專利名稱：分析材料的離析度、密度和水分的裝置和方法
技術領域：
本發明一般涉及用于測量試驗材料的密度、離析度(即，非均勻度)和水分含量的材料分析裝置和方法。
背景技術：
本發明涉及用于分析材料離析度和密度的材料離析度和密度分析裝置和方法。具體地，本發明涉及用于分析瀝青的密度和離析度中的至少一個的材料離析度和密度分析裝置和方法。
美國96％的鋪覆道路和街道(近兩百萬英里)的表面是瀝青。瀝青是相對低成本的鋪路材料，特別是與諸如混凝土的其他鋪路材料相比。使瀝青在鋪路方面優于混凝土的另一個特點是其彈性。瀝青的維護一般也比混凝土的維護要便宜。
瀝青鋪路材料的特性是非均勻性。要得到用于鋪路的非離析的和完全均勻的瀝青混合物非常困難。此外，很難在基本均勻的鋪路層之中應用該瀝青混合物。因此，需要通過測量材料變化和/或離析度來確定該鋪路材料的特性。在鋪路材料的表面經常可以看見這些變化或離析，然而，量化鋪路材料離析量是一個非常主觀和困難的過程。鋪路材料離析度代表鋪路材料的密度。
可以將離析度定義為熱混瀝青混合物中粗集料顆粒和細集料顆粒的分離。另選地，將離析描述為較大的集料瀝青顆粒的分離和固結，該較大的集料瀝青顆粒會脫離瀝青塊并上浮到混合物的表面。在鋪于公路上之前在混合材料中可能會發生離析，或者在將其鋪于道路表面上時它可能會出現離析。研究表明，由于離析會增加混合物的含氣量，從而增加了受影響的路面的水分損壞、剝落、開裂和整體碎裂的可能，所以離析對瀝青鋪覆路面的長期性能有直接的影響。因此，需要確定鋪路材料的離析度。
在鋪覆特定的公路時，要在瀝青混合裝置中例行檢查要使用的瀝青混合物的混合特性。該檢查試圖驗證瀝青混合物的完整性和均勻性，從而控制瀝青混合物被施加和碾壓時的最終密度。瀝青混合物的檢查與施加時的所得的鋪路材料密度和離析度相關。因此，用于控制的鋪路材料樣品可以用于可能用到的密度裝置校準或者作為鋪路材料密度指示裝置的參照。
瀝青鋪路機處于瀝青混合物層上來碾壓公路時，瀝青的質量將與新公路的壽命相關。該壽命影響因素包括(但不限于)碾壓在路面上時瀝青混合物的密度，以及瀝青混合物的均勻性和離析度。盡管在瀝青裝置中液體瀝青混合物和石料的離析度可能是理想的，但是也不能保證施加于路面的混合物質量。均勻性的缺乏可以被描述為離析。
通常鋪路機所鋪設的鋪路材料(鋪覆路)大約在其需要的密實度的75％。在之后的壓實過程中(例如通過碾壓)，非常需要將鋪路材料壓實到接近最終需要的鋪路密實度，而不改變離析度。鋪覆路密實度應接近需要的密實度以避免材料變化，這些材料變化例如是(但不限于)氣孔，這些材料變化被認為會在最終鋪覆結構中產生缺陷。
不使用復雜的測量方法很難確定鋪路密實度的水平。這些復雜的鋪路材料測量方法可能不精確。過去，這些復雜的鋪路材料測量方法一般包括，鉆取經碾壓的鋪覆路的一部分(此后也稱為“提取”)然后在實驗室中測量其密度。該過程在鋪覆路中形成了一個孔，這當然是不希望的。由于破壞了鋪覆路的完整性，不希望有這個孔。
為了解決這些與瀝青相關的問題，已經提出和開發了各種復雜的瀝青鋪路材料測量系統和裝置。例如，但決非是對本發明的限制，已經提出測量鋪路材料的介電性質來確定鋪路材料的密度，用鋪路材料的密度作為鋪路材料密實度水平的指標。
授予Blackwell的美國專利No.3,784,905中公開了這種公知的鋪路材料密度指示裝置。Blackwell裝置可以測量所施加的和經碾壓的瀝青的介電性質，其中介電性質被認為是代表了鋪路材料或瀝青密度的變化。Blackwell裝置可以在低頻下使用，其操作可能會受水分和溫度變化的影響，因此會導致誤差。盡管Blackwell在某些情況中可以是足夠用了，但是必須在所測試的材料上極其緩慢地移動Blackwell裝置，以獲取密度的讀數。因此，Blackwell裝置可能需要較長的操作時間以確定密度，如上所述這是不希望的。而且，Blackwell裝置非常重，這需要大的支撐物來支撐和運輸Blackwell裝置。可能需要托拽這個大的支撐物穿過所施加的鋪路材料表面，因此可能會引起通常是剛剛鋪設的路面的損傷。
Blackwell裝置另一個可能的缺點是測量中其受限制的深度可調性。該受限制的深度可調性是由于只能通過改變Blackwell電極的高度來改變測量的深度。由于限制了測量中的深度可調性，因此這種電極結構是不理想的。
另一公知的鋪路材料指示裝置包括放射源(nuclear source)，用于確定鋪路材料的密度。該放射源裝置具有各種缺點。放射源裝置中的一些缺點包括放射源裝置需要持執照的操作人員、控制設備、和放射防護(例如鉛防護罩)。當然，這些放射源裝置的缺點會導致放射源裝置成本增加，使用成本增加，以及放射性材料所固有的危險。此外，放射源裝置對鋪路材料的面積和深度是不可調的，其移動需要很長的時間，并且移動起來非常重而且困難。而且，放射源裝置也非常昂貴，這至少部分地是由于放射源裝置的放射材料。此外，這些放射性密度裝置需要經常地與芯密度(core density)進行相互關聯，該芯密度取自與所測試的放射性標準件相同的位置。應對每個可能使用的混合物進行該關聯。這些步驟當然是耗時的和耗錢的，因此使得這些放射裝置的使用不夠理想。
轉讓給TransTech Systems的美國專利No.5,900,736中闡述了另一傳統鋪路材料密度指示裝置。TransTechSystem鋪路材料密度指示裝置是非放射性的瀝青密度測量裝置。TransTech System鋪路材料密度指示裝置是基于電場或電容的。
