專利名稱：一種同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用電磁波或粒子輻射來測試或分析材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用Y源和電磁波同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)于以泥土、沙石混合物等為原料的壓實(shí)材料進(jìn)行密度和水分現(xiàn)場測定，在水庫壩基建設(shè)、鐵路、公路路基等建筑施工中，具有廣泛而重要的應(yīng)用。基體的壓實(shí)密度和水分含量與基體質(zhì)量和基體耐久穩(wěn)定性密切相關(guān)，是兩個(gè)需要嚴(yán)格控制的質(zhì)量指標(biāo)。施工中需要對(duì)基體進(jìn)行分層碾壓，使基體的壓實(shí)密度和水分含量達(dá)到相應(yīng)的施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于碾壓質(zhì)量的現(xiàn)場快速檢測是確保施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)的有效手段。現(xiàn)行的作法是采用表層型核子密度水分儀對(duì)各種土、石等地基工程碾壓質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場檢測。表層型核子密度水分儀采用
Y-射線測量介質(zhì)密度，采用快中子被氫原子慢化測量介質(zhì)含水量，兩種方法同機(jī)聯(lián)用，同 步測定含水量和介質(zhì)密度。由于中子源Am-241-Be的強(qiáng)放射性和長的半衰期，其采購、使用、保管均由國際反恐大環(huán)境的影響而受到越來越嚴(yán)格的控制，基于非中子源的水分含量測定方法與裝置的研發(fā)意義重大。美國專利(專利號(hào)US8071937B2，授權(quán)日2011. 12. 6.)公開了基于非中子源的基體介質(zhì)密度和水分含量測量方法、測量系統(tǒng)及計(jì)算方法，測量系統(tǒng)包括相互獨(dú)立的密度測量部分和水分測量部分，其密度測量部分包括Y -射線輻射源和輻射傳感器，水分測量部分包括電磁場發(fā)生器和電磁傳感器。其計(jì)算方法部分詳細(xì)介紹了電磁測量水分含量的原理及計(jì)算方法。其密度測量部分和水分測量部分是相互獨(dú)立的，密度測量和水分測量過程是相互分離的，且水分測量僅限于介質(zhì)表面，未就如何實(shí)現(xiàn)基于非中子源的基體介質(zhì)密度和水分含量同步測定、特別是土壤深處，如常見的20厘米到30厘米深度處水分的測定給出具體可行的解決方案。中國實(shí)用新型專利說明書(公告號(hào)CN201035151Y，公告日2008. 3. 12)公開了一種核子頻域水分-密度聯(lián)用測試儀，含有機(jī)座、顯示屏和CPU集成電路板，機(jī)座設(shè)有可升降的Y-射線源桿和Y-射線探測器，同時(shí)還設(shè)有頻域水分探測頭和壓桿組件，水分探測頭由電極、高頻電流發(fā)生器及電流輸出接口組成，壓桿組件含壓桿和壓力塊，壓桿一端鉸接在機(jī)座上，壓力塊通過壓桿可推動(dòng)頻域水分測量探頭向下運(yùn)動(dòng)，從而將探頭壓入待測土層內(nèi)進(jìn)行水分檢測。此方案可以測量除基體表層以外的一定深度處水分的含量，但仍存在如下問題一、密度測量部分和水分測量部分相互獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)基體介質(zhì)密度和水分同步測定；二、只有比較尖銳的水分探頭如針形探測頭才能保證深入土壤深處，且每次測量都可能傷及探頭，或者需要特殊防護(hù)的探頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，可以在同一時(shí)間、同一地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于非中子源的基體介質(zhì)密度和水分含量測定，特別是可以準(zhǔn)確測量土壤深處的水分含量。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，包括底座和主電路板，底座的一側(cè)設(shè)有豎直的支撐桿和源桿，源桿的下端設(shè)Y-源腔室，底座的另一側(cè)的底部設(shè)有Y-射線探測器，一水平設(shè)置的手柄與源桿連接，在源桿的
