專利名稱：動態(tài)式核子土基密實度、含水量測量儀的制作方法
一種涉及動態(tài)式核子土基密實度·含水量測量儀，用于土建工程土基密實度·含水量的測量，屬物理測量儀器。
本發(fā)明公開了一種動態(tài)式核子土基密實度·含水量測量儀，可用于土建工程對土基密實度·含水量的動態(tài)式連續(xù)測量，亦可作靜態(tài)測量。
在土建工程中，土基的密實度是監(jiān)督施工質(zhì)量的一個必要的參量，密實度的檢測與控制是確保土建質(zhì)量的主要指標(biāo)，而密實度是由濕密度和含水量來決定的。在土建工程實際的作業(yè)過程中，需要連續(xù)了解土基的密實度并加以控制，以此來保證工程質(zhì)量，為此必須解決濕密度和含水量的準(zhǔn)確快速檢測問題，以便及時地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。
在現(xiàn)有技術(shù)中，美、英、法、日、蘇和我國在六十年代初就相繼研究利用γ射線測量土壤密實度，中子射線測量土基含水量。以美國Troxler電子實驗室、Seamans核子公司為代表，已向國際市場投放上萬臺靜態(tài)式土基密度·含水量測量儀，成功地解決了土基密度和和含水量的快速準(zhǔn)確測定，并為實踐所證明。在國內(nèi)八十年代初，湖南省交通科研所、北京核儀器廠等單位，也有200多臺同類儀器投入市場。但是，這種靜態(tài)式核子密實度·含水量測量儀只能對壓實后的土基進行檢測，是一種結(jié)果校核性檢驗，無法滿足連續(xù)作業(yè)多次碾壓土基施工需要，更難及時控制土基密實度的要求。為此，美國Seamans核子公司和Troxler電子實驗室于八十年代中期相繼推出動態(tài)式核子密度計，其中Troxler公司研制的4545型為動態(tài)式非接觸型核子儀，而Seamans核子公司的DOR-1000型為動態(tài)式接觸型核子密度計。其結(jié)構(gòu)的主要特征是在一個圓柱式空心滾筒內(nèi)安裝放射源，雖然可用于連續(xù)檢測，但仍存在兩個缺點。
1、由于該儀器不具備含水量的檢測功能，因此在現(xiàn)場作業(yè)中，無法直接提供土基壓實率的信息。
2、該儀器采用整定時間控制測量，無法滿足土建工程中被測參量與被測路段間對應(yīng)關(guān)系，給以后的工程質(zhì)量評定和道路的維修、路況病害分析帶來困難。
鑒于上述，本發(fā)明的目的，就在于提供一種非破壞性連續(xù)快速檢測儀器，用于動、靜態(tài)連續(xù)施工，以土基工程距離為控制測量且?guī)C系統(tǒng)的動態(tài)式核子土基密度，含水量測試儀，它可直接向測試人員顯示濕密度、含水量以及其派生參量和對應(yīng)圖表。
本發(fā)明是在一個裝有心軸可旋轉(zhuǎn)長筒形空心的圓柱體滾筒內(nèi)，安裝雙源雙探測器，利用銫137γ源作放射源，以NaI(TL)晶體閃爍體加光電信增管為γ探測器用來檢測土壤密度，用镅241/鈹作中子源，以鋰玻璃為熱中子閃爍體加光電倍增管作中子探測器，用來檢測土壤含水量。當(dāng)滾筒沿著被測材料表面滾動時，放射源、探測器被機械地固定在滾筒內(nèi)，它們相對于被測材料表面始終保持恒等距離。本發(fā)明其檢測對象共有六個物理量，即密度，含水量，地表濕度，測試距離，測量深度和測量時間。
被測土壤的表面溫度是通過紅外遙測方法來實現(xiàn)。
距離的測量是通過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、小齒輪、內(nèi)齒圈與小齒輪嚙合，小齒輪與磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)軸固接，并使齒輪的齒槽與傳感器端面對齊。當(dāng)探測滾筒滾動時，齒槽與傳感器端面間的磁隙即發(fā)生改變而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速傳感器線圈中的磁通發(fā)生變化，產(chǎn)生一個脈沖。在設(shè)計時已經(jīng)整定，探測滾筒的圓周每滾動一單位長度，必須保證有一個齒槽經(jīng)過傳感器的端面，因而這一個脈沖就代表滾筒圓周上移動一單位長度的距離，并將此脈沖送入電測系統(tǒng)累加計數(shù)，以此作為動態(tài)式密實度·含水量的檢測控制信號。
深度選擇，利用齒條付、γ源提升手柄、測量深度選擇手柄和鉛墊塊上不同高度的準(zhǔn)直孔，按要求選擇測量深度。
時間的檢測是通過時鐘石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的高穩(wěn)定性時基信號，利用分頻而獲得。
本發(fā)明在系統(tǒng)電路設(shè)計中，設(shè)置了四條檢測通道，即由γ源、γ探測器、放大器、甄別器、反符合器、f/V轉(zhuǎn)換器組成的密度通道;由镅鈹中子源、中子探測器組成的水分通道;由光學(xué)系統(tǒng)、光斬波器、光敏材料、放大器、同步器、解碼器、放大器組成的測溫通道和由小齒輪、轉(zhuǎn)速傳感器、限幅器、放大器、整形器組成的測距通道。為克服環(huán)境溫度對儀器構(gòu)件和電路中的電子元、器件所產(chǎn)生的“能譜飄移”，保證儀器準(zhǔn)確運行而設(shè)置的密度和水分的“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”電路。另外設(shè)置微計算機和輔助設(shè)備系統(tǒng)，上述通道和系統(tǒng)均置于計算機監(jiān)督與控制之下。以下結(jié)合附圖和實施例，詳述本發(fā)明的檢測原理和結(jié)構(gòu)特證。