最近，在鋪路技術中現在的發展允許使用比過去所用的鋪路層薄的層來鋪路。例如對于測試芯，較薄的鋪路材料減少了可以鉆取自經碾壓的路面的鋪路材料的量(之后描述)。因此，需要可靠的、方便的鋪路材料密度、密實度和離析度的確定裝置，其中該裝置提供需要的結果，其中鋪覆路的上表面不會受到分析材料密度和離析度的裝置和方法的操作的不利影響，特別是如果在采用厚或薄的鋪層的鋪路材料上使用。
而且，鋪路材料的施加可隨道路底層基礎結構的不同而不同，從而導致鋪路材料深度、面積、形狀和體積的不同。當然，需要確定該鋪路材料的密度、密實度和離析度。因此需要提供鋪路材料密度、密實度和離析度確定裝置，其能夠測量不同深度、面積、形狀和體積的鋪路材料密度。
而且，用于測量鋪路材料密度、密實度和離析度的傳統裝置的操作經常很慢并且需要復雜的操作來實現適當的裝置功能。缺乏速度經常不利于鋪路材料密度和密實度的確定。因此對密度、密實度和離析度的測量通常是乏味冗長的過程，減慢了最終的鋪路材料施加操作。因而，需要提供一種瀝青鋪路材料密度分析儀或者方便的鋪路材料密度、密實度和離析度確定裝置，用于以比現有裝置更快速、更方便的過程確定鋪路材料密度。
傳統鋪路材料密度指示裝置的另一可能缺點是不能適應各種結構，例如形狀和面積。傳統裝置經常不允許移動或者替換感測區域，不能配置成使得鋪路材料密度指示裝置能夠方便地移動來確定密度和密實度。因此，需要一種鋪路材料密度指示裝置，其能夠確定特定結構的鋪路材料的鋪路材料密度。
發明內容
本發明意在一種分析材料密度和離析度的裝置。所述的材料分析裝置包括包括基本絕緣的材料外殼的分析儀本體；包括發送裝置、接收裝置和控制裝置的材料分析電路；包括發送天線、接收天線和接地層的天線系統；把天線系統連接到材料分析電路的連接結構。所述的材料分析電路的發送裝置產生VHF電磁波信號，該VHF電磁波信號適于由所述的發送天線發送并被導入要分析的材料。所述的接收天線接收從材料返回的任何信號，并將其發送給所述的接收裝置和控制裝置。然后，所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性。
而且，本發明闡明了一種材料分析裝置。所述的材料分析裝置包括包括基本絕緣的材料外殼的分析儀本體；包括發送裝置、接收裝置和控制裝置的材料分析電路；包括發送天線、接收天線和接地層的天線系統；把天線系統連接到材料分析電路的連接結構。所述的材料分析電路的發送裝置產生VHF電磁波信號，該VHF電磁波信號適于由所述的發送天線發送并被導入要分析的材料。所述的接收天線接收從材料返回的任何信號，并將其發送給所述的接收裝置和控制裝置。然后，所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性。所述的材料特性包括密度和材料離析度中的至少一種。
本發明意在一種分析材料密度和離析度的裝置。所述的材料分析裝置包括包括基本絕緣的材料外殼的分析儀主體；包括發送裝置、接收裝置和控制裝置的材料分析電路；包括發送天線、接收天線和接地層的天線系統；把天線系統連接到材料分析電路的連接結構。所述的材料分析電路的發送裝置產生VHF電磁波信號，該VHF電磁波信號適于由所述的發送天線發送并被導入要分析的材料。所述的接收天線接收從材料返回的任何信號，并將其發送給所述的接收裝置和控制裝置。然后，所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性。材料密度可以與返回的信號線性相關。依據D＝m×V+b，所述的控制裝置確定密度D基本等于所測量的返回電壓V乘以恒定的斜率m，加上偏量b。
本發明意在一種分析材料密度和離析度的裝置。所述的材料分析裝置包括包括基本絕緣的材料外殼的分析儀外殼；包括發送裝置、接收裝置和控制裝置的材料分析電路；包括發送天線、接收天線和接地層的天線系統；把天線系統連接到材料分析電路的連接結構。所述的材料分析電路的發送裝置產生VHF電磁波信號，該VHF電磁波信號適于由所述的發送天線發送并被導入要分析的材料。所述的接收天線接收從材料返回的任何信號，并將其發送給所述的接收裝置和控制裝置。然后，所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性。所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性，即材料離析度
SL=ks1s2ρ/s]]>其中，k是常數，ρ為鋪路材料密度，s為移過表面的距離。
本發明的另一方面提供了一種分析材料的方法。該方法包括提供分析儀本體，所述的分析儀本體包括基本絕緣的材料外殼；提供材料分析電路，所述的材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；提供天線系統，所述的天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；把天線系統連接到材料分析電路；產生VHF電磁波信號；由所述的發送天線發送所述的VHF電磁波信號；導入要分析的信號；接收從材料返回的任何信號；將所述的返回信號發送給所述的接收裝置和控制裝置；然后分析所述的信號，得到材料特性。
