专利名称：分析材料的离析度、密度和水分的装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于测量试验材料的密度、离析度(即，非均匀度)和水分含量的材料分析装置和方法。
背景技术：
本发明涉及用于分析材料离析度和密度的材料离析度和密度分析装置和方法。具体地，本发明涉及用于分析沥青的密度和离析度中的至少一个的材料离析度和密度分析装置和方法。
美国96％的铺覆道路和街道(近两百万英里)的表面是沥青。沥青是相对低成本的铺路材料，特别是与诸如混凝土的其他铺路材料相比。使沥青在铺路方面优于混凝土的另一个特点是其弹性。沥青的维护一般也比混凝土的维护要便宜。
沥青铺路材料的特性是非均匀性。要得到用于铺路的非离析的和完全均匀的沥青混合物非常困难。此外，很难在基本均匀的铺路层之中应用该沥青混合物。因此，需要通过测量材料变化和/或离析度来确定该铺路材料的特性。在铺路材料的表面经常可以看见这些变化或离析，然而，量化铺路材料离析量是一个非常主观和困难的过程。铺路材料离析度代表铺路材料的密度。
可以将离析度定义为热混沥青混合物中粗集料颗粒和细集料颗粒的分离。另选地，将离析描述为较大的集料沥青颗粒的分离和固结，该较大的集料沥青颗粒会脱离沥青块并上浮到混合物的表面。在铺于公路上之前在混合材料中可能会发生离析，或者在将其铺于道路表面上时它可能会出现离析。研究表明，由于离析会增加混合物的含气量，从而增加了受影响的路面的水分损坏、剥落、开裂和整体碎裂的可能，所以离析对沥青铺覆路面的长期性能有直接的影响。因此，需要确定铺路材料的离析度。
在铺覆特定的公路时，要在沥青混合装置中例行检查要使用的沥青混合物的混合特性。该检查试图验证沥青混合物的完整性和均匀性，从而控制沥青混合物被施加和碾压时的最终密度。沥青混合物的检查与施加时的所得的铺路材料密度和离析度相关。因此，用于控制的铺路材料样品可以用于可能用到的密度装置校准或者作为铺路材料密度指示装置的参照。
沥青铺路机处于沥青混合物层上来碾压公路时，沥青的质量将与新公路的寿命相关。该寿命影响因素包括(但不限于)碾压在路面上时沥青混合物的密度，以及沥青混合物的均匀性和离析度。尽管在沥青装置中液体沥青混合物和石料的离析度可能是理想的，但是也不能保证施加于路面的混合物质量。均匀性的缺乏可以被描述为离析。
通常铺路机所铺设的铺路材料(铺覆路)大约在其需要的密实度的75％。在之后的压实过程中(例如通过碾压)，非常需要将铺路材料压实到接近最终需要的铺路密实度，而不改变离析度。铺覆路密实度应接近需要的密实度以避免材料变化，这些材料变化例如是(但不限于)气孔，这些材料变化被认为会在最终铺覆结构中产生缺陷。
不使用复杂的测量方法很难确定铺路密实度的水平。这些复杂的铺路材料测量方法可能不精确。过去，这些复杂的铺路材料测量方法一般包括，钻取经碾压的铺覆路的一部分(此后也称为“提取”)然后在实验室中测量其密度。该过程在铺覆路中形成了一个孔，这当然是不希望的。由于破坏了铺覆路的完整性，不希望有这个孔。
为了解决这些与沥青相关的问题，已经提出和开发了各种复杂的沥青铺路材料测量系统和装置。例如，但决非是对本发明的限制，已经提出测量铺路材料的介电性质来确定铺路材料的密度，用铺路材料的密度作为铺路材料密实度水平的指标。
授予Blackwell的美国专利No.3,784,905中公开了这种公知的铺路材料密度指示装置。Blackwell装置可以测量所施加的和经碾压的沥青的介电性质，其中介电性质被认为是代表了铺路材料或沥青密度的变化。Blackwell装置可以在低频下使用，其操作可能会受水分和温度变化的影响，因此会导致误差。尽管Blackwell在某些情况中可以是足够用了，但是必须在所测试的材料上极其缓慢地移动Blackwell装置，以获取密度的读数。因此，Blackwell装置可能需要较长的操作时间以确定密度，如上所述这是不希望的。而且，Blackwell装置非常重，这需要大的支撑物来支撑和运输Blackwell装置。可能需要托拽这个大的支撑物穿过所施加的铺路材料表面，因此可能会引起通常是刚刚铺设的路面的损伤。
Blackwell装置另一个可能的缺点是测量中其受限制的深度可调性。该受限制的深度可调性是由于只能通过改变Blackwell电极的高度来改变测量的深度。由于限制了测量中的深度可调性，因此这种电极结构是不理想的。
另一公知的铺路材料指示装置包括放射源(nuclear source)，用于确定铺路材料的密度。该放射源装置具有各种缺点。放射源装置中的一些缺点包括放射源装置需要持执照的操作人员、控制设备、和放射防护(例如铅防护罩)。当然，这些放射源装置的缺点会导致放射源装置成本增加，使用成本增加，以及放射性材料所固有的危险。此外，放射源装置对铺路材料的面积和深度是不可调的，其移动需要很长的时间，并且移动起来非常重而且困难。而且，放射源装置也非常昂贵，这至少部分地是由于放射源装置的放射材料。此外，这些放射性密度装置需要经常地与芯密度(core density)进行相互关联，该芯密度取自与所测试的放射性标准件相同的位置。应对每个可能使用的混合物进行该关联。这些步骤当然是耗时的和耗钱的，因此使得这些放射装置的使用不够理想。
转让给TransTech Systems的美国专利No.5,900,736中阐述了另一传统铺路材料密度指示装置。TransTechSystem铺路材料密度指示装置是非放射性的沥青密度测量装置。TransTech System铺路材料密度指示装置是基于电场或电容的。