圖1為本發(fā)明機載式結(jié)構(gòu)總體示意圖;
圖2為探測滾筒結(jié)構(gòu)圖;
圖3為γ源與測量深度調(diào)節(jié)機構(gòu)圖;
圖4為測距機構(gòu)圖;
圖5為本發(fā)明手推車式結(jié)構(gòu)總體示意圖;
圖6為壓路機與探測滾筒連接架連接圖;
圖7為本發(fā)明的“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”原理圖;
圖8為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。
本發(fā)明為物理測量儀器，主要由主機、探測滾筒、標(biāo)準(zhǔn)塊、標(biāo)準(zhǔn)塊支架、電源充電器、手推測量車、壓路機連接架、微計算機及輔助系統(tǒng)等構(gòu)成。其原理由物理學(xué)中可知，任何一個非電物理量的電測過程，都要采用相應(yīng)的傳感器件與方法，首先將該物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流，然后才能進入電測系統(tǒng)進行分析。本儀器所涉及的非電量為密度，含水量，測試距離，地表溫度，測試深度和時間共6種，現(xiàn)詳述其結(jié)構(gòu)特征。
1.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和檢測原理1-1結(jié)構(gòu)特征說明本發(fā)明有機載式和手推車式兩種結(jié)構(gòu)形式，兩種結(jié)構(gòu)形式的主要區(qū)別在于探測滾筒與牽引行走的機具在聯(lián)接方式的不同，其余結(jié)構(gòu)和性能是相同和兼容的。圖1為本發(fā)明的機載式結(jié)構(gòu)總體示意圖，它由探測滾筒[A]、連接架[B]、壓路機[C]、主機[D]、測溫器[E]、電源[F]組成。探測滾筒[A]通過連接架[B]與壓路機[C]連接，探測滾筒[A]位于壓路機[C]前端下方并與被測材料表面接觸。主機[D]、測溫器[E]和電源、充電器[F]安裝在壓路機[C]的駕駛室內(nèi)。
圖5為本發(fā)明的手推車式結(jié)構(gòu)總體示意圖，主要由探測滾筒[A]、上平行四邊形桿件[25A]、下平行四邊形桿件[25B]半月形連接板[25C]、方形連接板[25D]、萬向輪[21]、電源、充電器[F]、紅外測溫器[E]、主機[D]、推桿[23]、標(biāo)準(zhǔn)塊支架[20]、標(biāo)準(zhǔn)塊[22]、鎖定銷[24]組成。上下平行四邊形桿件[25A]、[25B]、半月形連接板[25C]和方形連接板[25D]彼此連接構(gòu)成車架[25]，并將探測滾筒[A]和萬向輪[21]連接構(gòu)成一個整體，且具有行走、轉(zhuǎn)向及檢測功能。推桿[23]鉸接在連接板[25D]的下方、推桿[23]距地面高度可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)操作者身高的要求，調(diào)節(jié)好后用鎖定銷[24]固定。探測滾筒[A]置于推車[G]的前下方，成為手推車的導(dǎo)向輪和信號檢測器，萬向輪[21]則為轉(zhuǎn)向輪。電源、充電器[F]裝在車架[25]上且定位于萬向輪[21]的上方。紅外測溫器[E]、主機[D]裝在推桿[23]上。標(biāo)準(zhǔn)塊[22]是測試現(xiàn)場密度和含水量十分穩(wěn)的參考標(biāo)準(zhǔn)件，其形狀可為圓形也可為方形、視標(biāo)準(zhǔn)塊支架[20]的凹槽形狀而定，標(biāo)準(zhǔn)塊支架[20]為楔形塊，上表面開有凹槽，以便放置標(biāo)準(zhǔn)塊[22]，供儀器現(xiàn)場本底標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)，保證儀器測量的準(zhǔn)確性，在新的現(xiàn)場和路段需要時，可將滾筒[A]放置在標(biāo)準(zhǔn)塊[22]上，進行本底標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)，并以此作標(biāo)準(zhǔn)，用相對測量法，對現(xiàn)場進行檢測。
圖2為探測滾筒[A]的結(jié)構(gòu)圖，密度及含水量的檢測采用雙源雙探頭背散式結(jié)構(gòu)。放射源以銫[Cs]137作γ源，镅241/鈹作中子源，γ探測器為碘化納[NaI(TL)]閃爍體加光電倍增管，中子探測器為鋰玻璃閃爍體加光電倍增管閃爍體與光電倍增管均裝于探測器內(nèi)，γ源與γ探測器中心距離為180mm-220mm，中子源與探測器中心距離為60mm。放射源和探測器均裝于探測滾筒[A]內(nèi)，它是一長筒形空心圓柱體，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由心軸[1]、軸承[2]、測距機構(gòu)[3]、轉(zhuǎn)速傳感器[4]、前置放大電路板[5]、γ探測器[6]、中子探測器[7]、中子源[8]、γ源[9]、提源齒條付[10]、鉛墊塊[11]、滾筒體[12]、滾筒端蓋[12A]、[12B]、γ源提升手柄[13]、測量深度選擇手柄[14]組成、心軸[1]為一空心長軸，也是滾筒內(nèi)構(gòu)件的支承物，心軸[1]由滾筒端蓋[12A]、[12B]上的軸承[2]支承。