专利名称：一种同步测量基体介质密度和水分含量的装置的制作方法
技术领域：
一种同步测量基体介质密度和水分含量的装置技术领域[0001]本实用新型属于利用电磁波或粒子辐射来测试或分析材料技术领域，特别是一种利用Y源和电磁波同步测量基体介质密度和水分含量的装置。
背景技术：
[0002]对于以泥土、沙石混合物等为原料的压实材料进行密度和水分现场测定，在水库坝基建设、铁路、公路路基等建筑施工中，具有广泛而重要的应用。基体的压实密度和水分含量与基体质量和基体耐久稳定性密切相关，是两个需要严格控制的质量指标。施工中需要对基体进行分层碾压，使基体的压实密度和水分含量达到相应的施工质量标准。对于碾压质量的现场快速检测是确保施工质量达标的有效手段。现行的作法是采用表层型核子密度水分仪对各种土、石等地基工程碾压质量进行现场检测。表层型 核子密度水分仪采用Y-射线测量介质密度，采用快中子被氢原子慢化测量介质含水量，两种方法同机联用，同步测定含水量和介质密度。由于中子源Am-241-Be的强放射性和长的半衰期，其采购、使用、保管均由国际反恐大环境的影响而受到越来越严格的控制，基于非中子源的水分含量测定方法与装置的研发意义重大。[0003]美国专利(专利号US8071937B2，授权日2011. 12. 6.)公开了基于非中子源的基体介质密度和水分含量测量方法、测量系统及计算方法，测量系统包括相互独立的密度测量部分和水分测量部分，其密度测量部分包括Y -射线辐射源和辐射传感器，水分测量部分包括电磁场发生器和电磁传感器。其计算方法部分详细介绍了电磁测量水分含量的原理及计算方法。其密度测量部分和水分测量部分是相互独立的，密度测量和水分测量过程是相互分离的，且水分测量仅限于介质表面，未就如何实现基于非中子源的基体介质密度和水分含量同步测定、特别是土壤深处，如常见的20厘米到30厘米深度处水分的测定给出具体可行的解决方案。[0004]中国实用新型专利说明书(公告号CN201035151Y，公告日2008. 3. 12)公开了一种核子频域水分-密度联用测试仪，含有机座、显示屏和CPU集成电路板，机座设有可升降的Y-射线源杆和Y-射线探测器，同时还设有频域水分探测头和压杆组件，水分探测头由电极、高频电流发生器及电流输出接口组成，压杆组件含压杆和压力块，压杆一端铰接在机座上，压力块通过压杆可推动频域水分测量探头向下运动，从而将探头入待测土层内进行水分检测。此方案可以测量除基体表层以外的一定深度处水分的含量，但仍存在如下问题一、密度测量部分和水分测量部分相互独立，不能实现基体介质密度和水分同步测定； 二、只有比较尖锐的水分探头如针形探测头才能保证深入土壤深处，且每次测量都可能伤及探头，或者需要特殊防护的探头。发明内容[0005]本实用新型的目的在于提供一种同步测量基体介质密度和水分含量的装置，可以在同一时间、同一地点实现基于非中子源的基体介质密度和水分含量测定，特别是可以准确测量土壤深处的水分含量。[0006]实现本实用新型目的的技术解决方案为一种同步测量基体介质密度和水分含量的装置，包括底座和主电路板，底座的一侧设有竖直的支撑杆和源杆，源杆的下端设Y-源腔室，底座的另一侧的底部设有Y-射线探测器，一水平设置的手柄与源杆连接，在源杆的Y-源腔室之上依次设有水分传感器和PCB密封舱室，水分传感器与PCB密封舱室内的水分传感器测量电路电连接，水分传感器测量电路与主电路板电连接。[0007]优选地，支撑杆是中空的，支撑杆的侧面开有竖向导缝，源杆置于支撑杆内，手柄一端与源杆固定连接，另一端通过支撑杆的竖向导缝伸出，并可沿该竖向导缝带动源杆一起上下移动。[0008]进一步优选，水分传感器测量电路与主电路板的电连接这样形成源杆也是中空的，在中空的源杆内设有滑杆，滑杆上下端部受限于手柄，可在两端部范围内相对于手柄上下滑动，滑杆下端接下弹簧，下弹簧的下端与PCB密封舱室上端相接，滑杆上端接上弹簧， 上弹簧上端接支撑杆的顶盖，电缆经下弹簧、滑杆和上弹簧，一端经PCB密封舱室与水分传感器测量电路相连，另一端经顶盖与主电路板相连。[0009]作为改进，支撑杆的外侧设有容纳电缆的竖向侧槽。[0010]优选地，上弹簧与下弹簧在自然状态下的长度比为I :2 4。[0011]优选地，滑杆的长度为15 25厘米。[0012]作为进一步改进，在支撑杆上与竖向导缝相对位置的侧壁上开有定位孔，手柄内设有定位制动阀和带弹 簧的定位制动阀扳机，定位制动阀可在定位制动阀扳机的作用下与定位孔结合或分离。[0013]优选地，水分传感器为由非金属材料固定且相互绝缘的两块截面呈圆弧状的金属片组成的圆柱状部件。