：图1为本发明机载式结构总体示意图;
图2为探测滚筒结构图;
图3为γ源与测量深度调节机构图;
图4为测距机构图;
图5为本发明手推车式结构总体示意图;
图6为压路机与探测滚筒连接架连接图;
图7为本发明的“自适应峰位跟踪调节器”原理图;
图8为本发明的系统原理框图。
本发明为物理测量仪器，主要由主机、探测滚筒、标准块、标准块支架、电源充电器、手推测量车、压路机连接架、微计算机及辅助系统等构成。其原理由物理学中可知，任何一个非电物理量的电测过程，都要采用相应的传感器件与方法，首先将该物理量转换成电压或电流，然后才能进入电测系统进行分析。本仪器所涉及的非电量为密度，含水量，测试距离，地表温度，测试深度和时间共6种，现详述其结构特征。
1.本发明的结构特征和检测原理1-1    结构特征说明本发明有机载式和手推车式两种结构形式，两种结构形式的主要区别在于探测滚筒与牵引行走的机具在联接方式的不同，其余结构和性能是相同和兼容的。图1为本发明的机载式结构总体示意图，它由探测滚筒[A]、连接架[B]、压路机[C]、主机[D]、测温器[E]、电源[F]组成。探测滚筒[A]通过连接架[B]与压路机[C]连接，探测滚筒[A]位于压路机[C]前端下方并与被测材料表面接触。主机[D]、测温器[E]和电源、充电器[F]安装在压路机[C]的驾驶室内。
图5为本发明的手推车式结构总体示意图，主要由探测滚筒[A]、上平行四边形杆件[25A]、下平行四边形杆件[25B]半月形连接板[25C]、方形连接板[25D]、万向轮[21]、电源、充电器[F]、红外测温器[E]、主机[D]、推杆[23]、标准块支架[20]、标准块[22]、锁定销[24]组成。上下平行四边形杆件[25A]、[25B]、半月形连接板[25C]和方形连接板[25D]彼此连接构成车架[25]，并将探测滚筒[A]和万向轮[21]连接构成一个整体，且具有行走、转向及检测功能。推杆[23]铰接在连接板[25D]的下方、推杆[23]距地面高度可以调节以适应操作者身高的要求，调节好后用锁定销[24]固定。探测滚筒[A]置于推车[G]的前下方，成为手推车的导向轮和信号检测器，万向轮[21]则为转向轮。电源、充电器[F]装在车架[25]上且定位于万向轮[21]的上方。红外测温器[E]、主机[D]装在推杆[23]上。标准块[22]是测试现场密度和含水量十分稳的参考标准件，其形状可为圆形也可为方形、视标准块支架[20]的凹槽形状而定，标准块支架[20]为楔形块，上表面开有凹槽，以便放置标准块[22]，供仪器现场本底标准计数，保证仪器测量的准确性，在新的现场和路段需要时，可将滚筒[A]放置在标准块[22]上，进行本底标准计数，并以此作标准，用相对测量法，对现场进行检测。
图2为探测滚筒[A]的结构图，密度及含水量的检测采用双源双探头背散式结构。放射源以铯[Cs]137作γ源，镅241/铍作中子源，γ探测器为碘化纳[NaI（TL）]闪烁体加光电倍增管，中子探测器为锂玻璃闪烁体加光电倍增管闪烁体与光电倍增管均装于探测器内，γ源与γ探测器中心距离为180mm-220mm，中子源与探测器中心距离为60mm。放射源和探测器均装于探测滚筒[A]内，它是一长筒形空心圆柱体，具体结构如图2所示。主要由心轴[1]、轴承[2]、测距机构[3]、转速传感器[4]、前置放大电路板[5]、γ探测器[6]、中子探测器[7]、中子源[8]、γ源[9]、提源齿条付[10]、铅垫块[11]、滚筒体[12]、滚筒端盖[12A]、[12B]、γ源提升手柄[13]、测量深度选择手柄[14]组成、心轴[1]为一空心长轴，也是滚筒内构件的支承物，心轴[1]由滚筒端盖[12A]、[12B]上的轴承[2]支承。轴承[2]安装在端盖相应的轴承孔中。滚筒体[12]与两端盖[12A]、[12B]以螺钉连接。滚筒体[12]由金属材料制作，它沿被测材料表面旋转滚动，滚筒体[12]外表面与被测材料表面平行接触。