一種用于測量材料離析度的材料分析裝置。所述的裝置包括分析儀本體，其包括基本絕緣的材料外殼；材料分析電路，其包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；天線系統，其包括發送天線、接收天線和接地層；把天線系統連接到材料分析電路的連接結構。所述的材料分析電路的發送裝置產生VHF電磁波信號，所述的VHF電磁波信號適于由所述的發送天線發送并被導入要分析的材料，所述的接收天線接收從材料返回的任何信號并將其發送給所述的接收裝置和控制裝置，然后所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性，材料離析度(Seg或離析度水平)由下式確定Seg＝常數×SD+偏量，其中SD為測量的標準偏差。
本發明的另一方面提供了一種分析材料的方法。該方法包括提供分析儀本體，所述的分析儀本體包括基本絕緣的材料外殼；提供材料分析電路，所述的材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；提供天線系統，所述的天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；把天線系統連接到材料分析電路；產生VHF電磁波信號；由所述的發送天線發送所述的VHF電磁波信號；導入要分析的信號；接收從材料返回的任何信號；將所述的返回信號發送給所述的接收裝置和控制裝置；然后分析所述的信號，得到材料特性。用于得到材料離析特性的分析所述的信號的步驟由下式確定
SL=Ks1s2ρ/s]]>其中，k是常數，ρ為鋪路材料密度，s為移過表面的距離。
本發明的另一方面提供了一種分析材料的方法。本方法包括提供分析儀本體，所述的分析儀本體包括基本絕緣的材料外殼；提供材料分析電路，所述的材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；提供天線系統，所述的天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；把天線系統連接到材料分析電路；產生VHF電磁波信號；由所述的發送天線發送所述的VHF電磁波信號；導入要分析的信號；接收從材料返回的任何信號；將所述的返回信號發送給所述的接收裝置和控制裝置；然后分析所述的信號，得到材料特性。材料密度與返回的信號線性相關，確定的密度D基本等于所測量的返回電壓V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b本發明的另一方面提供了一種材料分析裝置，用于測量材料離析度。所述的裝置包括分析儀本體，其包括基本絕緣的材料外殼；材料分析電路，包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；天線系統，包括發送天線、接收天線和接地層；把天線系統連接到材料分析電路的連接結構。所述的材料分析電路的發送裝置產生VHF電磁波信號。所述的VHF電磁波信號適于由所述的發送天線發送，并被導入要分析的材料。所述的接收天線接收從材料返回的任何信號并將所接收的信號發送給所述的接收裝置和控制裝置。然后，所述的控制裝置可以分析所述的信號，得到材料的特性。材料離析度(Seg)由下式確定Seg＝常數×SD+偏量，其中SD為測量的標準偏差。
本發明的另一方面提出了一種測量材料離析度的方法。該方法包括提供包括基本絕緣的材料外殼的分析儀本體；提供包括發送裝置、接收裝置和控制裝置的材料分析電路；提供包括發送天線、接收天線和接地層的天線系統；把天線系統連接到材料分析電路；產生VHF電磁波信號；由所述的發送天線發送所述的VHF電磁波信號；導入要分析的信號，接收從材料返回的任何信號，將所述的返回信號發送給所述的接收裝置和控制裝置，然后分析所述的信號，得到材料特性。由下式確定材料離析度(Seg)Seg＝常數×SD+偏量，其中SD為測量的標準偏差。
圖1是本發明具體示例的材料離析度和密度分析裝置的示意圖；圖2是用于本發明具體示例的材料離析度和密度分析裝置的電路的示意圖；圖3是用于本發明具體示例的材料離析度和密度分析裝置的天線的示意圖；圖4是非平均密度與鋪路材料位置的關系曲線圖；圖5是非平均密度與鋪路材料位置的第二個關系曲線圖；圖6是用于本發明具體示例的材料特性分析裝置的天線的示意圖；圖7是用于本發明具體示例的水分含量分析裝置的電路的示意圖。
具體實施例方式
本發明包括材料離析度和密度分析裝置和方法(此后稱“材料分析裝置”)，用于分析材料的密度和離析度。例如，本發明包括材料分析裝置，用于測量和確定瀝青的密度、密實度和離析度中的至少一個。所述的瀝青可以是新近施加的瀝青。
如本發明具體所述的材料分析裝置包括便攜式材料分析裝置。在文中所用的術語“便攜式”指在如下所述的操作中，所述的材料分析裝置可以由材料分析裝置的標準操作人員方便地移動。
如本發明具體所述的材料分析裝置可以由材料分析裝置的使用者來支持。例如，而決非是對本發明的限制，所述的材料分析裝置作為手持材料分析裝置。如本發明具體所述的材料分析裝置可以放置在新鋪的公路上的目標測試位置上，以測量瀝青的密度。可以用任何適當的單位來進行測量，例如但不限于，每立方英尺的磅數。
如本發明具體所述的材料分析裝置1(圖1)相對較輕(例如大約3/4到1磅)，主體和基座(也稱為“腳座”)的周邊尺寸為大約5英寸×大約5英寸。這些外形和重量僅僅是如本發明具體所述的材料分析裝置的尺寸、形狀和重量的示例，而不是試圖以任何方式限制本發明。所述的材料分析裝置可以由任何結構和重量組成，只要能夠保持所述材料分析裝置的功能和操作就行。
如本發明具體所述的材料分析裝置1包括“相對”讀數裝置。在本文中所用的術語“相對讀數裝置”指所述的材料分析裝置應被校準到已知密度的材料。所述的材料分析裝置的校準或參照的執行通常先于在鋪覆位置的使用。
