用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品
阅读：188发布：2022-02-05
专利汇可以提供用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于确定 建筑材料 的性质的方法、系统及 计算机程序 产品。根据一方面，公开了一种可用于确定建筑材料的性质的材料性质测量计。材料性质测量计包括可用于测量建筑材料对电 磁场 的响应的电磁 传感器 。此外，电 磁传感器 可用于产生表示测得的建筑材料对 电磁场 的响应的 信号 。声探测器可用于探测建筑材料对声能的响应。此外，声探测器可用于产生表示探测的建筑材料对声能的响应的信号。材料性质计算功能元件可以配置为基于由 电磁传感器 和声 探测器产生的信号来计算与建筑材料相关的性质值。，下面是用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品专利的具体信息内容。
1.一种用于确定建筑材料的性质的材料性质测量计，所述材料性质测量计包括：
电磁场生成器，其不同于所述建筑材料，用于生成电磁场；
（a）电磁传感器，可用于测量建筑材料对所述电磁场的响应，并且可用于产生表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号；
（b）声探测器，可用于探测所述建筑材料对声能的响应，并且可用于产生表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号；以及
（c）材料性质计算功能元件，配置为基于由所述电磁传感器和所述声探测器产生的所述信号来计算与所述建筑材料相关的性质值。
2.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述电磁传感器包括从包含弥散场传感器、电容传感器、微波近场传感器、微波谐振器、波导传感器、传输线传感器、天线、及其组合的组选择的设备。
3.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述建筑材料包括从包含铺筑材料、底基材料、及地基材料的组中选择的材料。
4.如权利要求3所述的材料性质测量计，其中，所述建筑材料包括从包含泥土、沥青、石头的组中选择的材料。
5.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述声探测器包括从包含地震检波器、加速计、振动传感器、压电元件、感应线圈、磁致伸缩元件、弯曲部件、基于微电机系统（MEMS）的设备、地震波铺面分析仪、硬度测量计、落锤式弯沉仪、动态圆锥贯入仪、及Humboldt硬度测量计的组中选择的设备。
6.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述电磁场生成器用于发射所述电磁场到所述建筑材料中。
7.如权利要求6所述的材料性质测量计，其中，所述电磁场生成器包括从包含电压控制振荡器（VCO）、Clapp振荡器、驰豫振荡器、环荡振荡器、RC振荡器、晶体振荡器、间歇振荡器、锁相振荡器、电压振荡器、多频振荡器、耿氏二极管、数字控制振荡器、速调管、高功率微波磁电管、后向波振荡器、VLF发送器、集成电路定时器、任意波形生成器、脉宽调制设备、模拟综合器、电流源、综合源、YIG调谐振荡器、及集成电路的组选择的设备。
8.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于由所述电磁传感器产生的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算。
9.如权利要求8所述的材料性质测量计，其中，由所述电磁传感器产生的所述信号表示与所述建筑材料相关的湿度性质值。
10.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于由所述声探测器产生的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算。
11.如权利要求1所述的材料性质测量计，其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于由所述电磁传感器和所述声探测器产生的信号来计算所述建筑材料的密度、湿度值、及模量中的一个或多个。
12.如权利要求11所述的材料性质测量计，其中，由所述电磁传感器产生的所述信号表示与所述建筑材料相关的孔隙值。
13.如权利要求1所述的材料性质测量计，包括声生成器，可用于发射所述声能到所述建筑材料中。
14.如权利要求13所述的材料性质测量计，其中，所述声生成器包括从包含贯入仪、Clegg锤、落锤式弯沉仪、Briaud成型设备、FWD、地震检波器、加速计、振动传感器、压电设备、基于感应线圈的设备、磁致伸缩设备、弯曲部件、基于微电机系统（MEMS）的设备、电机混合器、螺旋管激活锤、测量锤、频域设备、及时域设备的组中选择的设备。
15.如权利要求1所述的材料性质测量计，包括显示器，可用于显示与所述建筑材料相关的所述性质值。
16.如权利要求1所述的材料性质测量计，包括贯入仪，可用于测量所述建筑材料的湿度、密度和模量中的至少一个，并且其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于所述测量的湿度、密度、及模量中的至少一个来校正对所述建筑材料的密度或模量计算。
17.一种用于确定建筑材料的性质的材料性质测量计，所述材料性质测量计包括：
电磁场生成器，其不同于所述建筑材料，用于在至少两个频率的范围上生成电磁场；
（a）电磁传感器，可用于测量建筑材料对所述电磁场的响应，并且可用于产生表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号，其中所述响应包括由所述电磁场生成器所生成的电磁场在所述建筑材料中引入的电场的至少一个影响；
（b）温度传感器，可用于测量与所述建筑材料相关的温度，并且可用于产生表示测得的与所述建筑材料相关的温度的信号；以及
（c）材料性质计算功能元件，配置为基于由所述电磁传感器和所述温度传感器产生的所述信号来计算与所述建筑材料相关的性质值。
