动弹模量测定仪编制说明

交通运输部部门计量检定规程

动弹模量测定仪

（征求意见稿）

编制说明

规程编写组

2020年6月

一、任务来源

本规程是依据《交通运输部关于下达2020年交通运输标准化计划（第一批）的通

知》交科技函〔2020〕389号立项进行编制的。计划号：JJG2020-2。本规程主要由交

通运输部天津水运工程科学研究所和交通运输部公路科学研究所负责起草。

二、编制背景

每种物体都存在固有的谐振频率。当物体的体积或材质一定时，该物体的谐振频率

仅与其密度有关。因此物体的固有振动频率决定了物体强度。若能够测量出该物体的谐

振频率，就可以根据强度理论推算出物体的强度。动弹模量测定仪是利用以上原理测量

物体谐振频率的仪器。可以广泛用于水运工程领域对混凝土、碳素、石板、玻璃、砖、

塑料和金属材料的动弹性模量测量。

动弹模量测定仪广泛应用于交通、市政等涉及混凝土结构建筑的各个领域，国家质

量监督检验检疫总局曾发布《动弹仪校准规范》JJF1373-2013，然而缺少全国统一的计

量检定规程。因此，有必要制定具有强制性的动弹模量测定仪的部门计量检定规程，对

动弹模量测定仪的计量特性提出通用要求，以解决目前存在的技术问题，广泛服务于相

关行业的计量需要。

三、编制过程

为了规范动弹模量测定仪的检定，确保检测数值的准确性和溯源性，特制订此规程。

2018年5月，由交通运输部天津水运工程科学研究所和交通运输部公路科学研究

所成立《动弹模量测定仪》检定规程编写组。

2018年05月~2018年07月，向国内外动弹模量测定仪的研究单位、生产单位、

使用单位以广泛搜集了有关资料，汇集了销售企业、使用单位等关于产品应用中的主要

问题及建议与意见。收集了相关的国家检定规程、行业规程等有关资料（见表1），在

此基础上依据《国家计量检定规程编写规则》（JJF1002-2010），结合水运工程检测技

术的实际需求进行了检定规程的编制。

表3.1调研单位及部分参考标准汇总

调研单位

序号单位名称备注

1北京市耐久伟业公司生产研究单位

1

2北京市耐尔得仪器设备公司

3中交一航院工程检测中心

4天津港湾工程检测中心使用单位

5天津水运工程勘察设计院

6中国计量科学研究院计量单位

部分参考标准

序号标准名称备注

ASTME1876-2015StandardTestMethodforDynamic

1Young'sModulus,ShearModulus,andPoisson'sRatioby

ImpulseExcitationofVibration

美国标准

ASTMC215-2014StandardTestMethodfor

2FundamentalTransverse,Longitudinal,andTorsional

FrequenciesofConcreteSpecimens

GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方

3国家标准

法标准》

4JJF1373-2012动弹仪校准规范

5SL135-2017混凝土动弹性模量测定仪校验方法技术规范

6TGX021-2011混凝土动弹模量测定仪校验方法

2019年6月完成了《动弹模量测定仪》规程征求意见稿。

本规程主要起草人及其主要负责的工作情况见表3.2。

表3.2规程主要起草人及其主要工作

序号姓名单位职称主要工作

负责起草规程（全文）主要技术内

交通运输部天津水运工

1张旭助理工程师容，提出并论证规程中重要性能指

程科学研究所

标要求，制定试验方法并实施验证

交通运输部天津水运工

2窦春晖高级工程师对规程（全文）形式和内容审核

程科学研究所

国家水运工程检测设备

3何华阳高级工程师负责规程中的试验部分

计量站

交通运输部天津水运工负责起草编制说明中不确定度评定

4周振杰助理工程师

程科学研究所部分

四、编写依据

根据此类产品的国内外生产水平，内容上以国内外先进技术为依据，规程中对动力

触探仪特征参数的规定，主要参考JJF1373-2013《动弹仪校准规范》、JJF1001-2011

《通用计量术语及其定义》、JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》和JJF

1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》共同构成规程制定的基础性系列规范。

规程在编制的过程中，应当遵循以下原则：

2

a）协调性原则，与现行的法律法规协调一致；

b）适用性原则，仪器设备规程中技术指标，需要符合当前的技术水平，技术指标

的确定需要符合当前厂家所能达到的技术水平；

c）科学性原则，动弹模量测定仪规程中关于仪器设备性能试验的内容，应当符合

国家标准的相应要求；

d）溯源性原则，动弹模量测定仪作为试验检测设备，属于计量器具，因此该仪器