所述材料分析裝置1是便攜單元，用于密度和離析度測量。(在以下的說明中，如本發明具體所述的材料分析裝置是指密度和離析度之一的測量裝置或這兩者的測量裝置，并且一個的使用間接地表示了另一個的使用)。所述裝置依靠穿透瀝青層的技術來進行密度測量。然而，離析度測量與簡單的密度測量的不同在于，離析度水平是通過所述裝置自動地根據多個密度測量值計算得到的，為使用者給出密度以及離析度水平數。而且，如本發明具體所述的材料分析裝置使用被導入鋪路材料的VHF電磁波信號，其中高頻可以包括但不限于VHF信號。這種VHF電磁波信號只是在本發明的范圍內給出信號的示例，而不是試圖以任何方式限制本發明。以下敘述指VHF電磁波頻率。
如本發明具體所述的材料分析裝置如圖1-3所示。圖1中所述的材料分析裝置1包括分析儀本體10和把手12。如本文所述，使用把手12來移動和操縱材料分析裝置1，用于鋪路材料分析。把手12至少有一部分是非導電或絕緣的。例如，而決非對本發明的限制，把手12的第一部分(例如把手的前12英寸)包括絕緣材料，剩下部分可以由任何材料制成。上述僅僅是示例，本發明的范圍包括把手的任何其他結構和配置。分析儀本體10包括上述的配置。
分析儀本體10包括基本絕緣的材料外殼14，其中放置了后文將描述的材料分析裝置1的電路50。分析儀本體10包括由非金屬材料制成的基座或底座表面16。分析儀本體10的底座表面16由非金屬材料制成，以防止干擾并屏蔽材料分析裝置1的電路50。
材料分析裝置1的分析儀本體10的上表面18包括至少一個顯示器51，其與材料分析裝置1的電路50相連。所述至少一個顯示器51用于為材料分析裝置1的操作人員或使用者提供材料分析裝置1的實時的或者接近實時的分析指示。所述至少一個顯示器51還可以提供由材料分析裝置1確定的瀝青密度、密實度和離析度中的至少一個的指示。使用顯示器51來提供材料分析裝置1的結果的方法可以作為給材料分析裝置1的使用者或操作人員提供結果的唯一方法；另選地，使用顯示器51來給出材料分析裝置1的結果的方法可以與通信鏈路結構結合在一起提供，后文將詳細介紹。
如本發明具體所述的材料分析裝置1可以包括第二數據發送裝置，來發送材料分析裝置1產生的信號。由材料分析裝置1產生和發送的信號可以例如通過調制解調器或者無線調制解調器由任何適當的接收裝置接收，例如但不限于計算機。這些僅僅是示例，而不是試圖以任何方式限制本發明。所述的接收裝置可以位于非常接近被材料分析裝置1所分析的鋪路材料的位置。如果材料分析裝置1的發送系統(未示出)能源充足，所述接收裝置不需要位于非常接近被材料分析裝置1所分析的鋪路材料的位置。不管所述的接收裝置與材料分析裝置1所分析的鋪路材料的位置怎樣，材料分析裝置1都可以向一個遠離材料分析裝置1的接收裝置發送由材料分析裝置1產生的信號。
材料分析裝置1的絕緣把手12包括使材料分析裝置1的使用者或者操作人員在使用時可以方便地移動材料分析裝置1的結構。可以使用絕緣把手12來移動材料分析裝置1，用于在操作中確定密度、密實度和離析度中的至少一個。絕緣把手12可包括致動器120，其在絕緣把手12上的可以由材料分析裝置1的操作人員或者使用者方便地觸及的位置處。
可以使用致動器120來操作材料分析裝置1的電路50，使得可以確定鋪路材料的密度、密實度和離析度中的至少一個。致動器120可以操作電路50，電路50用于如本文所述的材料分析裝置1的校準或者參照，并根據如本發明具體所述的材料分析裝置1的操作來發送代表鋪路材料的密度、密實度和離析度中的至少一個的信號。
如本發明具體所述的材料分析裝置1包括用于確定鋪路材料密度、密實度和離析度中的至少一個的電路50。材料分析裝置1的電路50放置在材料分析裝置1的基本絕緣的材料外殼14中。電路50可以以簡單連續波的形式發送信號，例如但決非用于限制本發明，簡單連續波形式的信號頻率為大約50MHz。
如本發明具體所述的材料分析裝置1可以包括底座(bottom member)(為了簡化說明的目的未示出)。所述底座包括保護材料分析裝置1的底部結構的結構。所述底座防止材料分析裝置1在使用中磨損，例如，在如本發明具體所述的材料分析裝置1的操作中在鋪路材料上移動材料分析裝置1時的磨損。所述底座可以包括任何非導電的和非干擾的材料，例如但不限于橡膠、合成材料(LEXAN)和其他類似材料。所述底座可以包括柔性部件，該柔性部件連接到材料分析裝置1的分析儀本體10上，例如通過VELCRO或者其他類似連接部件來連接。所述底座應足夠薄，使得不會干擾信號的產生和返回。例如但決非對本發明的限制，底座可以為大約10mil(密耳)厚。
圖2所示為電路50的細節。電路50包括發送裝置52和接收裝置54。由電路50產生的大約50MHz的簡單連續波可以由發送裝置52產生，例如但不限于微功率發送裝置52和接收裝置54。接收裝置54可以配有調諧二極管檢波器。發送裝置52和接收裝置54可以都安裝在材料分析裝置1的分析儀本體10中。
如本發明具體所述的材料分析裝置1的電路50還包括天線系統60。將天線系統60放置在材料分析裝置1上，并且在材料分析裝置1的操作過程中一般要接觸到鋪路材料5(圖3)。天線系統60包括與發送裝置52相連的發送天線62。天線系統60還包括與接收裝置54相連的接收天線64。
