋笼长度不满足设计要求就是其中之一。然而，由于灌注桩属于地下隐蔽工程，采用开挖的方式来验证钢筋笼长度是否符合要求并不可取，因此需采用无损检测手段来解决争议。钢筋笼材质为金属铁，其与混凝土、桩周岩土之间存在可识别的磁性差异，故而可采用工程物探中的磁测法来实现钢筋笼长度的准确检测。近几年，科研人员在灌注桩钢筋笼长度检测方面上突破了关键检测技术，并取得了很好的效果[2]。江苏省、广东省、福建省、浙江省等地先后出台了灌注桩钢筋笼长度检测的技术规程。目前，灌注桩钢筋笼长度检测的主要方法有磁测法、充电法和瞬变电磁法。基于磁测法理论研制的钢筋笼长度磁法检测仪由于具有理论基础充分、判断标准准确、工作效率高、价格便宜等优点，已经成为交通工程领域应用最广泛的钢筋笼长度检测方法[3-4]。然而在实际使用中，钢筋笼长度磁法检测仪检测系统在较长时间的复杂环境下工作后，其磁性传感器灵敏度系数会发生一定程度的漂移。为了保障测量数据的准确性，加强钢筋笼长度磁法检测仪的计量管理，钢筋笼长度磁法检测仪需要按计量要求进行定期校准。
交通运输部门计量检定规程《钢筋笼长度磁法检测仪》于2021年发布实施，但尚未有计量机构依据该计量检定规程申请计量标准，导致磁法仪的重要技术参数缺乏有效的量值溯源途径。本文基于交通行业钢筋笼长度磁法检测仪的溯源需求，研制搭建了钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度校准系统，通过试验测量验证了该校准系统的可靠性。
1.1 工作原理
钢筋笼长度磁法检测仪是采用磁测法原理，通过测量钢筋笼深度方向的垂直磁场分量变化来判断钢筋笼长度的一种磁法物探设备。钢筋笼材质属于铁磁性物质，与混凝土及桩周岩土之间存在明显的磁性差异，在放置钢筋笼前，该处地磁场处于正常磁场状态，其磁场强度为地球基本磁场、大陆磁场以及外磁场的总和[5-6]。放置钢筋笼之后，由于磁化效应而使钢筋笼自身产生磁感应强度，在其周围产生磁异常现象。鉴于地磁磁感线与钢筋笼磁化后的磁感线同向或反向，会造成磁场的局部增强或减弱，因此钢筋笼磁化引起的磁异常分为正异常和负异常。
假设钢筋笼主筋长度为无限长，则单根主筋的磁感应强度Z 理论公式为
式中：B⊥为垂直方向地磁场强度；
k 为主筋的磁化率；
S 为主筋横截面面积；
L 为测量点与主筋的垂直距离。当钢筋笼长度磁法检测仪磁探头顺着钻孔下放至钢筋笼底端界面时，由于脱离主筋磁场，钢筋笼长度磁法检测仪测得的磁场强度会发生明显变化，表现为垂直方向磁场强度曲线出现一个极值点，超过该界面再往下逐渐又变回背景磁场值Z0（见图1）。因此，当钢筋笼周围不存在其他磁性物质干扰时，钢筋笼长度磁法检测仪通过测量垂直方向地磁场强度在钢筋笼内或附近的变化，通过绘制的磁场强度曲线图能够准确直观地测量出钢筋笼的埋设深度H。
图1 钢筋笼长度磁法检测仪检测示意图及理论曲线Fig.1 Schematic diagram and theoretical curve of magnetic detector for reinforcement cage length
1.2 技术要求
目前，国内尚未有关于钢筋笼长度磁法检测仪的国家标准，但各个省份及交通运输部相继发布实施了相关技术规范，对钢筋笼长度磁法检测仪的技术参数进行了规定，技术规范汇总见表1。
表1 钢筋笼长度磁法检测仪技术要求Tab.1 Technical requirements for magnetic detector of reinforcement cage length
2.1 校准系统组成、性能参数
根据检定规程中的技术要求，建立了基于亥姆赫兹线圈的钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度校准系统，实物图见图2，主要由亥姆赫兹线圈、线性电源、磁通门计以及屏蔽筒组成，能够实现在（-100000～100000）nT 磁场强度范围内，屏蔽效果优于1 nT，调节步进0.1 nT。亥姆赫兹线圈是由一对半径为R 完全相同的圆形导体线圈组成，线圈的中心均与Z 轴同轴，线圈间距h=R，线圈匝数相同且载有同向电流。此次选用半径为300 mm，均匀度优于0.05%的圆形线圈。磁通门计是校准系统的标准器，用于测量亥姆赫兹线圈中心的磁场强度，此次选用的磁通门计具有高稳定度、高线性和全数字化等特点，磁强测量量程±100 μT，分辨力0.1 nT，误差温度系数±0.3 nT/℃，示值误差优于±0.05%，适用于对弱磁场的精确测量。线性电流源用于亥姆赫兹线圈产生磁场所需的交流电流，输出范围0～±1200.000 mA DC，分辨率10 μA（1/120000 F.S），准确度±（0.015%设置值+20 μA）@1000 mA，稳定度优于±0.01%@1000 mA。屏蔽筒采用圆柱形五层屏蔽结构，由从外至内第一层屏蔽体和第五层屏蔽体采用铝材制成，第二层屏蔽体、第三层屏蔽体和第四层屏蔽体采用高导磁坡莫合金制成，内腔均匀区直径≥350 mm，可将地磁屏蔽到1 nT 以下。