最近，在铺路技术中现在的发展允许使用比过去所用的铺路层薄的层来铺路。例如对于测试芯，较薄的铺路材料减少了可以钻取自经碾压的路面的铺路材料的量(之后描述)。因此，需要可靠的、方便的铺路材料密度、密实度和离析度的确定装置，其中该装置提供需要的结果，其中铺覆路的上表面不会受到分析材料密度和离析度的装置和方法的操作的不利影响，特别是如果在采用厚或薄的铺层的铺路材料上使用。
而且，铺路材料的施加可随道路底层基础结构的不同而不同，从而导致铺路材料深度、面积、形状和体积的不同。当然，需要确定该铺路材料的密度、密实度和离析度。因此需要提供铺路材料密度、密实度和离析度确定装置，其能够测量不同深度、面积、形状和体积的铺路材料密度。
而且，用于测量铺路材料密度、密实度和离析度的传统装置的操作经常很慢并且需要复杂的操作来实现适当的装置功能。缺乏速度经常不利于铺路材料密度和密实度的确定。因此对密度、密实度和离析度的测量通常是乏味冗长的过程，减慢了最终的铺路材料施加操作。因而，需要提供一种沥青铺路材料密度分析仪或者方便的铺路材料密度、密实度和离析度确定装置，用于以比现有装置更快速、更方便的过程确定铺路材料密度。
传统铺路材料密度指示装置的另一可能缺点是不能适应各种结构，例如形状和面积。传统装置经常不允许移动或者替换感测区域，不能配置成使得铺路材料密度指示装置能够方便地移动来确定密度和密实度。因此，需要一种铺路材料密度指示装置，其能够确定特定结构的铺路材料的铺路材料密度。
发明内容
本发明意在一种分析材料密度和离析度的装置。所述的材料分析装置包括包括基本绝缘的材料外壳的分析仪本体；包括发送装置、接收装置和控制装置的材料分析电路；包括发送天线、接收天线和接地层的天线系统；把天线系统连接到材料分析电路的连接结构。所述的材料分析电路的发送装置产生VHF电磁波信号，该VHF电磁波信号适于由所述的发送天线发送并被导入要分析的材料。所述的接收天线接收从材料返回的任何信号，并将其发送给所述的接收装置和控制装置。然后，所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性。
而且，本发明阐明了一种材料分析装置。所述的材料分析装置包括包括基本绝缘的材料外壳的分析仪本体；包括发送装置、接收装置和控制装置的材料分析电路；包括发送天线、接收天线和接地层的天线系统；把天线系统连接到材料分析电路的连接结构。所述的材料分析电路的发送装置产生VHF电磁波信号，该VHF电磁波信号适于由所述的发送天线发送并被导入要分析的材料。所述的接收天线接收从材料返回的任何信号，并将其发送给所述的接收装置和控制装置。然后，所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性。所述的材料特性包括密度和材料离析度中的至少一种。
本发明意在一种分析材料密度和离析度的装置。所述的材料分析装置包括包括基本绝缘的材料外壳的分析仪主体；包括发送装置、接收装置和控制装置的材料分析电路；包括发送天线、接收天线和接地层的天线系统；把天线系统连接到材料分析电路的连接结构。所述的材料分析电路的发送装置产生VHF电磁波信号，该VHF电磁波信号适于由所述的发送天线发送并被导入要分析的材料。所述的接收天线接收从材料返回的任何信号，并将其发送给所述的接收装置和控制装置。然后，所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性。材料密度可以与返回的信号线性相关。依据D＝m×V+b，所述的控制装置确定密度D基本等于所测量的返回电压V乘以恒定的斜率m，加上偏量b。
本发明意在一种分析材料密度和离析度的装置。所述的材料分析装置包括包括基本绝缘的材料外壳的分析仪外壳；包括发送装置、接收装置和控制装置的材料分析电路；包括发送天线、接收天线和接地层的天线系统；把天线系统连接到材料分析电路的连接结构。所述的材料分析电路的发送装置产生VHF电磁波信号，该VHF电磁波信号适于由所述的发送天线发送并被导入要分析的材料。所述的接收天线接收从材料返回的任何信号，并将其发送给所述的接收装置和控制装置。然后，所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性。所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性，即材料离析度
SL=ks1s2ρ/s]]>其中，k是常数，ρ为铺路材料密度，s为移过表面的距离。
本发明的另一方面提供了一种分析材料的方法。该方法包括提供分析仪本体，所述的分析仪本体包括基本绝缘的材料外壳；提供材料分析电路，所述的材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置；提供天线系统，所述的天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；把天线系统连接到材料分析电路；产生VHF电磁波信号；由所述的发送天线发送所述的VHF电磁波信号；导入要分析的信号；接收从材料返回的任何信号；将所述的返回信号发送给所述的接收装置和控制装置；然后分析所述的信号，得到材料特性。