检测方法，需要参考国家量值溯源系统表，以量值溯源链的完整以及数据的准确可靠。

五、编写内容

按照JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》要求，本规程包括5个章节：1

范围、2概述、3计量性能要求、4通用技术要求、5计量器具控制。

（一）概述

动弹模量测定仪是利用共振法原理测定试件动弹模量，以检验试件在经受快速冻融

或其它侵蚀作用后内部遭受破坏或损伤的程度的仪器。

动弹模量测定仪由主机、激励换能器、接收换能器组成。结构示意图见图5.1。

动弹模量测定仪主机驱动激振换能器发射频率连续变化的正弦波，使试块产生振动，

转化为微弱电信号传给主机，经过滤波放大等信号处理，记录变化过程中的幅值，振动

幅值最大时所对应的频率就是该试块的共振频率，由此共振频率计算得到动弹性模量。

1

23

图5.1动弹模量测定仪结构示意图

1——主机；2——激励换能器；3——接收换能器。

通过广泛调研动力触探仪的生产厂家和使用单位，确定了动弹模量测定仪的用途、

原理和结构组成，并绘制了结构示意图。

（二）计量性能要求

本规程主要从频率测量误差、重复性、动弹模量误差等方面给出了相应的要求。

1.发射频率误差

动弹模量测定仪的主要测量原理为输出不同频率值引起试块共振从而计算得到动

3

弹模量值，因此发射频率的准确度是仪器最重要的参数之一。发射频率相对误差的技术

要求参考《混凝土动弹性模量测定仪仪校验规范》（SL135-2017）中4.2.1部分给出了

相关规定。手动测量时，发射频率相对误差不大于±0.5%。

2.频率测量误差

参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）中

的试验方法，连接标准装置、动弹仪和试块。

3.重复性

根据对生产厂家和使用单位的调研，目前在使用过程中，动弹模量测定仪的主要使

用方法为在自动模式下对冻融作业后的混凝土试块进行测量，因此重复测量的准确性尤

为重要。重复性的技术要求参考《动弹仪校准规范》（JJF1373-2012）中5.3部分规定。

共振频率测量重复性一般不超过0.5%。

（三）通用技术要求

1.外观

根据市场调研，专家讨论及征求意见，同时参考《混凝土动弹模量测定仪校验方法》

（TGX021-2011）中1.7的规定，在本规程中确定动弹模量测定仪的外观要求为动弹模

量测定仪主机、激励换能器和接受换能器表面应光滑、平整，不应有脱落、划伤、锈迹，

信号线表面应无破损影响使用的缺陷。

2.铭牌

《电流表、电压表、功率表及电阻表》（JJG124-2005）中5.1部分规定“仪表应

标有仪器名称、制造厂商（或商标）、出厂编号、标志以及其他保证其正确使用的

信息、通用标志和符号，且不应有，可以引起测量错误和影响准确度的缺陷。”动弹模

量测定仪与电压表同为电学测量仪器，因此外观铭牌相关规定可参考JJG124。同时参

考《混凝土动弹模量测定仪校验方法》（TGX021-2011）中1.1的规定，动弹模量测定

仪应有铭牌的相关规定。

（四）计量器具控制

本规程对检定条件、检定项目、检定方法、检定结果的处理及检定周期几个方面进

行了详细的说明。

1.检定条件

（1）检定环境条件

检定环境条件的规定主要考虑温度和湿度环境应能保证动弹模量测定仪试验过程

4

正常进行。参考《动弹仪校准规范》（JJF1373-2012）中6.1中检定时环境条件应满足：

（20±10）℃；相对湿度≤85%。检定时环境为实验室内环境，所提指标满足具体要求。

（2）检定装置及配套设施

①动态信号分析仪：

根据《动态信号分析仪》检定规程（JJG864-2006）中4.1部分对频率示值及分辨

力误差的规定，以及《动弹仪校准规范》（JJF1373-2012）中6.2.1的规定提出对于动

态信号分析仪的要求。

②标准振动套组：

根据《压电加速度计》检定规程（JJG233-2008）中4.1部分对灵敏度幅值及相移

测量不确定度的规定。

③铝试块

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）中

对于试块的要求，动弹模量试验应采用尺寸为400mm×100mm×100mm的棱柱体试

块，同时由于混凝土试块均匀性不稳定，铁试块密度大不易操作，故选用铝试块作为配

套设施进行试验。

2.检定项目

动弹模量测定仪检定项目见表5.1。

表5.1检定项目一览表

检定项目首次检定后续检定使用中检查

外观++-

铭牌++-

发射频率相对误差+++

频率测量误差+++

重复性+++

频率测量稳定性+++

注：凡需检定的项目用“+”表示，不需检定的项目用“-”表示。

检定项目的确定主要遵循近期已发布交通运输部部门计量检定规程中水运工程检