在心轴[1]上装有γ源[9]、提源齿条付[10]、铅垫块[11]，γ源提升手柄[13]、测量深度选择手柄[14]、测距机构[3]中的内齿圈[18]（参阅图4）与端盖[12A]连接并跟随其运动。内齿圈[18]与小齿轮[19]啮合，小齿轮[19]套装在转速传感器[4]的转轴上，当探测滚筒[A]滚动时，通过内齿圈[18]、小齿轮[19]的啮合传动从而带动转速传感器[4]的转轴转动。转速传感器[4]为磁电式。在设计时就确定使小齿轮[19]的齿槽与传感器的端面对齐。当探测滚筒[A]滚动时，齿槽与传感器[4]端面间的磁隙即发生改变，导致传感器[4]线圈中的磁通发生变化，感应产生一个电脉冲信号，并以此信号作密度、含水量等需测参数的控制信号。
图3为γ源与测量深度调节机构图，该机构是将γ源提升降下放入不同深度的准直孔或盲孔内，以满足检测不同深度土基参数和安全存放，减少放射剂量。主要由心轴[1]、提升齿条付[10]。提升齿条付[10]包括齿条[10A]、齿轮[10B]、弹簧[10C]和钢套[10D]。γ源[9]、屏蔽套[16]、提升手柄[13]、手柄轴[17]、测量深度选择手柄[14]、铅垫块[11]、测深准直孔[15A]、测浅准直孔[15B]、安全盲孔[15C]构成。齿条[10A]与齿轮[10B]啮合、齿轮[10B]套装在手柄轴[17]上，手柄轴[17]与提升手柄[13]相连，齿条[10A]的下部穿过心轴[1]与钢套[10D]相连。γ源[9]装于钢套[10D]中，弹簧[10C]套装于齿条[10A]上，供回位压紧之用。屏蔽套[16]为铅套，固接在心轴[1]上，套上开有供γ源[9]上下移动的通孔，γ源[9]非工作时就储存在屏蔽套[16]内。铅垫块[11]为圆环形弧段，铰接在心轴[1]上可绕轴摆动。其上开有测深、测浅两个准直孔[15A]、[15B]和一个安全盲孔[15C]，三孔的中心线均在同一横截面内。铅垫块[11]与测量深度选择手柄[14]相连，搬动手柄[14]可使铅垫块[11]摆动。使γ源[9]伸入所需孔位中，进行浅测或深测，而在不工作时，则将γ源[9]置于安全盲孔内，以减少放射剂量。
在探测滚筒[A]内，如图3、4所示的γ源与测量深度调调节机构及测距机构中叙述的运动构件外。滚筒[A]内的其它构件均被机械地固定在心轴[1]上。这些构件无论滚筒[A]运动与否，构件与滚筒[A]之间，构件与构件间以及滚筒[A]整体与被测材料表面之间，它们三者之间的几何位置保持恒定，这是本发明的重要特征之一。探测滚筒[A]通过导线和接口与主机[D]连接和通讯。
图6为压路机与探测滚筒连接架连接图，连接架[B]包括两部分，一为提升滚筒[A]，二为与压路机[C]弹性连接。主要由座架[32]、提升手柄[26]、提升器[27]、提升链[28]、链钩[29]组成提升部分，上述构件全部连接在架座[32]上。而架座[32]通过螺钉与压路机[C]的前端上方连接，提升链[28]一端挂在链钩[29]上，另一端与探测滚筒[A]相连。弹性连接部分由平行四边形杆机构[30]、连接铰点[30a、30b、30c、30d]及弹性连接点[30e]，减震弹簧[30f]和支座板[31]组成。四连杆机构[30]的一端和探测滚筒[A]的心轴[1]铰接，另一端和支座板[31]的支承点铰接，支座板[31]通过弹簧[30f]和弹性接点[30e]与压路机[C]的下方连接。由于这些结构特点，使探测滚筒[A]具有滚动，左右摆动及上下移动三个自由度，使之能适应被测材料表面纵倾、横倾以及脱离接触被测材料表面的功能。
图7为“自适应峰位跟踪调节器”原理图，即在能谱峰位的左右两侧，各设置一个较窄且相等的微分通道[33]及[34]和一个调节器电路板[35]，使之随时监督比较“能谱飘移”的方向和大小，并设置微分通道宽度相等的新道位以适应其变化，保证仪器测量的准确性，其工作原理见后叙。
图8为本发明的系统原理框图，在图中设置四条检测通道，两个“自适应峰位跟踪调节器”通道以及计算机和辅助设备系统电路。