軸承[2]安裝在端蓋相應(yīng)的軸承孔中。滾筒體[12]與兩端蓋[12A]、[12B]以螺釘連接。滾筒體[12]由金屬材料制作，它沿被測材料表面旋轉(zhuǎn)滾動，滾筒體[12]外表面與被測材料表面平行接觸。在心軸[1]上裝有γ源[9]、提源齒條付[10]、鉛墊塊[11]，γ源提升手柄[13]、測量深度選擇手柄[14]、測距機構(gòu)[3]中的內(nèi)齒圈[18](參閱圖4)與端蓋[12A]連接并跟隨其運動。內(nèi)齒圈[18]與小齒輪[19]嚙合，小齒輪[19]套裝在轉(zhuǎn)速傳感器[4]的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)探測滾筒[A]滾動時，通過內(nèi)齒圈[18]、小齒輪[19]的嚙合傳動從而帶動轉(zhuǎn)速傳感器[4]的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)速傳感器[4]為磁電式。在設(shè)計時就確定使小齒輪[19]的齒槽與傳感器的端面對齊。當(dāng)探測滾筒[A]滾動時，齒槽與傳感器[4]端面間的磁隙即發(fā)生改變，導(dǎo)致傳感器[4]線圈中的磁通發(fā)生變化，感應(yīng)產(chǎn)生一個電脈沖信號，并以此信號作密度、含水量等需測參數(shù)的控制信號。
圖3為γ源與測量深度調(diào)節(jié)機構(gòu)圖，該機構(gòu)是將γ源提升降下放入不同深度的準(zhǔn)直孔或盲孔內(nèi)，以滿足檢測不同深度土基參數(shù)和安全存放，減少放射劑量。主要由心軸[1]、提升齒條付[10]。提升齒條付[10]包括齒條[10A]、齒輪[10B]、彈簧[10C]和鋼套[10D]。γ源[9]、屏蔽套[16]、提升手柄[13]、手柄軸[17]、測量深度選擇手柄[14]、鉛墊塊[11]、測深準(zhǔn)直孔[15A]、測淺準(zhǔn)直孔[15B]、安全盲孔[15C]構(gòu)成。齒條[10A]與齒輪[10B]嚙合、齒輪[10B]套裝在手柄軸[17]上，手柄軸[17]與提升手柄[13]相連，齒條[10A]的下部穿過心軸[1]與鋼套[10D]相連。γ源[9]裝于鋼套[10D]中，彈簧[10C]套裝于齒條[10A]上，供回位壓緊之用。屏蔽套[16]為鉛套，固接在心軸[1]上，套上開有供γ源[9]上下移動的通孔，γ源[9]非工作時就儲存在屏蔽套[16]內(nèi)。鉛墊塊[11]為圓環(huán)形弧段，鉸接在心軸[1]上可繞軸擺動。其上開有測深、測淺兩個準(zhǔn)直孔[15A]、[15B]和一個安全盲孔[15C]，三孔的中心線均在同一橫截面內(nèi)。鉛墊塊[11]與測量深度選擇手柄[14]相連，搬動手柄[14]可使鉛墊塊[11]擺動。使γ源[9]伸入所需孔位中，進行淺測或深測，而在不工作時，則將γ源[9]置于安全盲孔內(nèi)，以減少放射劑量。
在探測滾筒[A]內(nèi)，如圖3、4所示的γ源與測量深度調(diào)調(diào)節(jié)機構(gòu)及測距機構(gòu)中敘述的運動構(gòu)件外。滾筒[A]內(nèi)的其它構(gòu)件均被機械地固定在心軸[1]上。這些構(gòu)件無論滾筒[A]運動與否，構(gòu)件與滾筒[A]之間，構(gòu)件與構(gòu)件間以及滾筒[A]整體與被測材料表面之間，它們?nèi)咧g的幾何位置保持恒定，這是本發(fā)明的重要特征之一。探測滾筒[A]通過導(dǎo)線和接口與主機[D]連接和通訊。
圖6為壓路機與探測滾筒連接架連接圖，連接架[B]包括兩部分，一為提升滾筒[A]，二為與壓路機[C]彈性連接。主要由座架[32]、提升手柄[26]、提升器[27]、提升鏈[28]、鏈鉤[29]組成提升部分，上述構(gòu)件全部連接在架座[32]上。而架座[32]通過螺釘與壓路機[C]的前端上方連接，提升鏈[28]一端掛在鏈鉤[29]上，另一端與探測滾筒[A]相連。彈性連接部分由平行四邊形桿機構(gòu)[30]、連接鉸點[30a、30b、30c、30d]及彈性連接點[30e]，減震彈簧[30f]和支座板[31]組成。四連桿機構(gòu)[30]的一端和探測滾筒[A]的心軸[1]鉸接，另一端和支座板[31]的支承點鉸接，支座板[31]通過彈簧[30f]和彈性接點[30e]與壓路機[C]的下方連接。由于這些結(jié)構(gòu)特點，使探測滾筒[A]具有滾動，左右擺動及上下移動三個自由度，使之能適應(yīng)被測材料表面縱傾、橫傾以及脫離接觸被測材料表面的功能。
圖7為“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”原理圖，即在能譜峰位的左右兩側(cè)，各設(shè)置一個較窄且相等的微分通道[33]及[34]和一個調(diào)節(jié)器電路板[35]，使之隨時監(jiān)督比較“能譜飄移”的方向和大小，并設(shè)置微分通道寬度相等的新道位以適應(yīng)其變化，保證儀器測量的準(zhǔn)確性，其工作原理見后敘。