發送天線62和發送裝置52的連接以及接收天線64和接收裝置54的連接可以用任何適當的方式進行，例如所示的連接結構65。發送天線62和發送裝置52之間以及接收天線64和接收裝置54之間的連接結構65可以包括所示的直接硬線配線。用于連接發送天線62和發送裝置52以及連接接收天線64和接收裝置54的連接結構65配線還可以包括各種電子組件，例如電容和電感(如圖所示)。所示的結構和這里所述的內容僅僅是對本發明具體所述的材料分析裝置1的示意，而非試圖限制本發明。本發明的其他特點也在本發明的范圍之內。
如本發明具體所述的材料分析裝置1中的電路50的天線系統60(圖1)可以發送射頻、電磁波(E×H)，其中E是電場而H是磁場。此外，待測材料的絕緣性(介電性)和磁導率會分別影響電場和磁場分量的傳播。將射頻、電磁波(本文用作“信號”)從發送天線62發送到鋪路材料5中。當信號從鋪路材料5中返回時，接收天線64可以獲取或者接收信號。
天線系統60包括發送天線62和接收天線64。發送天線62和接收天線64形成了雙導體傳輸線(2-conductor transmission line)。雙導體傳輸線被彎成Z字形(兩個平行段和連接兩個平行段相對端的一個斜段)，然而，所述的雙導體傳輸線的描述只是示例性的，可以形成許多其他結構的如本發明具體所述的雙導體傳輸線。該描述并非試圖以任何方式限制本發明。
材料分析裝置1在天線系統60和鋪路材料5之間保持接觸。接觸量可以被認為是鋪路材料5和材料分析裝置1的天線系統60(包括基座或者底座表面16中部的覆蓋范圍)之間接觸的最大表面積。
注意，基座或者底座表面16上的天線系統的結構，意在使天線系統60的雙導體傳輸線部分平鋪在鋪路材料5上。將發送天線62和接收天線64彼此基本平行地放置。由發送天線62產生并由接收天線64接收的信號的強度正比于鋪路材料密度。
如本發明具體所述的天線系統60還包括接地層68。在發送天線62和接收天線64之間基本平行地放置接地層68。接地層68在Z字形的“中間”，其中發送天線62和接收天線64形成Z字形的外側，以夾住它們中間的接地層68。
如圖1所示，接地層68還位于材料分析裝置1的本體14的基座或者底層表面16上。接地層68從基層或者底層表面16延伸第一距離，而發送天線62和接收天線64從基層或者底層表面16延伸第二距離。第一距離大于第二距離，因此接地層68比發送天線62和接收天線64從基座或者底層表面16延伸得更遠。因此，進出鋪路材料5的信號(電場和磁場分量兩者)傾向于鋪路材料5的更深部分。這些信號較少受路面附近的鋪路材料5的不利影響。因此，這種結構使得返回的信號不易受鋪路材料的表面性能、特性和結構的影響。例如但決非對本發明的限制，接地層68可以比發送天線62和接收天線64更接近鋪路材料5，其程度可以達到大約0.030”。該朝向和結構會使鋪路材料的前大約0.125”沒有向材料分析裝置1發送信號。這一忽略效果是期望的，因為由于鋪覆操作引起的表面不規則和不想要的表面水分會影響密度的讀數。
材料分析裝置1包括相對讀數裝置，其將在后文描述。鋪路業已對取自公路的直徑為6英寸的測試芯(test core)進行了標準化。此外，該芯可以在實驗室中從鋪路材料混合物中制作，以確定特定混合物的最大理論密度。使用該芯來給出鋪路材料的密度、密實度和離析度中的至少一個的標準化讀數。例如，鋪路時，在瀝青裝置中每天檢查瀝青混合物，該檢查可能是合同的要求。因此，可以獲得這些芯或者試樣的密度(和密實度和離析度)，用于材料分析裝置1的校準。如本發明具體所述的材料分析裝置1在尺寸上是足夠小的，可以校準工業標準6英寸直徑的測試芯。而以前的裝置被認為不夠小，不能校準工業標準6英寸直徑的測試芯。
如本發明具體所述的材料分析裝置1還有參照特性，使得使用者或者操作人員在每次現場測量前可以根據參照標準來校準材料分析裝置1。電路50中包括該校準或者參照特性，而且可以通過上述的絕緣把手的致動器120來控制該特性。如本發明具體所述的，該參照特性使得材料分析裝置1的參照速度更快、再現性更高。
將參照圖2進一步描述如上所述的參照特性。在圖2中，發送裝置52例如通過連接結構65上的非諧振LC與天線系統60相連。連接結構65可以包括調諧連接結構，用于實現材料分析裝置1的接收功能。檢波器54可以包括單個二極管檢波器，用于將信號轉換成直流電(DC)。
在參照特性的操作中，將信號轉換成直流電，并與內部參照信號相比較。所述的內部參照信號可以存儲在材料分析裝置1中的存儲器或者控制裝置中。或者，所述的內部參照信號可以存儲在遠程存儲器中，例如但不限于，安裝在材料分析裝置1可以與之通信的計算機中的存儲器中。
可以由至少兩種方法進行如本發明具體所述的材料分析裝置的校準(與上述參照明顯不同)。如本發明具體所述的第一校準方法包括使用如本發明具體所述的材料分析裝置提取公路數據，并且另外從鋪路材料上取芯。接下來，在實驗室中分析所述的芯，得到密度、密實度和離析度中的至少一個。因此，可以設置如本發明具體所述的材料分析裝置的規格，以根據所述芯的數據準確地讀出。
第二校準方法包括使用如本發明具體所述的材料分析裝置來評估和分析在實驗室中制備的測試芯，其中使用瀝青的振動成型從較早的瀝青混合物中制備所述的芯，所用的瀝青混合物可以取樣自瀝青裝置。將如本發明具體所述的材料分析裝置直接放置在實驗室芯上。因此，可以使用材料分析裝置來快速或者近似實時地校準到作為鋪路材料鋪覆的瀝青混合物。幾個運輸部(DOT)和聯邦運輸部已經指出，該方法用于校準的目的是理想的。