测设备计量检定规程的“检定项目”的编写方式。产生影响使用的外观会直接导致仪器

性能出现问题，因此使用中必须检查外观是否符合规定。铭牌是确认仪器信息的重要凭

证，因此使用中需要对动弹模量测定仪的铭牌进行检查。动弹模量测定仪频率测量误差、

重复性和动弹模量误差是检定中的核心项目，直接影响试验数据的准确性，因此也应该

5

在使用中检查其是否在范围之内。

3.检定方法

动弹模量测定仪的检定方法主要参考了《混凝土动弹性模量测定仪仪校验规范》

（SL135-2017）中的6.3部分的校验方法。

4.检定结果的处理

检定结果的处理是根据计量法的要求所有检定项目都要依据检定规程经过检定均

合格后才可发检定证书。

5.检定周期

检定周期参考《混凝土动弹性模量测定仪仪校验规范》（SL135-2017）中7.2的规

定，“动弹仪复校时间间隔建议为1年”得到检定周期的要求。

六、其他应予说明的事项

该规程在制定过程中不涉及专利。

6

七、附件

（一）量值溯源与传递框图

上

一中国计量科学研究院

级中频振动基准装置：

频率；，

计(10~5000)HzUref=0.2%k=2

量

器

具

检定

本

级

振动标准套组：

计

频率(10~5000)Hz；

量

Uref=0.2%，k=2

器

具

检定/校准

工

作

计动弹模量测定仪：频率测量

量示值误差：2%

器

具

图7.1动弹模量测定仪频率测量量值溯源与传递框图

7

（二）动弹模量测定仪测量结果的不确定度评定

1.1.数学模型

频率示值误差的数学模型为：

∆=FFF10−

式中：

∆F——频率示值误差；

工作器具的测量频率；

F1——

计量标准的测量频率；

F0——

两个测量过程是相互独立的，不具有相关性，因此合成标准不确定度为：

22222

uc=cu11+cu22

灵敏度系数为：

∂∆F

c1==1

∂F1

∂∆F

c2==1

∂F0

1.2.不确定度来源

测量不确定度的主要来源有：

（1）工作器具的频率测量引入的不确定度；

（2）计量标准频率测量引入的不确定度。

1.3.不确定度分量各输入量标准不确定度的评定

（）工作器具的频率测量引入的不确定度

1u1

工作器具的测量频率，其不确定度来源主要是测量重复性引入的不确定度，采用A

类不确定度的评定方法。在160Hz，连续采集10次，其采集结果如下：

（159.90Hz，159.90Hz，159.90Hz，160.26Hz，159.90Hz，159.89Hz，159.90Hz，

159.90Hz，160.26Hz，159.90Hz）

10

2

∑()xxi−

s=i=1=0.147Hz

n−1

在测量的过程中，通常进行3次测量。因此，由测量重复性引入的不确定度

0.147

u11==0.085Hz

3

其分辨力为0.01Hz，由分辨力引入的不确定度为0.003Hz，远远小于由重复性引入

的不确定度。因此，工作器具的频率测量引入的不确定度，主要由重复性引入的不确定

度

u1=0.085Hz

8

（）计量标准频率测量引入的不确定度

2u2

a.重复性引入的不确定度，采用A类不确定度的评定方法

（159.97Hz，159.96Hz，159.97Hz，160.01Hz，160.02Hz，159.97Hz，159.97Hz，

159.96Hz，160.01Hz，160.00Hz）

10

2

∑()xxi−

s=i=1=0.023Hz

n−1

在测量的过程中，通常进行3次测量。因此，由重复性引入的不确定度为

0.023

u21==0.013Hz

3

b.计量标准自身存在的不确定度

计量标准检定合格，其计量性能应该满足频率示值误差为±0.05%，在160Hz的参

考点下，其频率测量应当满足频率示值最大允许误差为±0.08Hz。采用B类不确定度评

定方法，估计其为均匀分布，因此

0.08

u22==0.046Hz

3

其分辨力为0.001Hz，由分辨力引入的不确定度为0.0003Hz，远远小于其他的不确

定度分量，可以忽略不计。两个不确定分量是相互独立的不确定度分量，没有相关性，

可以进行合成。

22

u2=uu21+=220.048Hz

1.4.各不确定度分量汇总表

表3各不确定度分量汇总

标准不灵敏系概率分包含因

符号不确定度来源类型

确定度数布子

工作器具的频

均匀分

u率测量引入的A0.085Hz1

1布3

不确定度

工作器具的频

均匀分

u率测量引入的B0.048Hz-1

2布3

不确定度

1.5.合成标准不确定度

2222

uc=cu11+=cu220.098Hz

计算相对标准不确定度为：

ucrel=0.06%

1.6.扩展不确定度

在160Hz的参考点，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.12%k=2