a、密度通道，它由铯（137As）γ源[9]、NaI（TL）闪烁晶体[37]、光电倍增管[38]、放大器[39]、甄别器[40A1-40A4]、反符合器[41A1-41A3]，f/v转换器[42A1-42A2]组成。
b、水份通道;它由镅/铍（241Am-Be）中子源[8]、Li玻璃闪烁体[50]、光电倍增管[51]、放大器[52]、甄别器[53B1-53B4]，反符合器[54B1-54B3]，f/V转换器[55B1-55B2]组成。
c、测距通道;它由齿内圈[18]（参见图4）、小齿轮[19]、转速传感器[4]、限幅器[56]、放大器[57]、整形器[58]组成，将滚筒[A]滚动的距离变成电脉冲信号。
d、测温通道;它由光学系统[62]、光斩波器[63]、光敏材料LiTaO3[64]、放大器[65]、解调器[66]、连接光斩波器[63]与解调器[66]的同步器[68]、放大器[67]组成。
e、密度与水分“自适应峰位调节器”通道;它由程控阀值设定器[47]、多路采样开关[43]、A/D转换器[44]、微机系统[45]、甄别器[40A1-40A4]、[53B1-53B4]，反符合器[41A1-41A2]、[54B1-54B3]，f/V转换器[42A1-42A2]、[55B1-55B2]组成。
f、时间电路;高频石英振荡器时钟[74]、分频器[73]组成时间电路。
g、状态转换及标定开关;它由密度检测状态转换开关（SK1-a）[72]，水分检测状态转换开关（SK1-b）[69]、密度标定开关（SK2）[71]，水分标定开关（SK3）[70]组成，本发明有动、静、标准计数和校验四种工作状态，都是通过状态转换开关SK1-a[72]、SK1-b[69]来实现的。为了保证检测的可靠，排除仪器本身故障因素，设置有密度与含水量较正源，仪器给出各种精确的基准信号，通过密度标定开关（SK2）[71]、水分标定开关（SK3）[70]进行仪器的标定。
h、电源;本发明由镉镍式蓄电池作电源，蓄电池、充电器放在一个电池盒内，电源、充电器[F]为浮置，与压路机[C]上的电源不共地，仪器中的高压电源[48]是通过逆变器来实现的。探测器[6]和[7]需要的600-1000伏高压由高压电源[48]供给、仪器充电1次，可供工作3天。
j、微计算机及辅助设备系统;它由微计算机[45]，显示器[46]、键盘[59]、音响是路[61]、喇叭[36]，打印机[60]检测状态转换开关（SK1-c）[78]、测温开关（SJ4-b）[77]、测量深度选择开关（SK5）[76]、检测项目（密度或水分）选择开关（SK4）[75]组成。仪器所有输入的信号均置于微计算机[45]的监督与控制之下，通过键盘[59]输入指令，实现人机对话。显示器[46]则根据试测人员的指令要求显示所需参数和图形，打印机[60]按要求打印所测路段的全部数据及对应的图表。音响是路[61]和喇叭[36]在测试过程中和测试过程完成将发出不同的音响以提醒测试人员注意。
1-2    检测原理概述密度的测量;测量土基密度时，利用铯（Cs）137作γ源，γ源[9]辐射出的γ射线进入被测材料。根据康普顿效应、γ射线与物质原子的外围电子进行弹性碰撞而发生散射，散射后的γ射线能量减少，方向改变。一般来说，物质的密度越大，康普顿散射的几率也越大。根据核散射理论，精确合理地选择γ源[9]与探测器[6]之间距离，就可使仪器在所需设计的量程范围内。遵循放射性辐射与物质相互作用的标准吸收公式，则有：I＝Ioe-μm·ρ·R……（1）式中：μm……物质质量吸收系数R……放射源至探测器之间的距离ρ……被测材料的密度Io……γ射线散前的强度I……γ射线散后的强度由于大多数建筑中所含的主要化学元素μm值都很接近，而Io和R又是人为可以选择的参数，因此可利用公式[1]进行密度检测。根据实验，本发明γ源[9]与γ探测器[6]之间距离的最佳值尺寸为180mm-220mm。