Y-源腔室之上依次設(shè)有水分傳感器和PCB密封艙室，水分傳感器與PCB密封艙室內(nèi)的水分傳感器測量電路電連接，水分傳感器測量電路與主電路板電連接。優(yōu)選地，支撐桿是中空的，支撐桿的側(cè)面開有豎向?qū)Эp，源桿置于支撐桿內(nèi)，手柄一端與源桿固定連接，另一端通過支撐桿的豎向?qū)Эp伸出，并可沿該豎向?qū)Эp帶動(dòng)源桿一起上下移動(dòng)。進(jìn)一步優(yōu)選，水分傳感器測量電路與主電路板的電連接這樣形成源桿也是中空的，在中空的源桿內(nèi)設(shè)有滑桿，滑桿上下端部受限于手柄，可在兩端部范圍內(nèi)相對(duì)于手柄上 下滑動(dòng)，滑桿下端接下彈簧，下彈簧的下端與PCB密封艙室上端相接，滑桿上端接上彈簧，上彈簧上端接支撐桿的頂蓋，電纜經(jīng)下彈簧、滑桿和上彈簧，一端經(jīng)PCB密封艙室與水分傳感器測量電路相連，另一端經(jīng)頂蓋與主電路板相連。作為改進(jìn)，支撐桿的外側(cè)設(shè)有容納電纜的豎向側(cè)槽。優(yōu)選地，上彈簧與下彈簧在自然狀態(tài)下的長度比為I : 2 4。優(yōu)選地，滑桿的長度為15 25厘米。作為進(jìn)一步改進(jìn)，在支撐桿上與豎向?qū)Эp相對(duì)位置的側(cè)壁上開有定位孔，手柄內(nèi)設(shè)有定位制動(dòng)閥和帶彈簧的定位制動(dòng)閥扳機(jī)，定位制動(dòng)閥可在定位制動(dòng)閥扳機(jī)的作用下與定位孔結(jié)合或分離。優(yōu)選地，水分傳感器為由非金屬材料固定且相互絕緣的兩塊截面呈圓弧狀的金屬片組成的圓柱狀部件。另一優(yōu)選，水分傳感器為U形金屬線纏繞在非金屬圓柱體上，U形金屬線中間設(shè)有接地線，接地線與U形金屬線之間不導(dǎo)通。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)I、方便、快捷采用本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)后，隨著源桿深入基體介質(zhì)如土壤，Y-射線源和基于非中子源水分傳感器同時(shí)深入基體介質(zhì)內(nèi)部，可以同時(shí)在同一地點(diǎn)一次性測得基體介質(zhì)密度和水分含量；2、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便而且由于Y-射線源和水分傳感器在同一根源桿上，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；3、安全由于不用中子源測量水分含量，儀器使用、貯存都更安全，在如今嚴(yán)格控制危險(xiǎn)器的大環(huán)境下，易于推廣使用。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖I為本發(fā)明同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置存放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圓弧柱狀水分傳感器的外形圖，適用于時(shí)域反射和頻域反射法測水分含量。
圖4為線繞柱狀水分傳感器的外形圖，適用于時(shí)域傳輸法測水分含量。圖5為時(shí)域反射法(TDR)測水分含量的原理圖。圖6為時(shí)域傳輸法(TDT)測水分含量的原理圖。圖7為頻域反射法(FDR)測水分含量的原理圖。圖8為時(shí)域傳輸-鑒相法(TDT-PD)測水分含量的原理圖。圖9為時(shí)域反射-頻率電壓轉(zhuǎn)換法(TDR-F/V)測水分含量的原理圖。圖10為基于傳輸線駐波效應(yīng)頻域反射法(FDR)測水分含量的原理圖。圖中，I Y -源腔室，2水分傳感器，3水分傳感器測量電路，4PCB艙室密封，5下彈簧，6滑桿，7上彈簧，8電纜，9定位制動(dòng)閥，10定位制動(dòng)閥扳機(jī)，11手柄，12支撐桿頂蓋13 主桿，14支撐桿，15定位孔，16側(cè)槽，17側(cè)艙，18輻射防護(hù)鉛包，19防護(hù)快門倉，20輻射防護(hù)鉛屏蔽，21輻射防護(hù)快門機(jī)構(gòu)，22 y -射線探測器，23密度測量電路，24主電路板，25電池組，26電池充電電路，27顯示屏，28紅外接收模塊，29GPS模塊，30上蓋，31底座。
具體實(shí)施例方式如圖I和圖2所示，本發(fā)明同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，包括底座31和主電路板24，底座31的一側(cè)設(shè)有大致豎直的支撐桿14和源桿13，源桿13的下端設(shè)