18.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述电磁传感器包括从包含弥散场传感器、微波近场传感器、微波谐振器、及天线的组选择的设备。
19.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述建筑材料包括从包含铺筑材料、底基材料、及地基材料的组中选择的材料。
20.如权利要求19所述的材料性质测量计，其中，所述建筑材料包括从包含泥土、沥青、石头的组中选择的材料。
21.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述温度传感器包括从包含红外热传感器、光红外传感器、热偶、基于固态的温度传感器、及基于电阻的温度传感器的组中选择的设备。
22.如权利要求21所述的材料性质测量计，其中，所述温度传感器包括电阻温度探测器（RTD）。
23.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述电磁场生成器用于发射所述电磁场到所述建筑材料中。
24.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述电磁场生成器包括从包含电压控制振荡器（VCO）、Clapp振荡器、驰豫振荡器、环荡振荡器、RC振荡器、晶体振荡器、间歇振荡器、锁相振荡器、电压振荡器、多频振荡器、耿氏二极管、数字控制振荡器、速调管、高功率微波磁电管、后向波振荡器、VLF发送器、集成电路定时器、任意波形生成器、脉宽调制设备、模拟综合器、电流源、综合源、YIG调谐振荡器、及集成电路的组选择的设备。
25.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于由所述电磁传感器产生的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算。
26.如权利要求25所述的材料性质测量计，其中，由所述电磁传感器产生的所述信号表示与所述建筑材料相关的湿度性质值。
27.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于由所述温度传感器产生的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算。
28.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，由所述电磁传感器产生的所述信号表示与所述建筑材料相关的孔隙值。
29.如权利要求17所述的材料性质测量计，其中，所述材料性质计算功能元件配置为基于由所述电磁传感器和所述温度传感器产生的所述信号来计算所述建筑材料的密度、湿度值、及模量中的一个或多个。
30.如权利要求17所述的材料性质测量计，包括显示器，可用于显示与所述建筑材料相关的所述性质值。
31.一种用于确定建筑材料的性质的方法，所述方法包括：
使用不同于所述建筑材料的电磁场生成器来生成电磁场；
（a）测量建筑材料对所述电磁场的响应；
（b）产生表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号；
（c）探测所述建筑材料对声能的响应；
（d）产生表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号；以及
（e）基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号来计算与所述建筑材料相关的性质值。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述建筑材料包括从包含铺筑材料、底基材料、地基材料、及混凝土的组中选择的材料。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述建筑材料包括从包含泥土、沥青、石头的组中选择的材料。
34.如权利要求31所述的方法，其中，计算与所述建筑材料相关的性质值包括基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号来计算所述建筑材料的密度、湿度值、及模量中的一个。
35.如权利要求31所述的方法，包括基于表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算。
36.如权利要求31所述的方法，包括发射所述声能到所述建筑材料中。
37.如权利要求31所述的方法，包括显示所计算的性质值。
38.一种用于确定建筑材料的性质的方法，所述方法包括：
（a）测量建筑材料对电磁场的响应，所述电磁场是由不同于所述建筑材料的电磁场生成器在至少两个频率的范围上生成的，所述响应包括由所述电磁场生成器所生成的电磁场在所述建筑材料中引入的电场的至少一个影响；
（b）产生表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号；
（c）探测所述建筑材料对温度的响应；
（d）产生表示探测的所述建筑材料对所述温度的响应的信号；以及
（e）基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述温度的响应的信号来计算与所述建筑材料相关的性质值。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述建筑材料包括从包含铺筑材料、底基材料、地基材料的组中选择的材料。
40.如权利要求39所述的方法，其中，所述建筑材料包括从包含泥土、沥青、石头的组中选择的材料。
41.如权利要求38所述的方法，其中，计算与所述建筑材料相关的性质值包括基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述温度的响应的信号来计算所述建筑材料的密度、湿度值、及模量中的一个。
42.如权利要求38所述的方法，包括基于表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算。
43.如权利要求39所述的方法，包括显示所计算的性质值。
