全自动混凝土尺寸测量仪的研发与应用

陈 阳，王新祥，，王元光，郑 靓，张 辰

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500；2、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州510500）

0 引言

混凝土［1-2］是建设工程中使用量最大的建筑材料之一。混凝土的抗压强度检测是建筑工程施工质量控制和竣工验收评定的项目之一，检测的准确性与可靠性关系到整个建筑工程施工质量与安全［3-5］。《混凝土物理力学性能试验方法标准：GB/T 50081—2019》［6］中规定立方体抗压强度试验前应检查其尺寸和形状，且尺寸公差应满足规定。混凝土试件的尺寸对于立方体抗压强度的结果至关重要。

目前，文献［6］对混凝土试件尺寸的测量方法作了相关规定，试件的边长和高度宜采用游标卡尺进行测量，应精确至0.1 mm；试件承压面的平面度可采用钢板尺和塞尺进行测量，测量时应将钢板尺立起横放在试件承压面上，慢慢旋转360°，用塞尺测量其最大间隙作为平面度值，也可采用其他专用设备测量，结果精确至0.01 mm；试件相邻面间的夹角应采用游标量角器进行测量，应精确至0.1°。国标仅仅简单介绍了人工手动测量混凝土试件的尺寸。人工测量方法需耗费的时间长，且结果受人为因素影响大，亟需设计一种仪器来实现混凝土尺寸的自动测量。

目前市面上已有很多类型的测量仪［7-8］，但未见一种尺寸测量仪专门用于测量混凝土试件的尺寸且能自动判定尺寸公差合格与否，因此有必要研发一套全自动混凝土尺寸测量仪，可以大大提高试验效率，并保证试验结果的准确性。

1 设计原理与功能

1.1 设计原理与组成

本研究开发的全自动混凝土尺寸测量仪主要由测量系统、清扫系统、控制系统等组成。其中测量系统包括测量台、激光测距传感器、步进电机等。测量台用于放置待检混凝土试件；4 个侧面设计有2 个激光测距传感器且相对面的激光测距传感器一一对应，上下两面设计有4个激光测距传感器配合步进电机扫描测试整个平面。清扫系统包括毛刷、吸尘器、步进电机等；控制系统由控制软件组成。其设计原理如图1所示。

1.2 功能特点

全自动混凝土尺寸测量仪采用激光测距传感器［9］，通过结构设计（见图1），可测试混凝土试件的尺寸（试件的边长和高度、承压面的平面度和相邻面的夹角），并将测量结果上传至控制软件，仅需将混凝土试件放置于测量台指定位置，尺寸测量仪即可完成尺寸测量，尺寸公差结果的判断，无需人工手动测量，降低人为因素的影响，极大地提高试验人员的试验效率，提高试验结果的准确度。

图1 全自动尺寸测量仪Fig.1 Full-automatic Dimension Measuring Instrument

1.3 工作流程

⑴将待检混凝土试件按照承压面放置于测量台的指定位置；

⑵启动控制软件，开启四侧的激光测距传感器，测量试件非承压面的边长、相邻面间夹角；上、下2 台步进电机配合4 个激光测距传感器移动，测量上下承压面的边长、平面度；

⑶将测试的数据上传至控制软件，并计算出混凝土试件的尺寸（试件的边长和高度、承压面的平面度和相邻面的夹角），判定尺寸公差合格与否；

⑷将检毕混凝土试件移出测量台，清扫系统自动清扫完测量台上的残留碎屑，待下次测量。

2 与人工检测的对比

2.1 试验方案

选取同批次300 组规格为150 mm 的混凝土立方体试件为测试对象，采用人工测量与全自动尺寸测量仪分别测量混凝土立方体的试件尺寸（包括承压面的长度和宽度、承压面的平面度、试件的邻面夹角），并比对验证2种测量方式获得的测试结果的差异性。

2.2 试验结果与分析

单因素方差分析［10-11］是检验在一种因素影响下，2 个或2 个以上总体的均值之间是否相等的一种统计方法。本研究采用单因素方差分析法分析2种测量方式（即人工测量和全自动尺寸测量仪）所获得的测试结果之间的差异性。