含水量检测原理本发明对含水量的检测是采用241Am-Be作中子源，中子源[8]产生的快速中子射入被测土壤中，与土壤中所含水份中的氢原子发生碰撞，碰撞后中子失去部分能量而被慢化成热中子，慢化的热中子被探测器[7]所接收。若被测材料中含水量越大，则所含氢原子就越多。在单位时间内所转化的热中子数也越多，相应地探测器所收到的热中子个数就越多;反之则少，其规律遵循如下公式：N＝A·Mx+B……（2）式中：N-为探测器单位时间内接收到的热中子个数;
Mx-被测材料中的含水量;
A·B-为常数，在仪器标定时，利用二元线性回归法求出;
射线-电信号的转换放射源产生的γ射线和快中子，通过被测材料后，散射过来的γ粒子和热中子，为非电物理量，必须转换成电量才能被仪器系统所接收。本发明是通过γ探测器[6]、中子探测器[7]实现射线-电信号的转换。两种探测器都是由闪烁体加光电倍增管组成的接收-转换器，即闪烁体将核射线中的γ粒子或热中子接收并线性地转换成光脉冲信号，然后传递给光电倍增管将光脉冲再一次线性地转换放大成电脉冲信号。其后再通过放大、甄别、整形后，输入微机进行定量分析。
被测材料表面温度的检测被测材料场地的温度，是影响检测系统“能谱飘移”的一个主要因素，因此本发明设置有温度检测项目。由物理学可知，红外线是一种普遍存在的电磁波，在一般情况下，任何物体都会发射红外线。根据热辐射理论，任何物体的辐射能谱和该物体的绝对温度及波长有关。若以W表示单位时间内，单位面积上物体在绝对温度T时的红外辐射总能量，则有：W＝δ·ε∫∞Of（λ·T）dλ＝σ·εT4……（3）式中：T-物体的绝对温度;
ε-物体的表面的比辐射率;
σ-为斯忒藩-波尔曼常数，其值为5.6697×10-12瓦、厘米2、度-4上式说明，物体的表面温度越高，表面所辐射的能量就越大。红外测温器根据这一原理，把被测物体表面所辐射的一部分红外线接收下来，通过光学系统聚焦到光敏转换材料LiTaO3（钽酸锂）上，使之变成电信号，然后放大、输入微机进行测试。
距离检测原理在前面已述，本发明的主特征之一，就是测距机构[3]所发出的电脉冲信号作为其它检测参数的控制信号，因此测距机构的结构原理就是将探测滚筒[A]的位移量转换成电量。测距机构[3]的具体结构如图4所示。它由探测滚筒[A]、齿圈[18]与小齿轮[19]啮合，小齿轮[19]套装在转速传感器[4]的转轴上，在结构设计时就确定，传感器[4]端面与小齿轮[19]径向平行，并保证滚筒[A]每转动一单位距离，小齿轮[19]有一个齿槽通过，齿槽与传感器[4]端面间的磁隙即发生变化，导致传感器[4]中线圈中的磁通变化并产生感应电动势，其电动势为：e＝- (dψ)/(dt) ＝-ω (dψ)/(dt) ……（4）式中：e-为感应电动势;
ψ-为磁通链;
ω-为线圈匝数;
φ-为磁通。
这一感应电动势，以电脉冲形式出现，它通过电路、计算机处理后，作为其它参数测定的控制信号来运行的。
深度测定传感器原理本发明设计了测深和浅两种状态，其测量原理和电路处理方式相同，只需通过机械方式将γ源[9]及其附件变动相关位置即可实现。参见图3，γ源[9]与测量深度调节器机构中，设置提源齿条付[10]、齿条付中的齿条[10A]与齿轮[10B]啮合，齿轮轴[17]与提源手柄[13]相接，齿条[10A]的一端接γ源[9]、γ源[9]可在屏蔽套[16]中上下移动，铅垫块[11]铰接在心轴[1]上，测量深度选择手柄[14]与铅垫块[11]相连，铅垫块[11]可绕心轴[1]摆动。当需要测深时，首先将γ源[9]提起，使之离开安全盲孔[15C]，将手柄[14]置于测深位置，这时铅垫块[11]摆动一个角度，使测深准直孔[15A]对准γ源[9]，转动提源手柄[13]将γ源[9]伸入准直孔[15A]内，即可进测深检测。同样操作亦可进行浅层检测。其传感原理和信号处理过程同前面所述相同。
时间的传感原理，它利用钟[70]石英晶体振荡器所产生的高稳定性的时基信号，通过分频器[71]而获得。