圖8為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖，在圖中設(shè)置四條檢測通道，兩個“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”通道以及計算機和輔助設(shè)備系統(tǒng)電路。
a、密度通道，它由銫(137As)γ源[9]、NaI(TL)閃爍晶體[37]、光電倍增管[38]、放大器[39]、甄別器[40A1-40A4]、反符合器[41A1-41A3]，f/v轉(zhuǎn)換器[42A1-42A2]組成。
b、水份通道;它由镅/鈹(241Am-Be)中子源[8]、Li玻璃閃爍體[50]、光電倍增管[51]、放大器[52]、甄別器[53B1-53B4]，反符合器[54B1-54B3]，f/V轉(zhuǎn)換器[55B1-55B2]組成。
c、測距通道;它由齒內(nèi)圈[18](參見圖4)、小齒輪[19]、轉(zhuǎn)速傳感器[4]、限幅器[56]、放大器[57]、整形器[58]組成，將滾筒[A]滾動的距離變成電脈沖信號。
d、測溫通道;它由光學(xué)系統(tǒng)[62]、光斬波器[63]、光敏材料LiTaO3[64]、放大器[65]、解調(diào)器[66]、連接光斬波器[63]與解調(diào)器[66]的同步器[68]、放大器[67]組成。
e、密度與水分“自適應(yīng)峰位調(diào)節(jié)器”通道;它由程控閥值設(shè)定器[47]、多路采樣開關(guān)[43]、A/D轉(zhuǎn)換器[44]、微機系統(tǒng)[45]、甄別器[40A1-40A4]、[53B1-53B4]，反符合器[41A1-41A2]、[54B1-54B3]，f/V轉(zhuǎn)換器[42A1-42A2]、[55B1-55B2]組成。
f、時間電路;高頻石英振蕩器時鐘[74]、分頻器[73]組成時間電路。
g、狀態(tài)轉(zhuǎn)換及標(biāo)定開關(guān);它由密度檢測狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SK1-a)[72]，水分檢測狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SK1-b)[69]、密度標(biāo)定開關(guān)(SK2)[71]，水分標(biāo)定開關(guān)(SK3)[70]組成，本發(fā)明有動、靜、標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)和校驗四種工作狀態(tài)，都是通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)SK1-a[72]、SK1-b[69]來實現(xiàn)的。為了保證檢測的可靠，排除儀器本身故障因素，設(shè)置有密度與含水量較正源，儀器給出各種精確的基準(zhǔn)信號，通過密度標(biāo)定開關(guān)(SK2)[71]、水分標(biāo)定開關(guān)(SK3)[70]進行儀器的標(biāo)定。
h、電源;本發(fā)明由鎘鎳式蓄電池作電源，蓄電池、充電器放在一個電池盒內(nèi)，電源、充電器[F]為浮置，與壓路機[C]上的電源不共地，儀器中的高壓電源[48]是通過逆變器來實現(xiàn)的。探測器[6]和[7]需要的600-1000伏高壓由高壓電源[48]供給、儀器充電1次，可供工作3天。
j、微計算機及輔助設(shè)備系統(tǒng);它由微計算機[45]，顯示器[46]、鍵盤[59]、音響是路[61]、喇叭[36]，打印機[60]檢測狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SK1-c)[78]、測溫開關(guān)(SJ4-b)[77]、測量深度選擇開關(guān)(SK5)[76]、檢測項目(密度或水分)選擇開關(guān)(SK4)[75]組成。儀器所有輸入的信號均置于微計算機[45]的監(jiān)督與控制之下，通過鍵盤[59]輸入指令，實現(xiàn)人機對話。顯示器[46]則根據(jù)試測人員的指令要求顯示所需參數(shù)和圖形，打印機[60]按要求打印所測路段的全部數(shù)據(jù)及對應(yīng)的圖表。音響是路[61]和喇叭[36]在測試過程中和測試過程完成將發(fā)出不同的音響以提醒測試人員注意。
1-2檢測原理概述密度的測量;測量土基密度時，利用銫(Cs)137作γ源，γ源[9]輻射出的γ射線進入被測材料。根據(jù)康普頓效應(yīng)、γ射線與物質(zhì)原子的外圍電子進行彈性碰撞而發(fā)生散射，散射后的γ射線能量減少，方向改變。一般來說，物質(zhì)的密度越大，康普頓散射的幾率也越大。根據(jù)核散射理論，精確合理地選擇γ源[9]與探測器[6]之間距離，就可使儀器在所需設(shè)計的量程范圍內(nèi)。遵循放射性輻射與物質(zhì)相互作用的標(biāo)準(zhǔn)吸收公式，則有I＝Ioe-μm·ρ·R……(1)式中μm……物質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)R……放射源至探測器之間的距離ρ……被測材料的密度Io……γ射線散前的強度I……γ射線散后的強度由于大多數(shù)建筑中所含的主要化學(xué)元素μm值都很接近，而Io和R又是人為可以選擇的參數(shù)，因此可利用公式[1]進行密度檢測。根據(jù)實驗，本發(fā)明γ源[9]與γ探測器[6]之間距離的最佳值尺寸為180mm-220mm。
