大坝监测仪器振弦式应变计率定的实验室比对

张玉成 ，张国栋 ，舒 雯 ，陈欣刚 ，王 宏 ，陈 明

（1. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；2. 水利部大坝安全监测中心，江苏 南京 21002）

0 引言

大坝安全监测仪器一般都是埋设在大坝内长期运行的，负责监测大坝的安全运行状态。这类仪器在使用过程中一般都不能再进行更换或维修，因此，对大坝监测仪器进行安装埋设前的性能率定检测至关重要，这是保证仪器埋设后能够长期可靠稳定运行的关键。振弦式应变计是一种埋设在大坝内监测大坝应力应变的大坝安全监测仪器，属于振弦式传感器的一种，埋设在结构物内，测量结构物内部的应变量，并可同步测量埋设点的温度。这类仪器在出厂或埋设前，一般都要经过专业的外观检查、基本性能率定和稳定性检测，只有检测合格的仪器方能进行埋设使用。为验证检验机构自身检测和校准结果的有效性，特别是不同实验室之间检测结果的一致性，水利部大坝安全监测中心和水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，开展了振弦式应变计率定检测的比对试验。

振弦式应变计是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器，当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，电磁线圈激振振弦并测量振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。

由于振弦式应变计是用测量得到的频率值或模数值通过换算得到被测应变量的，因此，标定振弦式应变计需要振弦式读数仪和专用标定试验装置。本次比对试验选择经过计量检定的电子数显千分表，将之安装在应变计专用标定试验装置上作为标准值，通过经过计量检定的 VW-102A 型振弦式读数仪，读出振弦式应变计的输出频率值或模数值，从而达到标定振弦式应变计的目的。

1 比对试验的策划

本次比对试验策划重点考虑以下内容：比对试验的目的、比对项目的选择、比对样品的选择、检测参数的确定、试验人员、试验设备、试验方法、试验环境、数值处理、有效位数、修约规则、比对时间安排及结果的分析方法等等。

1）比对试验的主要目的。包括识别 2 个试验室（水利部大坝安全监测中心为实验室 1，水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心为实验室 2）之间的设备差异；确定振弦式应变计试验方法的操作特性；评价振弦式应变计检测的数据是否出现偏差；识别实验室的问题，加强试验室内部质量控制。其中识别 2 个试验室之间的设备差异作为重点考量。

2）检测参数、方法的选择。按照 GB/T 3408.2-2008《大坝监测仪器 应变计 第 2 部分：振弦式应变计》第 5.3 节性能参数的技术要求选择检测参数，开展检测活动，检测方法按照第 6.3.4 节规定的试验步骤进行，双方都进行 5 次测回[1]。

3）试验设备选择。设备分别选自参加比对的2 个实验室，使用的试验设备均为应变传感器标定架、电子数显千分表、振弦式读数仪，但型号有所不同。

4）试验人员分别来自参加比对的 2 个实验室。

5）试验环境。此次比对试验约定均在实验室室内进行，温度控制在常温 25～30℃，试验过程中允许的室温变化不大于 1℃/h。约定有效数字准确到0.1Hz，修约规则应符合 GB/T8170《数值修约规则与极限数值的表示和判定》的规定[2]。

6）比对结果分析。比对结果按以下公式分析：

式中：测值 1 为实验室 1 的测量结果；测值 2 为实验室 2 的测量结果；U1为实验室 1 的扩展不确定度；U2为实验室 2 的扩展不确定度。

根据式（1）计算结果，判定比对结果，判定原则是：若≤1，表明比对结果满意；若＞1，表明比对结果不满意。

2 比对试验的实施

比对试验时试验人员将被检测的振弦式应变计（在正常试验大气条件下已经预先置放了 24 h）安装在校正仪上，进行应变性能试验。比对时的要求如下：

1）量程为 -1 500～+ 1 000 με；

2）在满量程范围内，预拉、压 3 次循环，每次间隔 2 min；

3）试验分档以 500 με 为 1 档，自下限值至上限值共 6 个测试点；

4）进行 5 个正反行程的测量。

2 个实验室的检测记录分别如表 1 和 2 所示。

3 比对测试的技术要点

本次比对试验，重点考虑 5 个方面的技术要点。

3.1 比对目的和原则的明确

本次比对试验主要在 2 个实验室不同的试验设备之间开展，试验人员、方法、环境等因素应尽量保持一致，以减少使比对试验结果产生差异的因素，尽可能不增加比对试验方案设计的难度。参加比对试验的人员对本次比对目的均要有充分的了解，对比对试验的要求均要做到明白无误。