如图2 所示，人工测量与全自动尺寸测量仪测试所获得的混凝土承压面长度的数值主要分布于149.5～150.5 mm，承压面长度的尺寸公差都满足文献［6］的相关规定。通过计算300 组数据，人工测量获得的承压面长度均值为149.89 mm，方差为0.026 6，全自动尺寸测量仪测试获得的长度均值为149.91 mm，方差为0.021 7。对2 组数据进行单因素方差分析，可得出在给定显著性水平为0.05 的前提下，由于概率p值（0.154 7）大于0.05，即认为2 种测试方式获得的混凝土承压面长度不存在显著差异。

图2 混凝土承压面长度检测比对结果Fig.2 Comparison of the Length of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如图3 所示，人工检测与全自动尺寸测量仪测试所获得的混凝土承压面宽度为149.5～150.5 mm。承压面宽度的尺寸公差都满足文献［6］的相关规定。通过计算，人工测量获得的宽度均值为149.76 mm，方差为0.034 4，全自动尺寸测量仪测量获得的宽度均值为149.76 mm，方差为0.034 2。对2 组数据进行单因素方差分析，在给定显著性水平为0.05 的前提下，由于概率p值（0.736 2）大于0.05，即认为2 种测试方式获得的混凝土承压面宽度不存在显著差异。

图3 混凝土承压面宽度比对结果Fig.3 Comparison of the Width of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如图4 所示，人工检测与全自动尺寸测量仪所测试的混凝土承压面平面度分布为0.01～0.06 mm。文献［6］规定试件的平面度公差不超过边长的0.000 5，即0.075 mm，2种测试方法获得的尺寸公差符合要求。通过计算，人工测量获得的上承压面平面度均值为0.038 9，方差为0.000 2，全自动尺寸测量仪测试获得的上承压面平面度均值为0.038 8，方差为0.000 1。对2 组数据及2 种测试方法获得的数据进行单因素方差分析，可得在给定显著性水平为0.05 的前提下，由于概率p值（0.897 4）大于0.05，即认为2 种测试方式获得的混凝土承压面长度不存在显著差异。

图4 混凝土上承压面平面度比对结果Fig.4 Comparison of the Flatness of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如图5所示，人工检测与全自动尺寸测量仪所测试的混凝土下承压面的平面度主要分布在0.01～0.06 mm之间。2种测试方法获得的尺寸公差符合要求。通过计算，人工测量获得的上承压面平面度均值为0.040 6，方差为0.000 2，全自动尺寸测量仪测试获得的上承压面平面度均值为0.040 6，方差为0.000 1。对2 组数据及2 种测试方法获得的数据进行单因素方差分析，在给定显著性水平为0.05 的前提下，由于概率p值（0.999 9）大于0.05，即认为2种测试方式获得的混凝土下承压面平面度不存在显著差异。

图5 混凝土下承压面平面度比对结果Fig.5 Comparison of Flatness of Concrete Specimens Testing by Two Methods

如图6 所示，人工检测与全自动尺寸测量仪所测试的混凝土相邻面间的夹角分布在89.7°～90.1°之间。2 种测试方法获得的尺寸公差符合要求。通过计算，人工测量获得的相邻面夹角均值为89.91°，方差为0.000 2，全自动尺寸测量仪测试获得的相邻面夹角均值为89.93°，方差为0.000 1。对2 组数据及2 种测试方法获得的数据进行单因素方差分析，在给定显著性水平为0.05 的前提下，由于概率p值（0.156 7）大于0.05，即认为2 种测试方式获得的混凝土相邻面夹角不存在显著差异。

3 结论

⑴本研究开发的全自动混凝土尺寸测量仪解决了目前该参数无自动化检测设备的难题，通过采用激光测距传感器，并进行结构设计，可以同步测量混凝土试件的边长、承压面的平面度、相邻面间的夹角，极大提高了工作效率，降低了人为因素的影响。

⑵采用单因素方差法对人工检测与全自动尺寸测量仪的测试结果进行对比分析，2 种测试方法获得的测试结果（承压面长度、宽带、承压面的平面度和相邻面间的夹角）不存在差异性，表明全自动混凝土尺寸测量仪可以用来代替人工手动检测混凝土试件的尺寸。