含水量檢測原理本發(fā)明對含水量的檢測是采用241Am-Be作中子源，中子源[8]產(chǎn)生的快速中子射入被測土壤中，與土壤中所含水份中的氫原子發(fā)生碰撞，碰撞后中子失去部分能量而被慢化成熱中子，慢化的熱中子被探測器[7]所接收。若被測材料中含水量越大，則所含氫原子就越多。在單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)化的熱中子數(shù)也越多，相應(yīng)地探測器所收到的熱中子個數(shù)就越多;反之則少，其規(guī)律遵循如下公式N＝A·Mx+B……(2)式中N-為探測器單位時間內(nèi)接收到的熱中子個數(shù);
Mx-被測材料中的含水量;
A·B-為常數(shù)，在儀器標(biāo)定時，利用二元線性回歸法求出;
射線-電信號的轉(zhuǎn)換放射源產(chǎn)生的γ射線和快中子，通過被測材料后，散射過來的γ粒子和熱中子，為非電物理量，必須轉(zhuǎn)換成電量才能被儀器系統(tǒng)所接收。本發(fā)明是通過γ探測器[6]、中子探測器[7]實現(xiàn)射線-電信號的轉(zhuǎn)換。兩種探測器都是由閃爍體加光電倍增管組成的接收-轉(zhuǎn)換器，即閃爍體將核射線中的γ粒子或熱中子接收并線性地轉(zhuǎn)換成光脈沖信號，然后傳遞給光電倍增管將光脈沖再一次線性地轉(zhuǎn)換放大成電脈沖信號。其后再通過放大、甄別、整形后，輸入微機進行定量分析。
被測材料表面溫度的檢測被測材料場地的溫度，是影響檢測系統(tǒng)“能譜飄移”的一個主要因素，因此本發(fā)明設(shè)置有溫度檢測項目。由物理學(xué)可知，紅外線是一種普遍存在的電磁波，在一般情況下，任何物體都會發(fā)射紅外線。根據(jù)熱輻射理論，任何物體的輻射能譜和該物體的絕對溫度及波長有關(guān)。若以W表示單位時間內(nèi)，單位面積上物體在絕對溫度T時的紅外輻射總能量，則有W＝δ·ε∫∞Of(λ·T)dλ＝σ·εT4……(3)式中T-物體的絕對溫度;
ε-物體的表面的比輻射率;
σ-為斯忒藩-波爾曼常數(shù)，其值為5.6697×10-12瓦、厘米2、度-4上式說明，物體的表面溫度越高，表面所輻射的能量就越大。紅外測溫器根據(jù)這一原理，把被測物體表面所輻射的一部分紅外線接收下來，通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到光敏轉(zhuǎn)換材料LiTaO3(鉭酸鋰)上，使之變成電信號，然后放大、輸入微機進行測試。
距離檢測原理在前面已述，本發(fā)明的主特征之一，就是測距機構(gòu)[3]所發(fā)出的電脈沖信號作為其它檢測參數(shù)的控制信號，因此測距機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理就是將探測滾筒[A]的位移量轉(zhuǎn)換成電量。測距機構(gòu)[3]的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由探測滾筒[A]、齒圈[18]與小齒輪[19]嚙合，小齒輪[19]套裝在轉(zhuǎn)速傳感器[4]的轉(zhuǎn)軸上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就確定，傳感器[4]端面與小齒輪[19]徑向平行，并保證滾筒[A]每轉(zhuǎn)動一單位距離，小齒輪[19]有一個齒槽通過，齒槽與傳感器[4]端面間的磁隙即發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器[4]中線圈中的磁通變化并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其電動勢為e＝- (dψ)/(dt) ＝-ω (dψ)/(dt) ……(4)式中e-為感應(yīng)電動勢;
ψ-為磁通鏈;
ω-為線圈匝數(shù);
φ-為磁通。
這一感應(yīng)電動勢，以電脈沖形式出現(xiàn)，它通過電路、計算機處理后，作為其它參數(shù)測定的控制信號來運行的。
深度測定傳感器原理本發(fā)明設(shè)計了測深和淺兩種狀態(tài)，其測量原理和電路處理方式相同，只需通過機械方式將γ源[9]及其附件變動相關(guān)位置即可實現(xiàn)。參見圖3，γ源[9]與測量深度調(diào)節(jié)器機構(gòu)中，設(shè)置提源齒條付[10]、齒條付中的齒條[10A]與齒輪[10B]嚙合，齒輪軸[17]與提源手柄[13]相接，齒條[10A]的一端接γ源[9]、γ源[9]可在屏蔽套[16]中上下移動，鉛墊塊[11]鉸接在心軸[1]上，測量深度選擇手柄[14]與鉛墊塊[11]相連，鉛墊塊[11]可繞心軸[1]擺動。當(dāng)需要測深時，首先將γ源[9]提起，使之離開安全盲孔[15C]，將手柄[14]置于測深位置，這時鉛墊塊[11]擺動一個角度，使測深準(zhǔn)直孔[15A]對準(zhǔn)γ源[9]，轉(zhuǎn)動提源手柄[13]將γ源[9]伸入準(zhǔn)直孔[15A]內(nèi)，即可進測深檢測。同樣操作亦可進行淺層檢測。其傳感原理和信號處理過程同前面所述相同。
時間的傳感原理，它利用鐘[70]石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的高穩(wěn)定性的時基信號，通過分頻器[71]而獲得。