表1 实验室 1 的检测记录

表2 实验室 2 的检测记录

3.2 细节的约定

因为本次比对主要是比对试验设备，故比对试验策划时，对影响比对试验的所有因素均做了详细的规定，比如双方参加比对试验的人员应明确到人，操作设备的人员是固定的，这样可避免因操作人员的不同而产生的结果差异。

另外，被测样品在检测前应预先在正常试验大气条件下置放 24 h，在正式记录检测数据前，还应对被测样品进行满量程范围内预拉、压 3 次循环，这些细节都是保证检测数据有效的重要环节，不能忽略。

3.3 样品的选择

比对试验选择的样品是型号为 VWS-15，编号为 SB0060 的振弦式应变计。

当前和今后一个时期，是向全面建成小康社会迈进的重要时期，民生诉求日趋复杂多样，相对于更多、更高的物质要求，对幸福感、满意度等“精神饥渴”更为迫切；相对于防洪、供水等一般水利服务的满足，对水多不患、水少无忧、绿水青山的要求，对水文化、水素养、水文明的需求更为强烈。同时，党的十八大从全局战略高度对保障和改善民生做出新部署，客观要求我们从新的起点出发，加深民生水利认识，丰富民生水利实践，不断将民生水利推向深入。

2 个试验室均有能力对该种仪器进行检测，特别是本次确定的比对项目的检测能力。同时选择同一样品在 2 个实验室间传递，即可保证样品的均匀性和良好的稳定性，又可避免或忽略因样品性能的不同而产生的结果差异。

3.4 统计计算方法的选择

比对试验数据的统计计算是对比对结果进行分析评价的重要依据，如果统计计算方法选择不适当，可能会影响比对试验结论的评判，甚至得出完全相反的结论。因此，在比对试验策划之初，就将对试验数据的统计计算方法的选择作为技术要点加以考虑，选择了与比对试验内容、项目、方法、范围相适应的统计计算方法，该方法即能反映比对试验结果数据的差异程度，又应能避免或忽略个别离群数据对整体结果的影响。

3.5 不确定度的分析

2 个实验室分别进行了不确定度的计算和分析。用 A 类和 B 类 2 种不确定度分量合成的合成标准不确定度的扩展不确定度表示，数学模型如下：

式中：ε 为 i 时刻作用在应变计上的应变量；k 为应变计的标定系数；fi为在 i 时刻的输出频率；f0为在初始状态下的输出频率；δv为 VW-102A 型振弦式指示仪的分辨力对测量结果的影响；δt为电子数显千分表工作行程示值误差所引入的偏差；δf为电子数显千分表回程误差所引入的偏差。

试验时，实验室采取了温度控制措施，因此，温度对振弦式应变计及测试仪表、标定试验装置的影响可忽略不计。

针对本次比对试验，对测量不确定度分量的考虑主要包括以下几个方面：1）电子数显千分表及应变计专用标定试验装置的误差引入的不确定度，包括电子数显千分表工作行程示值误差引入的不确定度，电子数显千分表回程误差引入的不确定度；2）VW-102A 型振弦式指示仪的分辨力对测量结果的影响引入的不确定度；3）其余的分量忽略不计。由表1 和 2 可计算出 2 个实验室的 A 类不确定度分量，结果分别如表 3 和 4 所示。

表3 实验室 1 的 A 类标准不确定度

表4 实验室 2 的 A 类标准不确定度

4 比对试验差异分析

4.1 环境条件分析

根据比对试验前的约定，双方均在实验室内进行试验，温度均选择控制在常温 25℃，试验过程中允许室温变化不大于 1℃/h，因此，试验环境基本无差异。

4.2 设备差异分析

实验室 1 使用以下 3 种主要仪器设备：1）SCS型应变传感器标定架（编号：YQ0702）；2）（0～12.7）mm 电子数显千分表（编号：YQ074）；3）振弦式读数仪（编号 YQ001N；型号：VW-102A）。