[0014]另一优�。执衅魑猆形金属线缠绕在非金属圆柱体上，U形金属线中间设接地线，接地线与U形金属线之间不导通。[0015]本实用新型与现有技术相比，其显著优点[0016]I、方便、快捷采用本实用新型装置的结构后，随着源杆深入基体介质如土壤， Y-射线源和基于非中子源水分传感器同时深入基体介质内部，可以同时在同一地点一次性测得基体介质密度和水分含量；[0017]2、结构简单，操作方便而且由于Y-射线源和水分传感器在同一根源杆上，结构简单，操作方便；[0018]3、安全由于不用中子源测量水分含量，仪器使用、贮存都更安全，在如今严格控制危险器的大环境下，易于推广使用。[0019]
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
[0020]图I为本实用新型同步测量基体介质密度和水分含量的装置存放状态的结构示意图。[0021]图2为本实用新型同步测量基体介质密度和水分含量的装置工作状态的结构示意图。[0022]图3a为圆弧柱状水分传感器的外形图，适用于时域反射和频域反射法测水分含量。[0023]图3b为图3a所示圆弧柱状水分传感器的透视图。[0024]图4a为线绕柱状水分传感器的外形图，适用于时域传输法测水分含量。[0025]图4b为图4a所示线绕柱状水分传感器的透视图。[0026]图5为时域反射法(TDR)测水分含量的原理图。[0027]图6为时域传输法(TDT)测水分含量的原理图。[0028]图7为频域反射法(FDR)测水分含量的原理图。[0029]图8a为时域传输-鉴相法(TDT-PD)测水分含量的原理图。[0030]图8b为图8a所示时域传输-鉴相法(TDT-PD)测水分含量的原理中关键点波形图。图9为时域反射-频率电压转换法(TDR-F/V)测水分含量的原理图。[0032]图10为基于传输线驻波效应频域反射法(FDR)测水分含量的原理图。[0033]图中，I Y -源腔室，2水分传感器，3水分传感器测量电路，4PCB舱室密封，5下弹簧，6滑杆，7上弹簧，8电缆，9定位制动阀，10定位制动阀扳机，11手柄，12支撑杆顶盖13 主杆，14支撑杆，15定位孔，16侧槽，17侧舱，18辐射防护铅包，19防护快门仓，20辐射防护铅屏蔽，21辐射防护快门机构，22 Y -射线探测器，23密度测电路，24主电路板，25电池组， 26电池充电电路，27显示屏，28红外接收�？椋�29G�？椋�30上盖，31底座。
具体实施方式
[0034]如图I和图2所示，本实用新型同步测量基体介质密度和水分含量的装置，包括底座31和主电路板24，底座31的一侧设有大致竖直的支撑杆14和源杆13，源杆13的下端设Y-源腔室1，底座31的另一侧的底部设有Y-射线探测器22，一大致水平设置的手柄 11 一端与源杆13固定连接，在所述源杆13的Y-源腔室I之上依次设有水分传感器2和 PCB密封舱室4，水分传感器2与PCB密封舱室4内的水分传感器测量电路3电连接，水分传感器测量电路3与主电路板24电连接。[0035]作为现有技术，Y-源腔室I内放置Y-射线源，PCB密封舱室4用于密封印刷电路即水分传感器测量电路3，侧舱17用于放置显示屏27、Y-射线探测器22、密度测量电路 23、主电路板24、电池组25、电池充电电路26、控制按键27、红外接收�？�28、GPS模块29 等，底座31还有上盖30，底座31内还有辐射防护铅包18、防护快门仓19、辐射防护铅屏蔽 20、辐射防护快门机构21。[0036]图I和图2中支撑杆14是中空的，支撑杆14的侧面开有竖向导缝，源杆13置于支撑杆14内，手柄11 一端与源杆13固定连接,另一端通过支撑杆14的竖向导缝伸出，并可沿该竖向导缝上下移动。源杆13置于支撑杆14内，且尽量同轴，使装置结构简单，便于携带、使用和贮存。如果源杆13不置于支撑杆14内，则支撑杆14是否中空无关紧要，如现有技术CN201035151Y所示的结构。支撑杆14和源杆13大致竖直，手柄11大致水平，是由于实际使用中易于依靠手柄11用力下压源杆13，使源杆13下端深入基体介质内部的原因。[0037]由于此类仪器多在野外施工现场使用，其简便、可靠性特别重要。水分传感器2与水分传感器测量电路3共同置于源杆13内，提高了水分测量的可靠性，但同时与主电路板24的连接变得困难。