一种用于测量材料离析度的材料分析装置。所述的装置包括分析仪本体，其包括基本绝缘的材料外壳；材料分析电路，其包括发送装置、接收装置和控制装置；天线系统，其包括发送天线、接收天线和接地层；把天线系统连接到材料分析电路的连接结构。所述的材料分析电路的发送装置产生VHF电磁波信号，所述的VHF电磁波信号适于由所述的发送天线发送并被导入要分析的材料，所述的接收天线接收从材料返回的任何信号并将其发送给所述的接收装置和控制装置，然后所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性，材料离析度(Seg或离析度水平)由下式确定Seg＝常数×SD+偏量，其中SD为测量的标准偏差。
本发明的另一方面提供了一种分析材料的方法。该方法包括提供分析仪本体，所述的分析仪本体包括基本绝缘的材料外壳；提供材料分析电路，所述的材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置；提供天线系统，所述的天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；把天线系统连接到材料分析电路；产生VHF电磁波信号；由所述的发送天线发送所述的VHF电磁波信号；导入要分析的信号；接收从材料返回的任何信号；将所述的返回信号发送给所述的接收装置和控制装置；然后分析所述的信号，得到材料特性。用于得到材料离析特性的分析所述的信号的步骤由下式确定
SL=Ks1s2ρ/s]]>其中，k是常数，ρ为铺路材料密度，s为移过表面的距离。
本发明的另一方面提供了一种分析材料的方法。本方法包括提供分析仪本体，所述的分析仪本体包括基本绝缘的材料外壳；提供材料分析电路，所述的材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置；提供天线系统，所述的天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；把天线系统连接到材料分析电路；产生VHF电磁波信号；由所述的发送天线发送所述的VHF电磁波信号；导入要分析的信号；接收从材料返回的任何信号；将所述的返回信号发送给所述的接收装置和控制装置；然后分析所述的信号，得到材料特性。材料密度与返回的信号线性相关，确定的密度D基本等于所测量的返回电压V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b本发明的另一方面提供了一种材料分析装置，用于测量材料离析度。所述的装置包括分析仪本体，其包括基本绝缘的材料外壳；材料分析电路，包括发送装置、接收装置和控制装置；天线系统，包括发送天线、接收天线和接地层；把天线系统连接到材料分析电路的连接结构。所述的材料分析电路的发送装置产生VHF电磁波信号。所述的VHF电磁波信号适于由所述的发送天线发送，并被导入要分析的材料。所述的接收天线接收从材料返回的任何信号并将所接收的信号发送给所述的接收装置和控制装置。然后，所述的控制装置可以分析所述的信号，得到材料的特性。材料离析度(Seg)由下式确定Seg＝常数×SD+偏量，其中SD为测量的标准偏差。
本发明的另一方面提出了一种测量材料离析度的方法。该方法包括提供包括基本绝缘的材料外壳的分析仪本体；提供包括发送装置、接收装置和控制装置的材料分析电路；提供包括发送天线、接收天线和接地层的天线系统；把天线系统连接到材料分析电路；产生VHF电磁波信号；由所述的发送天线发送所述的VHF电磁波信号；导入要分析的信号，接收从材料返回的任何信号，将所述的返回信号发送给所述的接收装置和控制装置，然后分析所述的信号，得到材料特性。由下式确定材料离析度(Seg)Seg＝常数×SD+偏量，其中SD为测量的标准偏差。
图1是本发明具体示例的材料离析度和密度分析装置的示意图；图2是用于本发明具体示例的材料离析度和密度分析装置的电路的示意图；图3是用于本发明具体示例的材料离析度和密度分析装置的天线的示意图；图4是非平均密度与铺路材料位置的关系曲线图；图5是非平均密度与铺路材料位置的第二个关系曲线图；图6是用于本发明具体示例的材料特性分析装置的天线的示意图；图7是用于本发明具体示例的水分含量分析装置的电路的示意图。
具体实施例方式
本发明包括材料离析度和密度分析装置和方法(此后称“材料分析装置”)，用于分析材料的密度和离析度。例如，本发明包括材料分析装置，用于测量和确定沥青的密度、密实度和离析度中的至少一个。所述的沥青可以是新近施加的沥青。
如本发明具体所述的材料分析装置包括便携式材料分析装置。在文中所用的术语“便携式”指在如下所述的操作中，所述的材料分析装置可以由材料分析装置的标准操作人员方便地移动。
如本发明具体所述的材料分析装置可以由材料分析装置的使用者来支持。例如，而决非是对本发明的限制，所述的材料分析装置作为手持材料分析装置。如本发明具体所述的材料分析装置可以放置在新铺的公路上的目标测试位置上，以测量沥青的密度。可以用任何适当的单位来进行测量，例如但不限于，每立方英尺的磅数。
如本发明具体所述的材料分析装置1(图1)相对较轻(例如大约3/4到1磅)，主体和基座(也称为“脚座”)的周边尺寸为大约5英寸×大约5英寸。这些外形和重量仅仅是如本发明具体所述的材料分析装置的尺寸、形状和重量的示例，而不是试图以任何方式限制本发明。所述的材料分析装置可以由任何结构和重量组成，只要能够保持所述材料分析装置的功能和操作就行。
如本发明具体所述的材料分析装置1包括“相对”读数装置。在本文中所用的术语“相对读数装置”指所述的材料分析装置应被校准到已知密度的材料。所述的材料分析装置的校准或参照的执行通常先于在铺覆位置的使用。