“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”原理在本發(fā)明的探測器中，使用了閃爍體和光電倍增管器件，光電倍增管的放大倍數(shù)及其光譜響應(yīng)，閃爍體的光子產(chǎn)額等因素，決定了探測器的輸出脈沖幅度。而這些因素則隨外界溫度而變化，此外通道電路中的線性放大器的增益，甄別器的閾值電壓以及高壓電源等，也將會隨溫度和時間發(fā)生飄移。這些原因?qū)?dǎo)致儀器測量系統(tǒng)產(chǎn)生誤差。嚴重時致使儀器不能工作。為此，在電路設(shè)計中設(shè)置了“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”，使誤差得以避免，保證儀器的精度。其結(jié)構(gòu)如圖7所示;即在能譜峰位的左右兩側(cè)，各設(shè)置一較窄且相等的微分道[33]及[34]，然后利用計算機隨時監(jiān)視與比較兩分道的計數(shù)率N1和N2的變化，并通過N1/N2比較來判斷峰位飄移的方向和大小。參見圖7，當(dāng)N1/N2＞1時，則能譜左移，且飄移量與N1/N2的大小相對應(yīng);反之，若N1/N2＜1則能譜右移。計算機根據(jù)以上分析結(jié)果，再刷新程控閾值設(shè)定器的內(nèi)容來設(shè)定微分道寬度相等的新道位。上述過程是不斷地進行跟蹤調(diào)節(jié)，從而確保測量的正確進行。
2系統(tǒng)電路總體結(jié)構(gòu)原理2-1系統(tǒng)通道圖8為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖本發(fā)明的框圖設(shè)置四個通道。即由銫137Csγ源[9]、NaI(TL)晶體[37]、光電倍增管[38]、放大器[39]、甄別器(40A1-40A4)，反符合器(41A1-40A3)，f/V轉(zhuǎn)換器(42A1-42A2)組成密度通道;由镅鈹(241/Am-Be)中子源[8]，鋰玻璃[50]，光電倍增管[51]，放大器[52]、甄別器(53B1-53B4)，反符合器(54B1-54B3)，f/V轉(zhuǎn)換器[55B1-55B2)組成含水量通道;由內(nèi)齒圈[18]、小齒輪[19]，轉(zhuǎn)速傳感器[4]、限幅器[56]，放大器[57]，整形器[58]組成測距通道;由光學(xué)系統(tǒng)[62]、光斬波器[63]、鉭酸鋰(LiTaO3)光電轉(zhuǎn)換器[64]、放大器[65]、解調(diào)器[66]、放大器[67]組成測溫通道。在框圖內(nèi)同時設(shè)置由程控閾值設(shè)定器[47]，多路采樣開關(guān)[43]、A/D轉(zhuǎn)換器[44]、微機系統(tǒng)[45]與甄別器[40A1-40A4)、(53B1-53B4)，反符合器(41A1-41A3)、(54B1-B3)，f/V轉(zhuǎn)換器(42A1-42A2)、(55B1-55B2)分別組成密度和水分兩通道的“自適應(yīng)峰位跟蹤器”。
2-2電路系統(tǒng)原理本發(fā)明設(shè)置有動態(tài)測試、靜態(tài)測試，標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)和校驗四種狀態(tài)，通過密度測狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SK1-a)[72]和水分測狀態(tài)開關(guān)(SK1-b)[69]來實現(xiàn)。無論儀器處于何種狀態(tài)均置于微機的監(jiān)督與控制之下。
當(dāng)儀器置于動、靜、標(biāo)三種狀態(tài)時，所有外部傳感信號(密度、含水量、距離、溫度)均進入儀器內(nèi)部，并經(jīng)過放大、甄別、整形，f/V轉(zhuǎn)換等信號調(diào)節(jié)，然后再進入計算機各個模擬輸入口，外部事件計數(shù)器與并行輸入口。此時，一方面，微機通過對外部密度、水分信號的分析與判斷、隨時刷新程控閾值設(shè)定器[47]的內(nèi)容以設(shè)置新的道位。在此時，若微計算機接收到測試人員按下的“開始”命令后，在距離和(或)時間信號的相互控制下，自動完成信號采集，參數(shù)計算、文字表格圖形的處理等全測試與整理過程。此后，則可依據(jù)測試者的指令要求，將儀器測得的數(shù)據(jù)自動編成簡明的表格，或?qū)⑵渑c測試路面距離嚴格對應(yīng)的“溫密度-距離”(“WD-L”)，“含水量-距離”(“M-L”)，“百分比含水量-距離”(“M%-L”)，“壓實率-距離”(“C%-L”)，波形圖打印出來。另外，在整個測試過程中，儀器還可以通過點陣式液晶顯示器隨時向測試者提供測試的當(dāng)前值和距離、序號、溫度以及大量地引導(dǎo)性、提示性文字信息。
為保證檢測的可靠，不受儀器本身故障的影響，本發(fā)明設(shè)有密度與含水量的校正源。當(dāng)儀器處于“校正”狀態(tài)時，它通過各自的標(biāo)定開關(guān)SK2[71]、SK3[70]，給出各種精確的基準(zhǔn)信號，以校正儀器本身，排除因儀器本身隱患而帶來的測量不準(zhǔn)確的影響。