9

1.7.评定其他校准点的测量不确定度

在实际的测量过程中，通常需要在20Hz，40Hz，80Hz，160Hz，320Hz，650Hz，

1250Hz和2000Hz开展频率测量，因此需要对上述每一个点进行不确定度的评定，选

择最大的扩展不确定度，作为频率测量示值误差的扩展不确定度。每个点的评定方法与

160Hz的点的评定方法相同。

其评定结果为：

20Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.10%k=2

40Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.10%k=2

80Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.10%k=2

320Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.15%k=2

650Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.18%k=2

1250Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.22%k=2

2000Hz测量点处，其扩展不确定度为：

，

Urel=0.26%k=2

选择最大的扩展不确定度作为所有频率测量示值误差的扩展不确定度，并且保留扩

展不确定度的位数为1位：

，

Urel=0.3%k=2

10

（三）试验验证报告

1、试验验证内容

本规程中对于试验装置、试验环境及试验方法的编制依据主要来自于动弹模量测定

仪设备生产和使用单位调研结果和《动弹仪校准规范》（JJF1373-2012）。本编制说明

除对工作原理进行说明外，将对以下内容进行试验验证：

（1）试验设备；

（2）试验方法。

2、动力触探仪的工作原理

混凝土动弹性模量一般以共振法进行测定，其原理是使试件在一个可调频率的周期

性外力作用下产生受迫振动，如果外力的频率等于试件的基频振动频率，就会产生共振，

试件的振幅达到大。这样测得试件的基频频率后再由质量及几何尺寸等因素计算得出动

弹性模量值。对于一定的物体，都存在一个固有谐振频率。当物体的体积、材质一定时，

该物体的谐振频率仅与其密度有关。物体的强度与其密度有关，因此物体的固有振动频

率决定了物体强度。若能够测量出该物体的谐振频率，就可以根据强度理论推算出物体

的强度。按公式（3）计算理论动弹模量值；

E=kWL32f/a4

0（3）

式中：

E

0——理论动弹模量值，GPa；

−7

k——动弹模量计算常数，k=13.244×10；

W——试块质量，kg；

L——试块长度，mm；

f——试块固有频率，Hz；

a——试块正方形截面边长，mm。

3、试验分析

本规程中关于主要技术指标的试验方法主要参考了《触探测量仪校准规范》（JJF

1341-2012）中相应的技术试验方法，开展了关键技术指标的试验分析工作。

（1）试验条件及校准设备

环境温度应控制在(20±10)℃，相对湿度应不大于95%。确保无影响锈蚀仪正常工

作的外电场、外磁场。校准设备的技术要求参考本编制说明中2.6部分。

11

①动态信号分析仪；

图7.4INV3062C系列云智慧数据采集分析仪

②电荷放大器；

图7.6B&K2692型系列电荷放大器

③压电加速度计；

12

图7.8压电加速度计

（2）试验方法

①频率测量误差

频率测量误差检定步骤如下：

a)将动弹模量测定仪测量方式调整为自动模式；

b)启动主机分别对三块试块进行自动测量，分别记录由动态信号分析仪测出的共

振频率和动弹仪测出的共振频率。由公式（1）计算频率测量相对误差，取三者最大值

为频率测量相对误差。

FF−

∂=i（1）

1F

式中：频率测量相对误差相对误差；

∂1——

测定的共振频率，；

Fi——Hz

F——动态信号分析仪测量的共振频率，Hz。

②重复性

动弹模量误差检定步骤如下：

a)选择混凝土试块，连接动弹仪换能器，使其与试块良好耦合；

b)在自动模式下测量试块的共振频率，重复测量三次，按公式（2）计算重复性。

ffmax−min

r=（2）

f

式中：

r——重复性；

13

次测量中的最大值，；

fmax——3Hz

次测量中的最小值，；

fmin——3Hz

f——3次测量值的平均值，Hz。

4、试验数据及分析

试验选用北京耐久伟业科技有限公司生产的DT-18型动弹模量测定仪作为实验仪

器，实验地点位于中国计量科学研究院振动实验室，选取INV3062C系列云智慧数据采

集分析仪和B&K2692型系列电荷放大器作为标准装置，测试段界面见图7.4，标准装

置见图7.5，实验连接方式见图7.6。

图7.4测试段界面