Y-源腔室1，底座31的另一側(cè)的底部設(shè)有Y -射線探測器22，一大致水平設(shè)置的手柄11一端與源桿13固定連接，在所述源桿13的Y -源腔室I之上依次設(shè)有水分傳感器2和PCB密封艙室4，水分傳感器2與PCB密封艙室4內(nèi)的水分傳感器測量電路3電連接，水分傳感器測量電路3與主電路板24電連接。作為現(xiàn)有技術(shù)，Y-源腔室I內(nèi)放置Y-射線源，PCB密封艙室4用于密封印刷電路即水分傳感器測量電路3，側(cè)艙17用于放置顯示屏27、Y-射線探測器22、密度測量電路23、主電路板24、電池組25、電池充電電路26、控制按鍵27、紅外接收模塊28、GPS模塊29等，底座31還有上蓋30，底座31內(nèi)還有輻射防護(hù)鉛包18、防護(hù)快門倉19、輻射防護(hù)鉛屏蔽20、輻射防護(hù)快門機(jī)構(gòu)21。圖I和圖2中支撐桿14是中空的，支撐桿14的側(cè)面開有豎向?qū)Эp，源桿13置于支撐桿14內(nèi)，手柄11 一端與源桿13固定連接,另一端通過支撐桿14的豎向?qū)Эp伸出，并可沿該豎向?qū)Эp上下移動(dòng)。源桿13置于支撐桿14內(nèi)，且盡量同軸，使裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶、使用和貯存。如果源桿13不置于支撐桿14內(nèi)，則支撐桿14是否中空無關(guān)緊要，如現(xiàn)有技術(shù)CN201035151Y所示的結(jié)構(gòu)。支撐桿14和源桿13大致豎直，手柄11大致水平，是由于實(shí)際使用中易于依靠手柄11用力下壓源桿13，使源桿13下端深入基體介質(zhì)內(nèi)部的原因。由于此類儀器多在野外施工現(xiàn)場使用，其簡便、可靠性特別重要。水分傳感器2與水分傳感器測量電路3共同置于源桿13內(nèi)，提高了水分測量的可靠性，但同時(shí)與主電路板24的連接變得困難。為保證水分傳感器測量電路3與主電路板24的可靠連接，水分傳感器測量電路3與主電路板24的電連接這樣形成中空的源桿13內(nèi)設(shè)有滑桿6，滑桿6上下端部受限于手柄U，可在兩端部范圍內(nèi)相對(duì)于手柄上下滑動(dòng)，滑桿6下端接下彈簧5，下彈簧5的下端與PCB密封艙室4上端相接，所述滑桿6上端接上彈簧7，上彈簧7上端接支撐桿14的頂蓋12，電纜8經(jīng)所述下彈簧5、滑桿6和上彈簧7，一端經(jīng)PCB密封艙室4與水分傳感器測量電路3相連，另一端經(jīng)頂蓋12與主電路板24相連。
當(dāng)裝置處于如圖I的存放狀態(tài)時(shí)，PCB密封艙室4上端與支撐桿14的頂蓋12間距離較近；當(dāng)處于如圖2的工作狀態(tài)時(shí)，PCB密封艙室4上端與支撐桿14的頂蓋12間距離較遠(yuǎn)。所以PCB密封艙室4上端與支撐桿14的頂蓋12之間電纜的長度是不斷變化的，且這種變化是極其頻繁的。為保證電連接的牢固、可靠，本發(fā)明采用了上述彈簧、滑桿機(jī)構(gòu)。電纜8部分地繚繞在上彈簧7和下彈簧5，位于滑桿6內(nèi)的部分與滑桿6相對(duì)固定。當(dāng)手柄11從最上端的存放狀態(tài)位置帶動(dòng)源桿13向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)也相對(duì)滑桿6從上端向下運(yùn)動(dòng)，直至手柄11運(yùn)動(dòng)至滑桿6下端，此過程上彈簧7、滑桿6和下彈簧5 —直處于靜止?fàn)顟B(tài)；如手柄11繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，由于滑桿6下端受限于手柄11，滑桿6將隨手柄11 一起向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)上彈簧7拉伸，下彈簧5壓縮?？澙@在上彈簧7和下彈簧5上的電纜8也隨著彈簧變形，但不會(huì)傷及電纜8。直至手柄11運(yùn)動(dòng)至支撐桿14側(cè)面豎向?qū)Эp的下限，這時(shí)源桿13進(jìn)入基體介質(zhì)最深，同時(shí)測得最深處的介質(zhì)密度和水分含量。手柄11反向向上移動(dòng)，則先是下彈簧5由壓縮狀態(tài)舒展開，最后至彈簧5的拉伸狀態(tài)，上彈簧7由拉伸狀態(tài)回至自然狀態(tài)，最后至壓縮狀態(tài)，這時(shí)手柄11上行至支撐桿14側(cè)面豎向?qū)Эp的上限，儀器回復(fù)到存放狀態(tài)。