3、本儀器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)測量范圍密度 1120～2740kg/m3含水量 0～640kg/m3(2)測量深度淺層70mm深層150mm含水量(250kg/m3時)150mm(3)測量誤差密度±0.03g/cm3含水量±0.15g/cm權(quán)利要求
1.一種涉及動態(tài)式核子土基密實度，含水量測量儀，用于土建工程中對土基密實度·含水量，被測距離和被測表面溫度的測定，它是在一長筒形空心圓柱體內(nèi)安裝放射源和探測器，系一種非破壞性連續(xù)快速檢測儀器，其特征是本發(fā)明主要由主機、探測滾筒、標(biāo)準(zhǔn)塊、標(biāo)準(zhǔn)塊支撐架，紅外測溫器、電源充電器、手推測量車、壓路機連接架，微計算機及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，它有機載和人工推動行走兩種結(jié)構(gòu)形式，既可作動態(tài)連續(xù)快速檢測，又可作靜態(tài)單點檢測，有動、靜、標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)和校驗四種工作狀態(tài)，主機[D]和探測滾筒[A]為關(guān)鍵部件，采用雙源雙探頭背散式結(jié)構(gòu)，包括銫137Csγ源[9]，碘化鈉NaI(TL)晶體[37]、光電倍增管[38]組成γ源探測器[6]，镅241/鈹中子源[8]，以鋰玻璃[50]、光電倍增管[51]組成的中子探測器[7]，放大器[39]、甄別器[40A1-40A4]、反符合器[41A1-41A3]、f/V轉(zhuǎn)換器[42A1-42A2]組成密度通道，放大器[52]，甄別器[53B1-53B4]反符合器[54B1-54B3]，f/V轉(zhuǎn)換器[55B1-55B2]組成水分通道由測距機構(gòu)[3]中的內(nèi)齒圈[18]，小齒輪[19]，轉(zhuǎn)速傳感器[4]，限幅器[56]、放大器[57]、整形器[58]組成測距通道，由光學(xué)系統(tǒng)[62]、光斬波器[63]、鉬酸鋰[LiTaO
]光電轉(zhuǎn)換器[64]、放大器[65]、解調(diào)器[66]放大器[67]組成測溫通道，由微機[45]、鍵盤[59]、液晶顯示器[46]、多路采樣開關(guān)[43]，A/D轉(zhuǎn)換器[44]、音響電路[61]、打印機[60]、檢測狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)[78]、測溫開關(guān)[77]、測量深度選擇開關(guān)[76]，檢測項目選擇開關(guān)[75]組成微機及輔助設(shè)備系統(tǒng)，微機系統(tǒng)安裝于主機箱內(nèi)、操作、人機對話、性能參數(shù)顯示及打印均在主機上完成，雙源雙探頭則安裝于探測滾筒[A]內(nèi)，探測滾筒[A]為被測土基檢測信息采集裝置，其結(jié)構(gòu)系長筒形空心圓柱體，它由心軸[1]、軸承[2]、測距機構(gòu)[3]、轉(zhuǎn)速傳感器[4]、前置放大電路板[5]、γ源探測器[6]、中子源探測器[7]、中子源[8]、γ源[9]、提源齒條付[10]、鉛墊塊[11]、滾筒體[12]、滾筒端蓋[12A]、[12B]、γ源提升手柄[13]、測量深度控制手柄[14]組成，滾筒端蓋[12A]、[12B]固接在滾筒體[12]的兩端、軸承[2]安裝在端蓋[12A]、[12B]相應(yīng)的軸承孔內(nèi)，心軸[1]支承在軸承[2]上，測距機構(gòu)[3]中的內(nèi)齒圈[18]與端蓋[12A]連接并跟隨其運動，滾筒體[12]內(nèi)除測距機構(gòu)[3]有相對運動，γ源[9]提升機構(gòu)及其附件可按檢測要求，控制測量深度，有上下移動及擺動外，其余構(gòu)件均被機械連接在心軸[1]上，這些構(gòu)件無論滾筒是否運動，構(gòu)件與滾筒間，構(gòu)件與構(gòu)件間，以及滾筒整體與被測材料表面間，它們之間的距離保持恒定，探測滾筒[A]通過導(dǎo)線和接口與主機[D]連接及通訊，本發(fā)明機載形式與壓路機的連接采用機械彈性式，連接架由架座[32]，提升手柄[26]、提升器[27]、提升鏈[28]、四連桿機構(gòu)[30]、鉸點[30a、30b、30c、30d]、彈性鉸[30e]、減震彈簧[30f]、壓路機[C]、探測滾筒[A]組成，探測滾筒[A]通過減震彈簧[30f]和彈性鉸點[30e]和提升機構(gòu)，將其安裝在壓路機[C]前端下方，探測滾筒[A]與被測材料表面接觸，通過平形四邊形連桿機構(gòu)[30]、鉸點[30a、30b、30c、30d、30e]以及提升機構(gòu)，使探測滾筒具有滾動、左右擺動及上下移動三個自由度，同時在非檢測狀態(tài)時，可使檢測滾筒與路面脫離接觸，本發(fā)明的人工推動行走的結(jié)構(gòu)方式，全部構(gòu)件安裝在手推車[G]上，它主要探測滾筒[A]、萬向輪[21]、電池充電器[F]、紅外線測溫器[E]、主機[D]、手推車架[25]組成，探測滾筒[A]不論是機載或人工推動行走，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，在人工推動方式時，它與萬向輪[21]組成行走、轉(zhuǎn)向并進行檢測，滾筒[A]位于測量車[G]的前部，萬向輪[21]位于手推車的后部，