所述材料分析装置1是便携单元，用于密度和离析度测量。(在以下的说明中，如本发明具体所述的材料分析装置是指密度和离析度之一的测量装置或这两者的测量装置，并且一个的使用间接地表示了另一个的使用)。所述装置依靠穿透沥青层的技术来进行密度测量。然而，离析度测量与简单的密度测量的不同在于，离析度水平是通过所述装置自动地根据多个密度测量值计算得到的，为使用者给出密度以及离析度水平数。而且，如本发明具体所述的材料分析装置使用被导入铺路材料的VHF电磁波信号，其中高频可以包括但不限于VHF信号。这种VHF电磁波信号只是在本发明的范围内给出信号的示例，而不是试图以任何方式限制本发明。以下叙述指VHF电磁波频率。
如本发明具体所述的材料分析装置如图1-3所示。图1中所述的材料分析装置1包括分析仪本体10和把手12。如本文所述，使用把手12来移动和操纵材料分析装置1，用于铺路材料分析。把手12至少有一部分是非导电或绝缘的。例如，而决非对本发明的限制，把手12的第一部分(例如把手的前12英寸)包括绝缘材料，剩下部分可以由任何材料制成。上述仅仅是示例，本发明的范围包括把手的任何其他结构和配置。分析仪本体10包括上述的配置。
分析仪本体10包括基本绝缘的材料外壳14，其中放置了后文将描述的材料分析装置1的电路50。分析仪本体10包括由非金属材料制成的基座或底座表面16。分析仪本体10的底座表面16由非金属材料制成，以防止干扰并屏蔽材料分析装置1的电路50。
材料分析装置1的分析仪本体10的上表面18包括至少一个显示器51，其与材料分析装置1的电路50相连。所述至少一个显示器51用于为材料分析装置1的操作人员或使用者提供材料分析装置1的实时的或者接近实时的分析指示。所述至少一个显示器51还可以提供由材料分析装置1确定的沥青密度、密实度和离析度中的至少一个的指示。使用显示器51来提供材料分析装置1的结果的方法可以作为给材料分析装置1的使用者或操作人员提供结果的唯一方法；另选地，使用显示器51来给出材料分析装置1的结果的方法可以与通信链路结构结合在一起提供，后文将详细介绍。
如本发明具体所述的材料分析装置1可以包括第二数据发送装置，来发送材料分析装置1产生的信号。由材料分析装置1产生和发送的信号可以例如通过调制解调器或者无线调制解调器由任何适当的接收装置接收，例如但不限于计算机。这些仅仅是示例，而不是试图以任何方式限制本发明。所述的接收装置可以位于非常接近被材料分析装置1所分析的铺路材料的位置。如果材料分析装置1的发送系统(未示出)能源充足，所述接收装置不需要位于非常接近被材料分析装置1所分析的铺路材料的位置。不管所述的接收装置与材料分析装置1所分析的铺路材料的位置怎样，材料分析装置1都可以向一个远离材料分析装置1的接收装置发送由材料分析装置1产生的信号。
材料分析装置1的绝缘把手12包括使材料分析装置1的使用者或者操作人员在使用时可以方便地移动材料分析装置1的结构。可以使用绝缘把手12来移动材料分析装置1，用于在操作中确定密度、密实度和离析度中的至少一个。绝缘把手12可包括致动器120，其在绝缘把手12上的可以由材料分析装置1的操作人员或者使用者方便地触及的位置处。
可以使用致动器120来操作材料分析装置1的电路50，使得可以确定铺路材料的密度、密实度和离析度中的至少一个。致动器120可以操作电路50，电路50用于如本文所述的材料分析装置1的校准或者参照，并根据如本发明具体所述的材料分析装置1的操作来发送代表铺路材料的密度、密实度和离析度中的至少一个的信号。
如本发明具体所述的材料分析装置1包括用于确定铺路材料密度、密实度和离析度中的至少一个的电路50。材料分析装置1的电路50放置在材料分析装置1的基本绝缘的材料外壳14中。电路50可以以简单连续波的形式发送信号，例如但决非用于限制本发明，简单连续波形式的信号频率为大约50MHz。
如本发明具体所述的材料分析装置1可以包括底座(bottom member)(为了简化说明的目的未示出)。所述底座包括保护材料分析装置1的底部结构的结构。所述底座防止材料分析装置1在使用中磨损，例如，在如本发明具体所述的材料分析装置1的操作中在铺路材料上移动材料分析装置1时的磨损。所述底座可以包括任何非导电的和非干扰的材料，例如但不限于橡胶、合成材料(LEXAN)和其他类似材料。所述底座可以包括柔性部件，该柔性部件连接到材料分析装置1的分析仪本体10上，例如通过VELCRO或者其他类似连接部件来连接。所述底座应足够薄，使得不会干扰信号的产生和返回。例如但决非对本发明的限制，底座可以为大约10mil(密耳)厚。
图2所示为电路50的细节。电路50包括发送装置52和接收装置54。由电路50产生的大约50MHz的简单连续波可以由发送装置52产生，例如但不限于微功率发送装置52和接收装置54。接收装置54可以配有调谐二极管检波器。发送装置52和接收装置54可以都安装在材料分析装置1的分析仪本体10中。
如本发明具体所述的材料分析装置1的电路50还包括天线系统60。将天线系统60放置在材料分析装置1上，并且在材料分析装置1的操作过程中一般要接触到铺路材料5(图3)。天线系统60包括与发送装置52相连的发送天线62。天线系统60还包括与接收装置54相连的接收天线64。
发送天线62和发送装置52的连接以及接收天线64和接收装置54的连接可以用任何适当的方式进行，例如所示的连接结构65。发送天线62和发送装置52之间以及接收天线64和接收装置54之间的连接结构65可以包括所示的直接硬线配线。用于连接发送天线62和发送装置52以及连接接收天线64和接收装置54的连接结构65配线还可以包括各种电子组件，例如电容和电感(如图所示)。所示的结构和这里所述的内容仅仅是对本发明具体所述的材料分析装置1的示意，而非试图限制本发明。本发明的其他特点也在本发明的范围之内。