借助輻射防護(hù)快門機(jī)構(gòu)21作用，使源桿13下端的Y-射線源處于輻射防護(hù)鉛屏蔽20內(nèi)。 本裝置測量土壤最大深度為30厘米，為合理分配上彈簧7和下彈簧5的拉伸長度，保證多次使用仍能保持良好彈性，在大量實(shí)驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)基礎(chǔ)上，得出滑桿6的長度為15 25厘米，最好為20厘米，上彈簧7與下彈簧5在自然狀態(tài)下的長度比為I : 2 4，最好為I : 3。為固定、收納支撐桿14頂蓋12至底座31之間的電纜，以提高裝置電連接的可靠性，延長使用壽命，在支撐桿14的外側(cè)設(shè)有容納電纜8的豎向側(cè)槽16。根據(jù)常識(shí)，此側(cè)槽16不位于支撐桿14側(cè)面豎向?qū)Эp位置即可。最好位于彼此相對(duì)的位置。在支撐桿14上與豎向條縫相對(duì)的側(cè)壁上開有定位孔15，手柄11內(nèi)設(shè)有定位制動(dòng)閥9和帶彈簧的定位制動(dòng)閥扳機(jī)10，定位制動(dòng)閥9可在定位制動(dòng)閥扳機(jī)10的作用下與定位孔15結(jié)合或分離。定位孔可為5個(gè)，分別位于使源桿13處于存放狀態(tài)、深入基體介質(zhì)深度為0、10、20、30厘米的位置。這是由于本裝置測量的常規(guī)深度為0、10、20、30厘米。如果測量深度標(biāo)準(zhǔn)有變化，當(dāng)然可以采取不同位置設(shè)定位孔。源桿13上位于Y -源腔室I和PCB密封艙室4之間的水分傳感器2根據(jù)不同的電磁波測量原理可有不同的型式。例如，一種型式如圖3所示，水分傳感器2為由非金屬材料固定且相互絕緣的兩塊截面呈圓弧狀的金屬片組成的圓柱狀部件。其中非金屬材料既作為固定兩塊截面呈圓弧狀的金屬片，又作為使兩塊金屬片相互絕緣的介質(zhì)，還作為圓柱狀部件的中間填充物質(zhì)，以保證桿的強(qiáng)度，適用于采取時(shí)域反射(TDR)和頻域反射(FDR)原理測量基體介質(zhì)中水分含量。另一種如圖4所示，所述水分傳感器2為U形金屬線纏繞在非金屬圓柱體上，U形金屬線中間設(shè)有接地線，接地線與U形金屬線之間不導(dǎo)通。適用于采取時(shí)域傳輸(TDT)原理測量基體介質(zhì)中水分含量。上述形狀的水分傳感器2巧妙地與源桿13開關(guān)配合，即便于深入被測介質(zhì)，又能與被測介質(zhì)充分接觸，形成合理的測量電磁場，保證測量精度，而且結(jié)構(gòu)簡單，耐用。采用不同的水分傳感器2，水分傳感器測量電路3則應(yīng)與之匹配，而水分傳感器測量電路3可以采用現(xiàn)有技術(shù)的任何電路實(shí)現(xiàn)。有關(guān)非中子源的基體介質(zhì)密度和水分含量計(jì)算方法，美國專利US8071937B2及相關(guān)資料有詳細(xì)介紹，下面僅就本發(fā)明相關(guān)部分作簡要引述說明。電磁波水分測量原理建立在麥克斯韋經(jīng)典電磁理論上，測量的是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，利用電磁波傳播速度與介質(zhì)介電常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出介質(zhì)的體積含水百分比。主要通過時(shí)域反射(TDR,Time Domain Transmission,如圖5)、時(shí)域傳輸(TDT,TimeDomain Transmission,如圖 6),或頻域反射(FDR, Frequency Domain Reflectrometry,如圖7)來實(shí)現(xiàn)。從麥克斯韋經(jīng)典電磁理論或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)出，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V與介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)e = e ’ _j e ”之間存在
權(quán)利要求