電源、充電源[F]安裝在萬向輪[21]的上部、車架[25]由上平行四邊形桿件[25A]、下平行四邊形桿件[25B]、半月形連接板[25C]、方形連接板[25D]組成一個車架[25]，并將探測滾筒[A]、萬向輪[21]連成一個整體，主機[D]裝于推桿[23]上，本發(fā)明在電路設(shè)計中設(shè)置有“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”，它由甄別器[40A1-40A4]、[53B1-53B4]反符合器[41A1-41A3]、[54B1-54B3]，f/V轉(zhuǎn)換器[42A1-42A3]、[55B1-55B2]、程控閾值設(shè)定器[47]、多路采樣開關(guān)[43]，A/D轉(zhuǎn)換器[44]，微機系統(tǒng)[45]及相應(yīng)的軟件組成，來對抗由于溫度變化、外界干擾因素影響測量系統(tǒng)的“能譜飄移”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)式核子土基密實度含水量測量儀，其特征是探測滾筒[A]內(nèi)的測距機構(gòu)[3]、小齒輪[19]固接在轉(zhuǎn)速傳感器[4]的軸上，內(nèi)齒輪[18]同小齒輪[19]嚙合，內(nèi)齒輪[18]與端蓋[12A]連接并跟隨其運動，借助于微機的軟、硬件支持，實現(xiàn)分段定距離控制測量并建立被測距離內(nèi)要求的測量參數(shù)、圖表對應(yīng)關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)式核子土基密實度、含水量測量儀，其特征是被測材料不同深度處的密實度，含水量通過提升齒條付[10]、屏蔽套[16]、鉛墊塊[11]、γ源提升手柄[13]、測量位置選擇手柄[14]來實現(xiàn)，齒條付[10]中的齒條[10A]與γ源[9]相連，穿過心軸[1]，γ源在屏蔽套[16]內(nèi)上下移動，鉛墊塊[11]可繞心軸[1]擺動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求3所述的鉛墊塊[11]，其特征是鉛墊塊[11]為弧段圓環(huán)形，支承在心軸[1]上并可繞軸擺動，它與測量深度選擇手柄[14]相連，在鉛墊塊[11]上設(shè)置有測深、測淺兩個不同高度準(zhǔn)直孔[15A]、[15B]和一個安全盲孔[15C]，三個孔的中心線在同一橫截面內(nèi)，鉛墊塊[11]與屏蔽套[16]、提升齒條付[10]及測量深度選擇手柄[14]協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)不同深度處材料密實度和含水量的測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)式核子土基密實度含水量測量儀，其特征是主機[D]在機載式結(jié)構(gòu)方式時，主機[D]安裝在駕駛室內(nèi)，在手推車結(jié)構(gòu)方式時，主機[D]裝于推桿[23]上，推桿[23]與連接板[25D]鉸接，推桿[23]的高度可以調(diào)節(jié)，調(diào)好后用鎖定銷[24]鎖定，以適應(yīng)操作者不同的身高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)式核子土基密實度、含水量測量儀，其特征是無論機載和手推車結(jié)構(gòu)方式，供給主機[D]的電源均為浮置，電源、充電器[F]聯(lián)為一體，電源具有再生功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)式核子土基密實度、含水量測量儀，其特征是在電路設(shè)計中，設(shè)置有“自適應(yīng)峰位跟蹤調(diào)節(jié)器”，防止和抑制“能譜飄移”，保證主機性能穩(wěn)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)式核子土基密實度、含水量測量儀，其特征是γ源[9]與γ探測器[6]之間的距離最佳值R為180mm-220mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種動態(tài)式核子土基密實度、含水量測量儀。用于土建工程土基密實度、含水量的測量。是一種非破壞性連續(xù)測量儀器。它主要由探測滾筒(A)、主機(D)、測溫器(E)電源(F)等構(gòu)成，有機載和手柄推車式兩種結(jié)構(gòu)形式，兩種形式只是行走和連接方式不同，其它構(gòu)件完全相同。本發(fā)明采用雙源雙探器背散式結(jié)構(gòu)，利用γ射線測量密度，中子射線測量水分，采用微計算機定距離控制測量，既可作動態(tài)連續(xù)測量，也可作單點靜態(tài)測量，對測量結(jié)果可接測試人員要求顯示當(dāng)前值或?qū)y量路段的全部數(shù)據(jù)及對應(yīng)圖表打印。
文檔編號G01N23/00GK1073767SQ91106889
公開日1993年6月30日 申請日期1991年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月25日
發(fā)明者朱懷安, 朱滌塵, 姜玉蘭, 尹苧林, 李建文, 陳建斌, 陽海清 申請人:湖南省交通科學(xué)研究所