如本发明具体所述的材料分析装置1中的电路50的天线系统60(图1)可以发送射频、电磁波(E×H)，其中E是电场而H是磁场。此外，待测材料的绝缘性(介电性)和磁导率会分别影响电场和磁场分量的传播。将射频、电磁波(本文用作“信号”)从发送天线62发送到铺路材料5中。当信号从铺路材料5中返回时，接收天线64可以获取或者接收信号。
天线系统60包括发送天线62和接收天线64。发送天线62和接收天线64形成了双导体传输线(2-conductor transmission line)。双导体传输线被弯成Z字形(两个平行段和连接两个平行段相对端的一个斜段)，然而，所述的双导体传输线的描述只是示例性的，可以形成许多其他结构的如本发明具体所述的双导体传输线。该描述并非试图以任何方式限制本发明。
材料分析装置1在天线系统60和铺路材料5之间保持接触。接触量可以被认为是铺路材料5和材料分析装置1的天线系统60(包括基座或者底座表面16中部的覆盖范围)之间接触的最大表面积。
注意，基座或者底座表面16上的天线系统的结构，意在使天线系统60的双导体传输线部分平铺在铺路材料5上。将发送天线62和接收天线64彼此基本平行地放置。由发送天线62产生并由接收天线64接收的信号的强度正比于铺路材料密度。
如本发明具体所述的天线系统60还包括接地层68。在发送天线62和接收天线64之间基本平行地放置接地层68。接地层68在Z字形的“中间”，其中发送天线62和接收天线64形成Z字形的外侧，以夹住它们中间的接地层68。
如图1所示，接地层68还位于材料分析装置1的本体14的基座或者底层表面16上。接地层68从基层或者底层表面16延伸第一距离，而发送天线62和接收天线64从基层或者底层表面16延伸第二距离。第一距离大于第二距离，因此接地层68比发送天线62和接收天线64从基座或者底层表面16延伸得更远。因此，进出铺路材料5的信号(电场和磁场分量两者)倾向于铺路材料5的更深部分。这些信号较少受路面附近的铺路材料5的不利影响。因此，这种结构使得返回的信号不易受铺路材料的表面性能、特性和结构的影响。例如但决非对本发明的限制，接地层68可以比发送天线62和接收天线64更接近铺路材料5，其程度可以达到大约0.030”。该朝向和结构会使铺路材料的前大约0.125”没有向材料分析装置1发送信号。这一忽略效果是期望的，因为由于铺覆操作引起的表面不规则和不想要的表面水分会影响密度的读数。
材料分析装置1包括相对读数装置，其将在后文描述。铺路业已对取自公路的直径为6英寸的测试芯(test core)进行了标准化。此外，该芯可以在实验室中从铺路材料混合物中制作，以确定特定混合物的最大理论密度。使用该芯来给出铺路材料的密度、密实度和离析度中的至少一个的标准化读数。例如，铺路时，在沥青装置中每天检查沥青混合物，该检查可能是合同的要求。因此，可以获得这些芯或者试样的密度(和密实度和离析度)，用于材料分析装置1的校准。如本发明具体所述的材料分析装置1在尺寸上是足够小的，可以校准工业标准6英寸直径的测试芯。而以前的装置被认为不够小，不能校准工业标准6英寸直径的测试芯。
如本发明具体所述的材料分析装置1还有参照特性，使得使用者或者操作人员在每次现场测量前可以根据参照标准来校准材料分析装置1。电路50中包括该校准或者参照特性，而且可以通过上述的绝缘把手的致动器120来控制该特性。如本发明具体所述的，该参照特性使得材料分析装置1的参照速度更快、再现性更高。
将参照图2进一步描述如上所述的参照特性。在图2中，发送装置52例如通过连接结构65上的非谐振LC与天线系统60相连。连接结构65可以包括调谐连接结构，用于实现材料分析装置1的接收功能。检波器54可以包括单个二极管检波器，用于将信号转换成直流电(DC)。
在参照特性的操作中，将信号转换成直流电，并与内部参照信号相比较。所述的内部参照信号可以存储在材料分析装置1中的存储器或者控制装置中。或者，所述的内部参照信号可以存储在远程存储器中，例如但不限于，安装在材料分析装置1可以与之通信的计算机中的存储器中。
可以由至少两种方法进行如本发明具体所述的材料分析装置的校准(与上述参照明显不同)。如本发明具体所述的第一校准方法包括使用如本发明具体所述的材料分析装置提取公路数据，并且另外从铺路材料上取芯。接下来，在实验室中分析所述的芯，得到密度、密实度和离析度中的至少一个。因此，可以设置如本发明具体所述的材料分析装置的规格，以根据所述芯的数据准确地读出。
第二校准方法包括使用如本发明具体所述的材料分析装置来评估和分析在实验室中制备的测试芯，其中使用沥青的振动成型从较早的沥青混合物中制备所述的芯，所用的沥青混合物可以取样自沥青装置。将如本发明具体所述的材料分析装置直接放置在实验室芯上。因此，可以使用材料分析装置来快速或者近似实时地校准到作为铺路材料铺覆的沥青混合物。几个运输部(DOT)和联邦运输部已经指出，该方法用于校准的目的是理想的。
本领域的技术人员应该意识到，还可以使用各种独立的专用电路或者可编程的集成电路或者其他电子电路或设备来实现控制装置70，例如硬线连接的电子电路或逻辑电路，包括离散元电路或者可编程的逻辑器件，如PLD、PAL、PLA或类似器件。使用适当的可编程通用计算机也可以实现控制装置70，例如独自或与一个或者多个外围数据和信号处理装置联合的微处理器或者微控制元件，或者其他处理器装置，如CPU或MPU。通常，可以使用任何装置或类似装置作为控制装置，只要在该装置上有限状态机可以实现申请中所述的流程图。如图所示，分布式处理架构对于最大的数据/信号处理能力和速度来说是优选的。