本領域的技術人員應該意識到，還可以使用各種獨立的專用電路或者可編程的集成電路或者其他電子電路或設備來實現控制裝置70，例如硬線連接的電子電路或邏輯電路，包括離散元電路或者可編程的邏輯器件，如PLD、PAL、PLA或類似器件。使用適當的可編程通用計算機也可以實現控制裝置70，例如獨自或與一個或者多個外圍數據和信號處理裝置聯合的微處理器或者微控制元件，或者其他處理器裝置，如CPU或MPU。通常，可以使用任何裝置或類似裝置作為控制裝置，只要在該裝置上有限狀態機可以實現申請中所述的流程圖。如圖所示，分布式處理架構對于最大的數據/信號處理能力和速度來說是優選的。
在操作中，可以使用如本發明具體所述的材料分析裝置1來進行鋪路材料離析度的測量。通過將材料分析裝置1放置在鋪路材料表面上，啟動材料分析裝置1的電路50，發送和接收信號，分析信號并給操作人員顯示鋪路材料離析度的測量值，可以實現使用材料分析裝置1的對鋪路材料離析度的測量。
如本發明具體所述的，材料分析裝置1的密度測量功能可以包括使用材料分析裝置1進行至少一次鋪路材料密度測量。為了使用材料分析裝置1來確定鋪路材料的代表性(cross-sectional)分析，可以進行多次鋪路材料密度的測試并求平均值。求平均值是需要的，因為無論施加時多么仔細，鋪路材料都是非均勻的。
通常要進行移動來進行測量，例如通過將材料分析裝置1相對于鋪路材料進行旋轉或者來回移動。測量的次數例如在從大約4次密度測量到大約8次密度測量的范圍內變動。對于一個給定位置的密度測量的標準偏差直接與鋪路材料中的材料離析度相關。
出于示例的目的而非試圖限制本發明，在預計有較高離析度的鋪路材料中，鋪路材料區的標準偏差將會高，例如但不限于，超過約3.0。對于低離析度鋪路材料或者均勻的鋪路材料區，具有相對較低的標準偏差，大約1.0。這樣的標準偏差是因為一組密度值都很接近。如本發明具體所述的材料分析裝置1的顯示器指示出離析度，該離析度由被測試的一組鋪路材料的密度標準偏差得出。
現在將描述如本發明具體所述的材料分析裝置1的操作。該操作將描述如本發明具體所述的材料離析度和密度分析裝置和方法的操作，以分析材料的密度和離析度。具體地，該操作將描述如本發明具體所述的材料離析度和密度分析裝置和方法的操作，以分析鋪路材料的密度和離析度。本發明的操作的以下描述僅僅是試圖描述本發明的示例性操作，而非試圖以任何方式限制本發明。很明顯，其他操作也在本發明的范圍內。
在確定鋪路材料的離析度水平的操作中，如本發明具體所述的材料分析裝置1通過材料分析裝置1的控制裝置70對產生的鋪路材料密度信號進行分析。離析度正比于密度值的標準偏差。因此，離析度水平＝k×密度標準偏差其中，k為常數。
如本發明具體所述的，材料分析裝置1的使用和操作的示例包括在多個測試位置進行多次密度測量。然后，可以使用具有數學功能的電子數據表軟件程序(如EXCEL)計算標準偏差。在第一步中，在2個獨立的位置進行多次密度測量。位置1具有較高的可見離析度，而位置2具有較低的可見離析度。通過繞圓形外圍幾何形狀旋轉如本發明具體所述的材料分析裝置1，進行多次測量。圖4所示的曲線圖顯示了從這樣的操作中獲取的數據。從圖中明顯可見，高離析度位置的標準偏差為大約2.2，或者是大約0.86的低離析度位置標準偏差的大約2.6倍。
接下來，取鋪路材料的剖面，寬度稍微超過15英尺。如本發明具體所述的材料分析裝置1以1英尺的增量記錄多個密度值。對于每組測量的密度，計算標準偏差和平均密度，并繪制在圖5中。該圖所示左邊的縱坐標為離析度水平，右邊的縱坐標為密度。
現在將進一步描述使用如本發明具體所述的材料分析裝置1的材料分析裝置測量系統和相關操作。使用材料分析裝置1的測量系統和相關操作包括至少2個(在其他實施例中包括至少4個)材料分析裝置1單元。可以將材料分析裝置1安排成合適的結構。可以將該結構放置在未知離析度的鋪路材料區上。進行多次測量，例如但不限于4次密度測量。這些測量可以同時進行。使用這些測量結果來確定密度的標準偏差和平均值中的至少一個。
通過如本發明具體所述的材料分析裝置1的電路50的控制裝置70，可以計算得到確定值。利用這些確定值，通過控制裝置70可以計算密度標準偏差，并且可以在絕緣材料外殼14的顯示器51上顯示密度標準偏差。如上所述的該組材料分析裝置1中的每一材料分析裝置1都可以從一鋪路材料位置迅速移動到另一鋪路材料位置。該移動可以同時提供離析度和平均密度的讀出。通過該方法，各獨立的材料分析裝置1單元就相當于手工旋轉單個材料分析裝置1單元來檢查鋪路材料的不同體積段。
確定多個密度值來計算鋪路材料離析度。例如但不限于由操作人員的至少一只手或者其他簡單的機械裝置來移動材料分析裝置1。移動可以是轉動的或者縱向的。使用該方法，隨著材料分析裝置1的移動，所產生的信號可以包括密度水平加上密度變化量(DC+AC)。首先，所產生的信號是被耦合的AC，用來給出密度變化量，然后所產生的信號為經校正和過濾的全波，從而得到DC水平。DC水平正比于密度變化量。
如本發明具體所述的，材料分析裝置1的模擬處理可以產生正比于離析度的信號。所產生的正比于離析度的信號將顯示給使用者。與致動器相連的撥動開關使得使用者或者操作人員可以在離析度和密度模式之間切換。
與一些已有技術的公知設備不同，如本發明具體所述的材料分析裝置1不會受到水分和溫度的不利影響。材料分析裝置1及其操作不會受到不利影響是因為材料分析裝置1產生的信號頻率非常高，或者是VHF電磁波。示例性頻率為大約50MHz。在這種頻率下，如本發明具體所述的材料分析裝置1產生的信號或者場實際上是電磁場。材料分析裝置1發送信號進入天線系統60的一側，同時天線系統60的另一側接收被接收/返回的信號。接收裝置檢測所接收的信號，接收裝置的輸出是直流電信號，該信號正比于瀝青密度。