图2 钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度校准系统Fig.2 Magnetic field strength calibration system of magnetic method detector for reinforcement cage length
2.2 校准系统操作方法
2.2.1 磁场强度测量范围
将钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度校准装置上各部件依次连接，调节并固定磁通门计探头和被检钢筋笼长度磁法检测仪探头，使其测量点均处于亥姆赫兹线圈的磁场均匀区内，记录磁通门计测量的屏蔽筒内的本底磁场强度，然后通过测量软件控制线性电流源调节电流方向和大小，亥姆赫兹线圈将产生一个大小与本地磁场相同方向相反的磁场，使被检钢筋笼长度磁法检测仪探头处于近似零磁场强度状态。通过测量软件设置亥姆赫兹线圈产生-100000 nT 的磁场，记录被检钢筋笼磁法长度检测仪主机显示的磁场强度示值，然后改变线性电流源电流方向使亥姆赫兹线圈产生100000 nT 的磁场，再次记录被检钢筋笼磁法长度检测仪主机显示的磁场强度示值，被检钢筋笼磁法长度检测仪主机两次示值区间即为被检钢筋笼磁法长度检测仪的磁场强度测量范围。
2.2.2 磁场强度分辨力
通过测量软件调节线性电流源调节电流的大小使亥姆赫兹线圈产生的磁场强度以1 nT 的梯度步进变化，当被检钢筋笼磁法长度检测仪主机显示的磁场强度示值发生改变时，磁场强度总变化量即为被检钢筋笼磁法长度检测仪的磁场强度分辨力。
2.2.3 磁场强度转向差
选取某一校准点，转动钢筋笼磁法长度检测仪探头一周，分别记录被检钢筋笼磁法长度检测仪在90°、180°、270°和360°的磁场强度示值，取最大值减最小值之差作为磁场强度转向差的校准结果。
2.2.4 磁场强度示值误差
根据被检钢筋笼磁法长度检测仪探头的磁场强度测量范围，在测量范围内均匀选取包含零点和满量程点在内的不少于7 个校准点，通过测量软件调节线性电流源的电流，使亥姆赫兹线圈产生各个校准点相应的标准磁场强度，标准磁场强度由高精度磁通门计探头采集并由高精度磁通门计主机显示，记录被检钢筋笼磁法长度检测仪测得的磁场强度示值。按式（1）计算被检钢筋笼磁法长度检测仪的磁场强度示值误差，取各校准点的磁场强度示值误差绝对值最大值为被检钢筋笼磁法长度检测仪磁场强度示值误差的校准结果。
式中：η 为各校准点被检钢筋笼磁法长度检测仪测得的磁场强度示值误差；
Bi为各校准点被检钢筋笼磁法长度检测仪测得的磁场强度示值，nT；
Bi0为各校准点亥姆赫兹线圈产生的标准磁场强度，nT；
BFS为被检钢筋笼磁法长度检测仪磁场强度测量范围，nT。
选取武汉岩海生产的RS-RBMT（S）型钢筋笼长度磁法检测仪，在50000 nT 校准点测得钢筋笼长度磁法检测仪的磁场强度分辨力为12 nT、转向差为30 nT。根据所选取的钢筋笼长度磁法检测仪的测量范围，选取了21 个点进行实验测量，测量数据处理结果汇总见表2。根据实验数据发现，磁场强度分辨力、转向差、磁场强度测量范围均符合规程技术要求，但磁场强度示值误差不符合规程要求。通过分析原因，认为由于钢筋笼长度磁法检测仪探头属于磁性传感器，在长期使用过程中存在零点漂移和灵敏度漂移，加上生产单位在设备出厂时一般不做参数修正，导致计量溯源时磁场强度示值误差超标。为了解决该问题，对标准磁场强度和测量值校准数据进行了线性拟合得到线性公式：
表2 磁场测量数据Tab.2 Magnetic field measurement data
使用式（4）对测量值进行修正，得到修正后测量值y′并计算修正后示值误差，结果显示修正后示值误差符合规程要求。将测试数据发给生产厂家，指导厂家对系统软件进行升级并增加计量版块，校准试验中将式（3）的斜率和截距输入到软件中，实现磁场强度示值的修正，极大提升了钢筋笼长度磁场检测仪的磁场强度示值准确性。
根据钢筋笼长度磁法检测仪的溯源需求以及JJG（交通）175-2021《钢筋笼长度磁法检测仪》检定规程中的技术要求，研制了基于亥姆赫兹线圈的钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度校准系统，能够实现在（-100000～100000）nT 磁场强度范围内对钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度进行校准，校准系统屏蔽效果优于1 nT，调节步进0.1 nT。选取样机进行了试验并解决了目前市场上钢筋笼长度磁法检测仪磁场强度无法符合要求的难题，有效提升了磁场强度测量准确度，通过试验结果证明，该装置完全满足钢筋笼长度磁法检测仪的溯源需求。
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