在操作中，可以使用如本发明具体所述的材料分析装置1来进行铺路材料离析度的测量。通过将材料分析装置1放置在铺路材料表面上，启动材料分析装置1的电路50，发送和接收信号，分析信号并给操作人员显示铺路材料离析度的测量值，可以实现使用材料分析装置1的对铺路材料离析度的测量。
如本发明具体所述的，材料分析装置1的密度测量功能可以包括使用材料分析装置1进行至少一次铺路材料密度测量。为了使用材料分析装置1来确定铺路材料的代表性(cross-sectional)分析，可以进行多次铺路材料密度的测试并求平均值。求平均值是需要的，因为无论施加时多么仔细，铺路材料都是非均匀的。
通常要进行移动来进行测量，例如通过将材料分析装置1相对于铺路材料进行旋转或者来回移动。测量的次数例如在从大约4次密度测量到大约8次密度测量的范围内变动。对于一个给定位置的密度测量的标准偏差直接与铺路材料中的材料离析度相关。
出于示例的目的而非试图限制本发明，在预计有较高离析度的铺路材料中，铺路材料区的标准偏差将会高，例如但不限于，超过约3.0。对于低离析度铺路材料或者均匀的铺路材料区，具有相对较低的标准偏差，大约1.0。这样的标准偏差是因为一组密度值都很接近。如本发明具体所述的材料分析装置1的显示器指示出离析度，该离析度由被测试的一组铺路材料的密度标准偏差得出。
现在将描述如本发明具体所述的材料分析装置1的操作。该操作将描述如本发明具体所述的材料离析度和密度分析装置和方法的操作，以分析材料的密度和离析度。具体地，该操作将描述如本发明具体所述的材料离析度和密度分析装置和方法的操作，以分析铺路材料的密度和离析度。本发明的操作的以下描述仅仅是试图描述本发明的示例性操作，而非试图以任何方式限制本发明。很明显，其他操作也在本发明的范围内。
在确定铺路材料的离析度水平的操作中，如本发明具体所述的材料分析装置1通过材料分析装置1的控制装置70对产生的铺路材料密度信号进行分析。离析度正比于密度值的标准偏差。因此，离析度水平＝k×密度标准偏差其中，k为常数。
如本发明具体所述的，材料分析装置1的使用和操作的示例包括在多个测试位置进行多次密度测量。然后，可以使用具有数学功能的电子数据表软件程序(如EXCEL)计算标准偏差。在第一步中，在2个独立的位置进行多次密度测量。位置1具有较高的可见离析度，而位置2具有较低的可见离析度。通过绕圆形外围几何形状旋转如本发明具体所述的材料分析装置1，进行多次测量。图4所示的曲线图显示了从这样的操作中获取的数据。从图中明显可见，高离析度位置的标准偏差为大约2.2，或者是大约0.86的低离析度位置标准偏差的大约2.6倍。
接下来，取铺路材料的剖面，宽度稍微超过15英尺。如本发明具体所述的材料分析装置1以1英尺的增量记录多个密度值。对于每组测量的密度，计算标准偏差和平均密度，并绘制在图5中。该图所示左边的纵坐标为离析度水平，右边的纵坐标为密度。
现在将进一步描述使用如本发明具体所述的材料分析装置1的材料分析装置测量系统和相关操作。使用材料分析装置1的测量系统和相关操作包括至少2个(在其他实施例中包括至少4个)材料分析装置1单元。可以将材料分析装置1安排成合适的结构。可以将该结构放置在未知离析度的铺路材料区上。进行多次测量，例如但不限于4次密度测量。这些测量可以同时进行。使用这些测量结果来确定密度的标准偏差和平均值中的至少一个。
通过如本发明具体所述的材料分析装置1的电路50的控制装置70，可以计算得到确定值。利用这些确定值，通过控制装置70可以计算密度标准偏差，并且可以在绝缘材料外壳14的显示器51上显示密度标准偏差。如上所述的该组材料分析装置1中的每一材料分析装置1都可以从一铺路材料位置迅速移动到另一铺路材料位置。该移动可以同时提供离析度和平均密度的读出。通过该方法，各独立的材料分析装置1单元就相当于手工旋转单个材料分析装置1单元来检查铺路材料的不同体积段。
确定多个密度值来计算铺路材料离析度。例如但不限于由操作人员的至少一只手或者其他简单的机械装置来移动材料分析装置1。移动可以是转动的或者纵向的。使用该方法，随着材料分析装置1的移动，所产生的信号可以包括密度水平加上密度变化量(DC+AC)。首先，所产生的信号是被耦合的AC，用来给出密度变化量，然后所产生的信号为经校正和过滤的全波，从而得到DC水平。DC水平正比于密度变化量。
如本发明具体所述的，材料分析装置1的模拟处理可以产生正比于离析度的信号。所产生的正比于离析度的信号将显示给使用者。与致动器相连的拨动开关使得使用者或者操作人员可以在离析度和密度模式之间切换。
与一些已有技术的公知设备不同，如本发明具体所述的材料分析装置1不会受到水分和温度的不利影响。材料分析装置1及其操作不会受到不利影响是因为材料分析装置1产生的信号频率非常高，或者是VHF电磁波。示例性频率为大约50MHz。在这种频率下，如本发明具体所述的材料分析装置1产生的信号或者场实际上是电磁场。材料分析装置1发送信号进入天线系统60的一侧，同时天线系统60的另一侧接收被接收/返回的信号。接收装置检测所接收的信号，接收装置的输出是直流电信号，该信号正比于沥青密度。