为保证水分传感器测量电路3与主电路板24的可靠连接，水分传感器测量电路3与主电路板24的电连接这样形成中空的源杆13内设有滑杆6，滑杆6上下端部受限于手柄11，可在两端部范围内相对于手柄上下滑动，滑杆6下端接下弹簧5，下弹簧5的下端与PCB密封舱室4上端相接，所述滑杆6上端接上弹簧7，上弹簧7上端接支撑杆14的顶盖12，电缆8经所述下弹簧5、滑杆6和上弹簧7，一端经PCB密封舱室4与水分传感器测量电路3相连，另一端经顶盖12与主电路板24相连。[0038]当装置处于如图I的存放状态时，PCB密封舱室4上端与支撑杆14的顶盖12间离较近；当处于如图2的工作状态时，PCB密封舱室4上端与支撑杆14的顶盖12间距离较远。所以PCB密封舱室4上端与支撑杆14的顶盖12之间电缆的长度是不断变化的，且这种变化是极其频繁的。为保证电连接的牢固、可靠，本实用新型采用了上述弹簧、滑杆机构。电缆8部分地缭绕在上弹簧7和下弹簧5，位于滑杆6内的部分与滑杆6相对固定。当手柄11从最上端的存放状态位置带动源杆13向下运动时，同时也相对 滑杆6从上端向下运动，直至手柄11运动至滑杆6下端，此过程上弹簧7、滑杆6和下弹簧5 —直处于静止状态；如手柄11继续向下运动，由于滑杆6下端受限于手柄11，滑杆6将随手柄11 一起向下运动，这时上弹簧7拉伸，下弹簧5压缩。缭绕在上弹簧7和下弹簧5上的电缆8也随着弹簧变形，但不会伤及电缆8。直至手柄11运动至支撑杆14侧面竖向导缝的下限，这时源杆 13进入基体介质最深，同时测得最深处的介质密度和水分含量。手柄11反向向上移动，则先是下弹簧5由压缩状态舒展开，最后至弹簧5的拉伸状态，上弹簧7由拉伸状态回至自然状态，最后至压缩状态，这时手柄11上行至支撑杆14侧面竖向导缝的上限，仪器回复到存放状态。借助辐射防护快门机构21作用，使源杆13下端的Y-射线源处于辐射防护铅屏蔽20内。[0039]本装置测量土壤最大深度为30厘米，为合理分配上弹簧7和下弹簧5的拉伸长度，保证多次使用仍能保持良好弹性，在大量实验和使用经验总结基础上，得出滑杆6的长度为15 25厘米，最好为20厘米，上弹簧7与下弹簧5在自然状态下的长度比为I :2 4，最好为I :3。[0040]为固定、收纳支撑杆14顶盖12至底座31之间的电缆，以提高装置电连接的可靠性，延长使用寿命，在支撑杆14的外侧设有容纳电缆8的竖向侧槽16。根据常识，此侧槽 16不位于支撑杆14侧面竖向导缝位置即可。最好位于彼此相对的位置。[0041]在支撑杆14上与竖向条缝相对的侧壁上开有定位孔15，手柄11内设有定位制动阀9和带弹簧的定位制动阀扳机10，定位制动阀9可在定位制动阀扳机10的作用下与定位孔15结合或分离。定位孔可为5个，分别位于使源杆13处于存放状态、深入基体介质深度为0、10、20、30厘米的位置。这是由于本装置测量的常规深度为0、10、20、30厘米。如果测量深度标准有变化，当然可以采取不同位置设定位孔。[0042]源杆13上位于Y -源腔室I和PCB密封舱室4之间的水分传感器2根据不同的电磁波测量原理可有不同的型式。[0043]例如，一种型式如图3a和图3b所不,水分传感器2为由非金属材料固定且相互缘的两块截面呈圆弧状的金属片组成的圆柱状部件。其中非金属材料既作为固定两块截面呈圆弧状的金属片，又作为使两块金属片相互绝缘的介质，还作为圆柱状部件的中间填充物质，以保证杆的强度，适用于采取时域反射(TDR)和频域反射(FDR)原理测量基体介质中水分含量。[0044]另一种如图4a和图4b所示，所述水分传感器2为U形金属线缠绕在非金属圆柱体上，U形金属线中间设有接地线，接地线与U形金属线之间不导通。适用于采取时域传输 (TDT)原理测量基体介质中水分含量。[0045]上述形状的水分传感器2巧妙地与源杆13开关配合，即便于深入被测介质，又能与被测介质充分接触，形成合理的测量电磁�。Ｖげ饬烤龋医峁辜虻ィ陀谩0046]采用不同的水分传感器2，水分传感器测量电路3则应与之匹配，而水分传感器测量电路3可以采用现有技术的任何电路实现。[0047]有关非中子源的基体介质密度和水分含量计算方法，美国专利US8071937B2及相关资料有详细介绍，下面仅就本实用新型相关部分作简要引述说明。[0048]电磁波水分测量原理建立在麦克斯韦经典电磁理论上，测量的是电磁波在介质中的传播速度，利用电磁波传播速度与介质介电常数之间的函数关系计算出介质的体积含水百分比。主要通过时域反射(TDR, Time Domain Transmission,如图5)、时域传输(TDT, Time Domain Transmission,如图 6),或频域反射(FDR, Frequency Domain Reflectrometry,如图7)来实现。[0049]从麦克斯韦经典电磁理论或实验数据都可以导出，电磁波在介质中的传播速度V 与介质的复介电常数ε = ε ’ -j ε ”之间存在