1.一種同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，包括底座(31)和主電路板(24)，底座(31)的一側(cè)設(shè)有豎直的支撐桿(14)和源桿(13)，源桿(13)的下端設(shè)Y-源腔室(1)，底座(31)的另一側(cè)的底部設(shè)有Y-射線探測器(22)，其特征在于一水平設(shè)置的手柄(11)與源桿(13)連接，在所述源桿(13)的Y -源腔室(I)之上依次設(shè)有水分傳感器(2)和PCB密封艙室(4 )，水分傳感器(2 )與PCB密封艙室(4 )內(nèi)的水分傳感器測量電路(3 )電連接，水分傳感器測量電路(3)與主電路板(24)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于所述支撐桿(14)是中空的，支撐桿(14)的側(cè)面開有豎向?qū)Эp，源桿(13)置于支撐桿(14)內(nèi)，手柄(11)一端與源桿(13)固定連接，另一端通過支撐桿(14)的豎向?qū)Эp伸出，并可沿該豎向?qū)Эp上下移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于，所述水分傳感器測量電路(3)與主電路板(24)的電連接這樣形成源桿(13)是中空的，所述中空的源桿(13)內(nèi)設(shè)有滑桿(6)，滑桿(6)上下端部受限于手柄(11)，可在兩端部范圍內(nèi)相對(duì)于手柄上下滑動(dòng)，所述滑桿(6)下端接下彈簧(5)，下彈簧(5)的下端與PCB密封艙室(4)上端相接，所述滑桿(6)上端接上彈簧(7)，上彈簧(7)上端接支撐桿(14)的頂蓋(12)，電纜(8)經(jīng)所述下彈簧(5)、滑桿(6)和上彈簧(7)，一端經(jīng)PCB密封艙室(4)與水分傳感器測量電路(3)相連，另一端經(jīng)頂蓋(12)與主電路板(24)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于在所述支撐桿(14)的外側(cè)設(shè)有容納電纜(8)的豎向側(cè)槽(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于所述上彈簧(7)與下彈簧(5)在自然狀態(tài)下的長度比為I :2 4，所述滑桿(6)的長度為15 25厘米。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5之一所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于在所述支撐桿(14)上與豎向?qū)Эp相對(duì)的側(cè)壁上開有定位孔(15)，手柄(11)內(nèi)設(shè)有定位制動(dòng)閥(9)和帶彈簧的定位制動(dòng)閥扳機(jī)(10)，定位制動(dòng)閥(9)可在定位制動(dòng)閥扳機(jī)(10)的作用下與定位孔(15)結(jié)合或分離。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于所述水分傳感器(2)為由非金屬材料固定且相互絕緣的兩塊截面呈圓弧狀的金屬片成的圓柱狀部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，其特征在于所述水分傳感器(2)為U形金屬線纏繞在非金屬圓柱體上，U形金屬線中間設(shè)有接地線，接地線與U形金屬線之間不導(dǎo)通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同步測量基體介質(zhì)密度和水分含量的裝置，包括底座和主電路板，底座的一側(cè)設(shè)有豎直的支撐桿和源桿，源桿的下端設(shè)γ-源腔室，底座的另一側(cè)的底部設(shè)有γ-射線探測器，一水平設(shè)置的手柄與源桿連接，在源桿的γ-源腔室之上依次設(shè)有水分傳感器和PCB密封艙室，水分傳感器與PCB密封艙室內(nèi)的水分傳感器測量電路電連接，水分傳感器測量電路與主電路板電連接。支撐桿是中空的，支撐桿的側(cè)面開有豎向?qū)Эp，源桿置于支撐桿內(nèi)，手柄一端與源桿固定連接，另一端通過支撐桿的豎向?qū)Эp伸出，并可沿該豎向?qū)Эp上下移動(dòng)。本裝置能方便快捷地同時(shí)、同地測得不同深度處介質(zhì)的密度和水分含量，而且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠。
文檔編號(hào)G01N23/20GK102778413SQ20121027260
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者仇宏軍, 崔敏, 曹中, 李政, 陳海洋 申請(qǐng)人:南通中天精密儀器公司