而且，Z字形的天线系统60具有均匀的结构。由于这种结构，天线系统60在其中部没有死区。现有技术中的分析装置圆形阵列所表现出来的死区会忽略重要的铺路材料区。由上述的和如本发明具体所述的材料分析装置1产生的电磁场遵循麦克斯韦(Maxwell)和Poynting方程，其中传递波同时受介质的绝缘性(介电性)和磁导率的影响。
例如，通过产生VHF电磁波场，如本发明具体所述的材料分析装置1可以确定材料(例如但不限于铺路材料)的密度。所述的场穿过材料以测量其密度。密度与作为电压测量所测得的返回/被返回的信号线性相关。密度D可以被确定为等于所测的电压V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b如上所述，水分和温度不会影响材料分析装置1。
如本发明具体所述的材料分析装置1产生VHF电磁波能量，该VHF电磁波能量能够测量测试表面(特别是沥青道路)的材料离析度。离析度的测量方法为，在一个测试位置进行大约7次或更多次密度测量，然后使用统计标准偏差(SD)来确定材料离析度水平(离析度水平，Seg)。因此，离析度水平等于一个常数乘以标准偏差加上某个偏量，如下所示SL＝常数×SD+偏量而且，如本发明具体所述的材料分析装置1产生VHF电磁波能量，能够测量材料的材料离析度，例如但不限于铺路材料和沥青。如本发明具体所述的另外的离析度测量方法可以确定离析度水平(SL)(也被称为材料离析度)，如下所示SL=ks1s2ρ/s]]>其中k是常数，ρ是铺路材料密度，s是为移过表面的距离。换句话说，SL等于常数乘以距离s1和s2之间的每一距离变化的密度变化的绝对值的平均值。通过移动如本发明具体所述的材料分析装置1来实现上述方程。移动的方式可以是旋转或者直线运动中的至少一个。在该方法中，随着单元移动，获得的信号是密度水平加上密度变化量(DC+AC)。
首先，信号是被耦合的AC，仅可得到密度变化量，然后信号为经校正和过滤的全波，从而得到DC水平，其正比于密度变化量。这种可以为模拟方式的处理将产生正比于离析度的信号。用材料分析装置1向使用者显示该数值。
通过跨铺路材料区快速测量空间密度的微小变化量，如本发明具体所述的材料分析装置1还可以计算离析度水平。以实时的或者近似实时的数值向操作人员报告信号。
图6为用于如本发明具体所述的材料特性分析装置的天线的示意图。图6包括图2中标注的3-3横截面。图6还显示分析仪本体10的底座表面16(见图1)。图6还显示可移动的底座200，其位于底座表面16和被分析表面202之间。两面都有结构性绝缘材料201的接地层68形成了层71。层71之上的层72包括发送天线62、绝缘层201和接收天线64。层72之上的层为连续绝缘层203。导电结构顶层部件204位于连续绝缘层203之上，并且也与地电连接。注意，图6是部分示出的分解图，因此所示的下列层之间的间隙只是为了清楚的说明而在本发明的装置中并不出现铺路材料5和可移动的底座部件200之间，层72和绝缘层203之间，以及绝缘层203和结构顶层部件204之间。
图7为用于如本发明具体所述的水分含量分析装置的电路的示意图。图7类似于如前所述的图2，主要区别是图7示出了用于确定水分含量的相位模块，和用于显示如此确定的水分含量的水分显示器221。
本发明总体上测量待测试的表面的材料性质。测量的该材料性质之一为材料水分含量。如图7所示，来自发送天线62的发送信号穿过要测量的材料，然后由接收天线64接收。可能是由于外界水分引起的材料中的水分将会影响发射信号和接收信号之间的相位。干燥的绝缘体具有相对低的相位偏移(例如，2度的量级)。潮湿的绝缘体将显示明显大于2度的相位偏移，对于高湿度可能高达20度。因此，通过将来自发送装置52的参照信号与来自接收装置54的测得的接收信号进行比较，感测和计算接收信号的相位，然后将最终的相位差转换为相对水分含量。通过相位模块220来确定相位差，然后通过确定的相位偏移来计算待测材料的水分含量。计算得到的水分含量可以显示在水分显示器221上。应用本发明的水分检测可以包括绝缘材料(例如，发电机定子上的电绝缘体)的水分检测，或者诸如顶部材料或热绝缘体的其他材料(绝缘或非绝缘)中的水分检测。
图7以及图1-3和图6中的发送天线62发送的信号通常是电磁波信号，例如VHF信号(例如，大约50MHz)、频率范围为1kHz到50MHz的信号等。
尽管这里已经描述了实施例，但是应当理解，依据说明书，本领域的技术人员可以在本发明的范围内，进行不同的元件组合、变化和改进。
权利要求
1.一种材料分析装置，包括分析仪本体，所述的分析仪本体包括材料外壳；材料分析电路，所述的材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置，天线系统，所述的天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；以及把所述的天线系统连接到所述材料分析电路的连接结构，其中，所述材料分析电路的发送装置产生电磁波信号，所述电磁波信号适于由所述的发送天线发送进要分析的材料，所述接收天线接收从所述的材料返回的信号，然后将返回的信号发送给所述接收装置和所述控制装置，然后所述控制装置分析返回的信号，得到所述材料的材料特性，其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述的接地层构成了其间具有接地层的双导体传输线结构，以及其中所述的天线系统具有均匀的覆盖范围，没有死区，并且可以提供使得返回信号较少受材料表面性质、特性和材料表面结构影响的场形状。