而且，Z字形的天線系統60具有均勻的結構。由于這種結構，天線系統60在其中部沒有死區。現有技術中的分析裝置圓形陣列所表現出來的死區會忽略重要的鋪路材料區。由上述的和如本發明具體所述的材料分析裝置1產生的電磁場遵循麥克斯韋(Maxwell)和Poynting方程，其中傳遞波同時受介質的絕緣性(介電性)和磁導率的影響。
例如，通過產生VHF電磁波場，如本發明具體所述的材料分析裝置1可以確定材料(例如但不限于鋪路材料)的密度。所述的場穿過材料以測量其密度。密度與作為電壓測量所測得的返回/被返回的信號線性相關。密度D可以被確定為等于所測的電壓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，水分和溫度不會影響材料分析裝置1。
如本發明具體所述的材料分析裝置1產生VHF電磁波能量，該VHF電磁波能量能夠測量測試表面(特別是瀝青道路)的材料離析度。離析度的測量方法為，在一個測試位置進行大約7次或更多次密度測量，然后使用統計標準偏差(SD)來確定材料離析度水平(離析度水平，Seg)。因此，離析度水平等于一個常數乘以標準偏差加上某個偏量，如下所示SL＝常數×SD+偏量而且，如本發明具體所述的材料分析裝置1產生VHF電磁波能量，能夠測量材料的材料離析度，例如但不限于鋪路材料和瀝青。如本發明具體所述的另外的離析度測量方法可以確定離析度水平(SL)(也被稱為材料離析度)，如下所示SL=ks1s2ρ/s]]>其中k是常數，ρ是鋪路材料密度，s是為移過表面的距離。換句話說，SL等于常數乘以距離s1和s2之間的每一距離變化的密度變化的絕對值的平均值。通過移動如本發明具體所述的材料分析裝置1來實現上述方程。移動的方式可以是旋轉或者直線運動中的至少一個。在該方法中，隨著單元移動，獲得的信號是密度水平加上密度變化量(DC+AC)。
首先，信號是被耦合的AC，僅可得到密度變化量，然后信號為經校正和過濾的全波，從而得到DC水平，其正比于密度變化量。這種可以為模擬方式的處理將產生正比于離析度的信號。用材料分析裝置1向使用者顯示該數值。
通過跨鋪路材料區快速測量空間密度的微小變化量，如本發明具體所述的材料分析裝置1還可以計算離析度水平。以實時的或者近似實時的數值向操作人員報告信號。
圖6為用于如本發明具體所述的材料特性分析裝置的天線的示意圖。圖6包括圖2中標注的3-3橫截面。圖6還顯示分析儀本體10的底座表面16(見圖1)。圖6還顯示可移動的底座200，其位于底座表面16和被分析表面202之間。兩面都有結構性絕緣材料201的接地層68形成了層71。層71之上的層72包括發送天線62、絕緣層201和接收天線64。層72之上的層為連續絕緣層203。導電結構頂層部件204位于連續絕緣層203之上，并且也與地電連接。注意，圖6是部分示出的分解圖，因此所示的下列層之間的間隙只是為了清楚的說明而在本發明的裝置中并不出現鋪路材料5和可移動的底座部件200之間，層72和絕緣層203之間，以及絕緣層203和結構頂層部件204之間。
圖7為用于如本發明具體所述的水分含量分析裝置的電路的示意圖。圖7類似于如前所述的圖2，主要區別是圖7示出了用于確定水分含量的相位模塊，和用于顯示如此確定的水分含量的水分顯示器221。
本發明總體上測量待測試的表面的材料性質。測量的該材料性質之一為材料水分含量。如圖7所示，來自發送天線62的發送信號穿過要測量的材料，然后由接收天線64接收。可能是由于外界水分引起的材料中的水分將會影響發射信號和接收信號之間的相位。干燥的絕緣體具有相對低的相位偏移(例如，2度的量級)。潮濕的絕緣體將顯示明顯大于2度的相位偏移，對于高濕度可能高達20度。因此，通過將來自發送裝置52的參照信號與來自接收裝置54的測得的接收信號進行比較，感測和計算接收信號的相位，然后將最終的相位差轉換為相對水分含量。通過相位模塊220來確定相位差，然后通過確定的相位偏移來計算待測材料的水分含量。計算得到的水分含量可以顯示在水分顯示器221上。應用本發明的水分檢測可以包括絕緣材料(例如，發電機定子上的電絕緣體)的水分檢測，或者諸如頂部材料或熱絕緣體的其他材料(絕緣或非絕緣)中的水分檢測。
圖7以及圖1-3和圖6中的發送天線62發送的信號通常是電磁波信號，例如VHF信號(例如，大約50MHz)、頻率范圍為1kHz到50MHz的信號等。
盡管這里已經描述了實施例，但是應當理解，依據說明書，本領域的技術人員可以在本發明的范圍內，進行不同的元件組合、變化和改進。
權利要求
1.一種材料分析裝置，包括分析儀本體，所述的分析儀本體包括材料外殼；材料分析電路，所述的材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置，天線系統，所述的天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；以及把所述的天線系統連接到所述材料分析電路的連接結構，其中，所述材料分析電路的發送裝置產生電磁波信號，所述電磁波信號適于由所述的發送天線發送進要分析的材料，所述接收天線接收從所述的材料返回的信號，然后將返回的信號發送給所述接收裝置和所述控制裝置，然后所述控制裝置分析返回的信號，得到所述材料的材料特性，其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述的接地層構成了其間具有接地層的雙導體傳輸線結構，以及其中所述的天線系統具有均勻的覆蓋范圍，沒有死區，并且可以提供使得返回信號較少受材料表面性質、特性和材料表面結構影響的場形狀。