“自适应峰位跟踪调节器”原理在本发明的探测器中，使用了闪烁体和光电倍增管器件，光电倍增管的放大倍数及其光谱响应，闪烁体的光子产额等因素，决定了探测器的输出脉冲幅度。而这些因素则随外界温度而变化，此外通道电路中的线性放大器的增益，甄别器的阈值电压以及高压电源等，也将会随温度和时间发生飘移。这些原因将导致仪器测量系统产生误差。严重时致使仪器不能工作。为此，在电路设计中设置了“自适应峰位跟踪调节器”，使误差得以避免，保证仪器的精度。其结构如图7所示;即在能谱峰位的左右两侧，各设置一较窄且相等的微分道[33]及[34]，然后利用计算机随时监视与比较两分道的计数率N1和N2的变化，并通过N1/N2比较来判断峰位飘移的方向和大小。参见图7，当N1/N2＞1时，则能谱左移，且飘移量与N1/N2的大小相对应;反之，若N1/N2＜1则能谱右移。计算机根据以上分析结果，再刷新程控阈值设定器的内容来设定微分道宽度相等的新道位。上述过程是不断地进行跟踪调节，从而确保测量的正确进行。
2    系统电路总体结构原理2-1    系统通道图8为本发明的系统原理框图本发明的框图设置四个通道。即由铯137Csγ源[9]、NaI（TL）晶体[37]、光电倍增管[38]、放大器[39]、甄别器（40A1-40A4），反符合器（41A1-40A3），f/V转换器（42A1-42A2）组成密度通道;由镅铍（241/Am-Be）中子源[8]，锂玻璃[50]，光电倍增管[51]，放大器[52]、甄别器（53B1-53B4），反符合器（54B1-54B3），f/V转换器[55B1-55B2）组成含水量通道;由内齿圈[18]、小齿轮[19]，转速传感器[4]、限幅器[56]，放大器[57]，整形器[58]组成测距通道;由光学系统[62]、光斩波器[63]、钽酸锂（LiTaO3）光电转换器[64]、放大器[65]、解调器[66]、放大器[67]组成测温通道。在框图内同时设置由程控阈值设定器[47]，多路采样开关[43]、A/D转换器[44]、微机系统[45]与甄别器[40A1-40A4）、（53B1-53B4），反符合器（41A1-41A3）、（54B1-B3），f/V转换器（42A1-42A2）、（55B1-55B2）分别组成密度和水分两通道的“自适应峰位跟踪器”。
2-2    电路系统原理本发明设置有动态测试、静态测试，标准计数和校验四种状态，通过密度测状态转换开关（SK1-a）[72]和水分测状态开关（SK1-b）[69]来实现。无论仪器处于何种状态均置于微机的监督与控制之下。
当仪器置于动、静、标三种状态时，所有外部传感信号（密度、含水量、距离、温度）均进入仪器内部，并经过放大、甄别、整形，f/V转换等信号调节，然后再进入计算机各个模拟输入口，外部事件计数器与并行输入口。此时，一方面，微机通过对外部密度、水分信号的分析与判断、随时刷新程控阈值设定器[47]的内容以设置新的道位。在此时，若微计算机接收到测试人员按下的“开始”命令后，在距离和（或）时间信号的相互控制下，自动完成信号采集，参数计算、文字表格图形的处理等全测试与整理过程。此后，则可依据测试者的指令要求，将仪器测得的数据自动编成简明的表格，或将其与测试路面距离严格对应的“温密度-距离”（“WD-L”），“含水量-距离”（“M-L”），“百分比含水量-距离”（“M%-L”），“压实率-距离”（“C%-L”），波形图打印出来。另外，在整个测试过程中，仪器还可以通过点阵式液晶显示器随时向测试者提供测试的当前值和距离、序号、温度以及大量地引导性、提示性文字信息。
为保证检测的可靠，不受仪器本身故障的影响，本发明设有密度与含水量的校正源。当仪器处于“校正”状态时，它通过各自的标定开关SK2[71]、SK3[70]，给出各种精确的基准信号，以校正仪器本身，排除因仪器本身隐患而带来的测量不准确的影响。
3、本仪器的主要技术指标：（1）测量范围：密度 1120～2740kg/m3含水量 0～640kg/m3（2）测量深度：浅层    70mm深层    150mm含水量（250kg/m3时）150mm（3）测量误差：密度±0.03g/cm3含水量±0.15g/cm3