2.根据权利要求1所述的材料分析装置，其中所述的材料特性包括密度、离析度和水分含量中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的材料分析装置，其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述接地层构成了Z字形结构。
4.一种用于测量材料密度的材料分析装置，所述装置包括分析仪本体，所述的分析仪本体包括材料外壳；材料分析电路，所述材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置；天线系统，所述的天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；把所述的天线系统连接到所述材料分析电路的连接结构；其中，所述材料分析电路的发送装置产生电磁波信号，所述电磁波信号适于由所述发送天线发送进要分析的材料，所述接收天线接收从所述材料返回的信号，然后将返回信号发送给所述接收装置和所述控制装置，然后所述控制装置分析返回的信号，得到所述材料的特性，材料密度与返回的信号线性相关，所述的控制装置适于确定密度D，密度D基本等于在所述天线上测量的返回电压V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述接地层构成其间具有所述接地层的双导体传输线结构，其中所述的天线系统具有均匀的覆盖范围，没有死区，并且可以提供使得返回信号较少受材料表面性质、特性和材料表面结构影响的场形状。
5.根据权利要求4所述的材料分析装置，其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述的接地层构成了Z字形结构。
6.一种分析材料的方法，所述方法包括提供分析仪本体，所述分析仪本体包括材料外壳；提供材料分析电路，所述材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置；提供天线系统，所述天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；把所述天线系统连接到所述材料分析电路；产生电磁波信号；由所述发送天线发送所述电磁波信号；将要分析的信号导入所述材料；接收从所述材料返回的信号；将所述返回的信号发送给所述接收装置和所述控制装置；以及分析所述返回的信号，得到所述材料的特性，其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述接地层构成了其间具有接地层的双导体传输线结构，其中所述天线系统具有均匀的覆盖区域，没有死区，并且可以提供使得所述返回的信号较少受材料表面性质、特性和材料表面结构影响的场形状。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述的接地层构成了Z字形结构。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述材料的特性包括所述材料的水分含量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中分析所述返回的信号包括测量由所述材料的水分含量引起的相位偏移。
10.一种分析材料的方法，用于测量材料密度，所述的方法包括提供分析仪本体，所述分析仪本体包括材料外壳；提供材料分析电路，所述材料分析电路包括发送装置、接收装置和控制装置；提供天线系统，所述天线系统包括发送天线、接收天线和接地层；把所述天线系统连接到所述材料分析电路；产生电磁波信号；由所述发送天线发送所述电磁波信号；将要分析的信号导入所述材料；接收从所述材料返回的任何信号；将所述返回的信号发送给所述接收装置和所述控制装置；以及分析所述的信号，得到所述材料的密度特性；所述材料的密度与返回的信号线性相关，确定的密度D基本等于测量的返回电压V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述接地层构成了其间具有接地层的双导体传输线结构，其中所述天线系统具有均匀的覆盖范围，没有死区，并且可以提供使得返回的信号较少受材料表面性质、特性和材料表面结构影响的场形状。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述天线系统的发送天线和接收天线以及所述接地层构成了Z字形结构。
全文摘要
材料分析装置和用于分析的相关方法。所述的装置包括包括基本绝缘的材料外壳(14)的分析仪本体(10)；包括发送装置(52)、接收装置(54)和控制装置(70)的材料分析电路(50)；包括发送天线(62)、接收天线(64)和接地层(68)的天线系统(60)；把所述天线系统(60)连接到材料分析电路(50)的连接结构(65)。所述材料分析电路(50)的发送装置(52)产生电磁波信号，所述电磁波信号适于由所述发送天线(62)发送并被导入要分析的材料。所述接收天线(64)接收从材料返回的任何信号，并将所述返回的信号发送给所述接收装置(54)和控制装置(70)。然后，所述控制装置(70)分析所述的信号，得到材料的特性，所述特性包括密度、材料离析度和水分中的至少一个。
文档编号G01N22/04GK1659443SQ03812597
公开日2005年8月24日 申请日期2003年4月16日 优先权日2002年5月30日
发明者唐纳德·J·盖泽尔 申请人:唐纳德·J·盖泽尔