权利要求1.一种同步测量基体介质密度和水分含量的装置，包括底座(31)和主电路板(24)，底座(31)的一侧设有竖直的支撑杆(14)和源杆(13)，源杆(13)的下端设Y-源腔室(1)，底座(31)的另一侧的底部设有Y-射线探测器(22)，其特征在于一水平设置的手柄(11)与源杆(13)连接，在所述源杆(13)的Y -源腔室(I)之上依次设有水分传感器(2)和PCB密封舱室(4 )，水分传感器(2 )与PCB密封舱室(4 )内的水分传感器测量电路(3 )电连接，水分传感器测量电路(3)与主电路板(24)电连接。
2.根据权利要求I所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于所述支撑杆(14)是中空的，支撑杆(14)的侧面开有竖向导缝，源杆(13)置于支撑杆(14)内， 手柄(11)一端与源杆(13)固定连接，另一端通过支撑杆(14)的竖向导缝伸出，并可沿该竖向导缝上下移动。
3.根据权利要求2所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于，所述水分传感器测量电路(3)与主电路板(24)的电连接这样形成源杆(13)是中空的，所述中空的源杆(13)内设有滑杆(6)，滑杆(6)上下端部受限于手柄(11)，可在两端部范围内相对于手柄上下滑动，所述滑杆(6)下端接下弹簧(5)，下弹簧(5)的下端与PCB密封舱室(4) 上端相接，所述滑杆(6)上端接上弹簧(7)，上弹簧(7)上端接支撑杆(14)的顶盖(12)，电缆(8)经所述下弹簧(5)、滑杆(6)和上弹簧(7)，一端经PCB密封舱室(4)与水分传感器测量电路(3)相连，另一端经顶盖(12)与主电路板(24)相连。
4.根据权利要求3所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于在所述支撑杆(14)的外侧设有容纳电缆(8)的竖向侧槽(16)。
5.根据权利要求3所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于所述上弹簧(7)与下弹簧(5)在自然状态下的长度比为I :2 4，所述滑杆(6)的长度为15 25厘米。
6.根据权利要求2至5之一所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于在所述支撑杆(14)上与竖向导缝相对的侧壁上开有定位孔(15)，手柄(11)内设有定位制动阀(9)和带弹簧的定位制动阀扳机(10)，定位制动阀(9)可在定位制动阀扳机(10) 的作用下与定位孔(15)结合或分离。
7.根据权利要求I所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于所述水分传感器(2)为由非金属材料固定且相互绝缘的两块截面呈圆弧状的金属片成的圆柱状部件。
8.根据权利要求I所述的同步测量基体介质密度和水分含量的装置，其特征在于所述水分传感器(2)为U形金属线缠绕在非金属圆柱体上，U形金属线中间设有接地线，接地线与U形金属线之间不导通。
专利摘要本实用新型涉及一种同步测量基体介质密度和水分含量的装置，包括底座和主电路板，底座的一侧设有竖直的支撑杆和源杆，源杆的下端设γ-源腔室，底座的另一侧的底部设有γ-射线探测器，一水平设置的手柄与源杆连接，在源杆的γ-源腔室之上依次设有水分传感器和PCB密封舱室，水分传感器与PCB密封舱室内的水分传感器测量电路电连接，水分传感器测量电路与主电路板电连接。支撑杆是中空的，支撑杆的侧面开有竖向导缝，源杆置于支撑杆内，手柄一端与源杆固定连接，另一端通过支撑杆的竖向导缝伸出，并可沿该竖向导缝上下移动。本装置能方便快捷地同时、同地测得不同深度处介质的密度和水分含量，而且结构简单，操作方便，安全可靠。
文档编号G01N23/00GK202793963SQ201220382330
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者李政, 曹中, 崔敏, 陈海洋, 仇宏军 申请人:南通中天精密仪器公司
专业数控铣床产品供应商
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