2.根據權利要求1所述的材料分析裝置，其中所述的材料特性包括密度、離析度和水分含量中的至少一個。
3.根據權利要求1所述的材料分析裝置，其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述接地層構成了Z字形結構。
4.一種用于測量材料密度的材料分析裝置，所述裝置包括分析儀本體，所述的分析儀本體包括材料外殼；材料分析電路，所述材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；天線系統，所述的天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；把所述的天線系統連接到所述材料分析電路的連接結構；其中，所述材料分析電路的發送裝置產生電磁波信號，所述電磁波信號適于由所述發送天線發送進要分析的材料，所述接收天線接收從所述材料返回的信號，然后將返回信號發送給所述接收裝置和所述控制裝置，然后所述控制裝置分析返回的信號，得到所述材料的特性，材料密度與返回的信號線性相關，所述的控制裝置適于確定密度D，密度D基本等于在所述天線上測量的返回電壓V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述接地層構成其間具有所述接地層的雙導體傳輸線結構，其中所述的天線系統具有均勻的覆蓋范圍，沒有死區，并且可以提供使得返回信號較少受材料表面性質、特性和材料表面結構影響的場形狀。
5.根據權利要求4所述的材料分析裝置，其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述的接地層構成了Z字形結構。
6.一種分析材料的方法，所述方法包括提供分析儀本體，所述分析儀本體包括材料外殼；提供材料分析電路，所述材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；提供天線系統，所述天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；把所述天線系統連接到所述材料分析電路；產生電磁波信號；由所述發送天線發送所述電磁波信號；將要分析的信號導入所述材料；接收從所述材料返回的信號；將所述返回的信號發送給所述接收裝置和所述控制裝置；以及分析所述返回的信號，得到所述材料的特性，其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述接地層構成了其間具有接地層的雙導體傳輸線結構，其中所述天線系統具有均勻的覆蓋區域，沒有死區，并且可以提供使得所述返回的信號較少受材料表面性質、特性和材料表面結構影響的場形狀。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述的接地層構成了Z字形結構。
8.根據權利要求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.根據權利要求8所述的方法，其中分析所述返回的信號包括測量由所述材料的水分含量引起的相位偏移。
10.一種分析材料的方法，用于測量材料密度，所述的方法包括提供分析儀本體，所述分析儀本體包括材料外殼；提供材料分析電路，所述材料分析電路包括發送裝置、接收裝置和控制裝置；提供天線系統，所述天線系統包括發送天線、接收天線和接地層；把所述天線系統連接到所述材料分析電路；產生電磁波信號；由所述發送天線發送所述電磁波信號；將要分析的信號導入所述材料；接收從所述材料返回的任何信號；將所述返回的信號發送給所述接收裝置和所述控制裝置；以及分析所述的信號，得到所述材料的密度特性；所述材料的密度與返回的信號線性相關，確定的密度D基本等于測量的返回電壓V乘以恒定的斜率m，加上偏量b，如下所示D＝m×V+b其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述接地層構成了其間具有接地層的雙導體傳輸線結構，其中所述天線系統具有均勻的覆蓋范圍，沒有死區，并且可以提供使得返回的信號較少受材料表面性質、特性和材料表面結構影響的場形狀。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述天線系統的發送天線和接收天線以及所述接地層構成了Z字形結構。
全文摘要
材料分析裝置和用于分析的相關方法。所述的裝置包括包括基本絕緣的材料外殼(14)的分析儀本體(10)；包括發送裝置(52)、接收裝置(54)和控制裝置(70)的材料分析電路(50)；包括發送天線(62)、接收天線(64)和接地層(68)的天線系統(60)；把所述天線系統(60)連接到材料分析電路(50)的連接結構(65)。所述材料分析電路(50)的發送裝置(52)產生電磁波信號，所述電磁波信號適于由所述發送天線(62)發送并被導入要分析的材料。所述接收天線(64)接收從材料返回的任何信號，并將所述返回的信號發送給所述接收裝置(54)和控制裝置(70)。然后，所述控制裝置(70)分析所述的信號，得到材料的特性，所述特性包括密度、材料離析度和水分中的至少一個。
文檔編號G01N22/04GK1659443SQ03812597
公開日2005年8月24日 申請日期2003年4月16日 優先權日2002年5月30日
發明者唐納德·J·蓋澤爾 申請人:唐納德·J·蓋澤爾