实验室 2 使用以下 3 种主要仪器设备：1）SCS型应变传感器标定架（编号：0908）；2）（0～10）mm 电子数显千分表（编号：E16612）；3）振弦式读数仪（编号 YQ001N；型号：VW-102A）。

4.3 操作方法及试验数据的差异

本次试验 2 个实验室均采用人工监视每个测试点的方法，到测试点后稳定等待 10 s，再读取读数仪的显示数值。

由于电子数显千分表的规格型号不同，因此双方的试验数据有差异，加之振弦式应变计产品的工作原理和产品机构的独特性，因此，2 个试验室的试验数据不能一一对应进行比较，但整体平均数据仍在可接受范围内。

4.4 不确定度处理差异

双方在测量不确定度的处理上基本不存在差异。具体来讲，在 A 类测量不确定度的处理上，实验室 1 考虑了 f0及各测点中的具有最大不确定度的 f3点；实验室 2 考虑了 f0点及各测点中的具有最大不确定度的 f5点。在 B 类测量不确定度的处理上，都考虑了应变计率定专用装置带来的不确定度，比对双方基本一致，并且都考虑了振弦式读数仪的影响，尽管该影响量非常小，对总的不确定度的影响可以忽略不计。

5 比对结果分析

5.1 不确定度分析

从统计结果看，实验室 1 在 -400 με 处，不确定度达到最大；而实验室 2 在 0 με 处，不确定度达到最大。由于 2 个试验室所用电子数显千分表的测量误差不一样，因此各自测量结果的不确定度之间有差异。

5.2 比对结果分析

根据《实验室比对试验策划书》中双方的约定，比对结果按式（1）处理，取 0 和 -400 με 的测量结果。

5.2.1 实验室 1 的比对结果

在置信度为 95% 时，k = 2，测量不确定度为 16.18 με，则振弦式应变计在 0 和 -400 με 测试点的结果分别为（2.90 ±16.18）με，（-398.41± 16.18）με。

5.2.2 实验室 2 的比对结果

在置信度为 95% 时，k = 2，测量不确定度为28.34 με，则振弦式应变计在 0 和 -400 με 测试点的结果分别为（0.58 ± 28.34）με，（-393.56 ± 28.34）με。

按式（1）计算：

1）在 0 με 处。测值 1 = 2.90，测值 2 = 0.58，不确定度 U1= 16.18，U2= 28.34，则比对结果分析值为 0.071。

2）在 -400 με 处。测值 1 = -398.41，测值 2 = -393.56，U1= 16.18，U2= 28.34，则比对结果分析值为 0.150。

由于 0.071 和 0.150 均小于约定的差值 1，因此，可以认为参加比对的 2 个实验室的测量结果基本上是一致的，本次比对试验结果是满意的。

6 结语

与振弦式应变计一样，埋设在大坝内的大坝安全监测仪器在出厂或安装埋设前都必须进行性能率定检测，这是保证仪器埋设后能够长期可靠稳定运行的关键。本文针对振弦式应变计开展的性能率定的比对试验，试验方案和方法对其他大坝安全监测仪器同样适用，可以借鉴和参考。

对于专业从事岩土工程仪器产品质量检测的实验室来说，参加实验室间的比对或能力验证是保障和提高实验室检测能力的重要手段之一，也是对实验室能力进行验证的一种质量技术活动，在《实验室资质认定评审准则》[3]中有相关的规定和说明。从本次比对试验结果来看, 双方实验室的比对结果是满意的，这也说明了双方实验室质量管理体系运行基本良好，检测工作处于受控状态，比对试验涉及到的人员、仪器、环境、样品流转保存等多个环节均运转良好，检测结果准确可靠。

[1] 国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员 会.GB/T 3408.2-2008 大坝监测仪器 应变计 第 2 部分：振弦式应变计[S]. 北京：中国标准出版社，2008: 2-5.

[2] 国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定[S]. 北京：中国标准出版社，2008: 1-6.

[3] 国家认证认可监督管理委员会. 实验室资质认定评审准则[S]. 北京：中国计量出版社，2007: 2-11.