44.一种用于确定建筑材料的性质的装置，所述装置包括：
电磁场生成器，其不同于所述建筑材料，用于生成电磁场；
（a）用于测量建筑材料对所述电磁场的响应的模块；
（b）用于产生表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号的模块；
（c）用于探测所述建筑材料对声能的响应的模块；
（d）用于产生表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号的模块；以及（e）用于基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号来计算与所述建筑材料相关的性质值的模块。
45.如权利要求44所述的装置，其中，所述建筑材料包括从包含铺筑材料、底基材料、及地基材料的组中选择的材料。
46.如权利要求45所述的装置，其中，所述建筑材料包括从包含泥土、沥青、石头的组中选择的材料。
47.如权利要求44所述的装置，其中，用于计算与所述建筑材料相关的性质值的模块包括用于基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述声能的响应的信号来计算所述建筑材料的密度、湿度值、及模量中的一个的模块。
48.如权利要求44所述的装置，包括用于基于表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算的模块。
49.如权利要求44所述的装置，包括用于发射所述声能到所述建筑材料中的模块。
50.如权利要求44所述的装置，包括用于显示所计算的性质值的模块。
51.一种用于确定建筑材料的性质的装置，所述装置包括：
（a）用于测量建筑材料对电磁场的响应的模块，所述电磁场是由不同于所述建筑材料的电磁场生成器在至少两个频率的范围上生成的，所述响应包括由所述电磁场生成器所生成的电磁场在所述建筑材料中引入的电场的至少一个影响；
（b）用于产生表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号的模块；
（c）用于探测所述建筑材料对温度的响应的模块；
（d）用于产生表示探测的所述建筑材料对所述温度的响应的信号的模块；以及（e）用于基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述温度的响应的信号来计算与所述建筑材料相关的性质值的模块。
52.如权利要求51所述的装置，其中，所述建筑材料包括从包含铺筑材料、底基材料、地基材料、水泥的组中选择的材料。
53.如权利要求52所述的装置，其中，所述建筑材料包括从包含泥土、沥青、石头的组中选择的材料。
54.如权利要求51所述的装置，其中，用于计算与所述建筑材料相关的性质值的模块包括用于基于所产生的表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的信号和所产生的表示探测的所述建筑材料对所述温度的响应的信号来计算所述建筑材料的密度、湿度值、及模量中的一个的模块。
55.如权利要求51所述的装置，包括用于基于表示测得的所述建筑材料对所述电磁场的响应的所述信号来校正对所述建筑材料的密度计算的模块。
56.如权利要求51所述的装置，包括用于显示所计算的性质值的模块。
用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 此申请要求2005年8月30日申请的美国临时专利申请60/712754号和2005年9月21日申请的美国临时专利申请60/719071号的权利，于此参照该专利的整体并入了其公开。同此，参照同时申请的名称为“METHODS，SYSTEMS，AND COMPUTER PROGRAM PRODUCTS FOR MEASURINGTHE DENSITY OF MATERIAL”的美国专利申请xx/xxxxxx号和名称为“METHODS，SYSTEMS，AND COMPUTER PROGRAM PRODUCTS FORDETERMING A PROPERTY OF CONS TRUCTION MATERIAL”的美国专利申请xx/xxxxxx号的整体并入了其公开。
技术领域
[0003] 于此描述的主旨涉及测量材料性质。更具体地，于此描述的主旨涉及用于确定建筑材料性质的方法、系统及计算机程序产品。
背景技术
[0004] 建筑工程的一个重要方面是道路建筑和维护。基于将来的负荷和环境因素来设计和建筑道路的能力是非常重要的，因为它节省将来的维护成本中的时间、努力、和资源。适当地考虑了负荷、气候及泥土条件的设计因素时，设计良好的道路会有长期性能。
[0005] 在建筑工程中，一些感兴趣的最重要的性质是诸如泥土、沥青、混凝土等的建筑材料的体积和力学(mechanistic)性质。特别是，在建筑工程实践中，存在将总体积Vt、水的质量Mw、及干固体的质量Ms与在泥土地基上建立的结构的性能关联的程序。其它感兴趣的重要性质是诸如硬度、模量及密度的力学性质。因此，这些性质的测量对建筑工程是重要的。
[0006] 用于建筑的沥青和水泥混合物典型地保持相对均一并且表现良好，除非引起了诸如偏析(segregation)的问题。通常，控制良好的材料能够以相对足的信心提供校准非核子和核子表面测量计的能力。另一方面，在多数地理区域，泥土是不均一的，并且关于建筑项目的需要挖空和填充的土木工程典型地导致不同矿物学、含湿量、分级、及纹理的泥土的区域和层。结果是，当操作员怀疑底基建筑材料中某些事情发生了变化时，诸如表面电磁或声学手段的非直接的测量方法需要频繁地重新校准。
[0007] 当前可用的最鲁棒的建筑材料测量工具之一是核子密度测量计。然而，甚至此设备也易受到作为化学成份影响的结果的有限误差的影响。核子技术的最大误差在于含水量，其用于校正湿密度测量。如果测量计下的成份变得比原始校准位置富含氢，则需要重新校准。例如，云母粘土和类似沙子的材料具有不同的化学成份，并且需要不同的湿度偏移或校正。当粘土/沙子或矿物含量在整个项目的范围中发生变化时，问题产生了。
[0008] 将实验室测试和设计标准与工地的材料工作相联系是半经验和力学设计方法的目的。例如，如果泥土达不到实验室弹性模量(RM)测试，则应当以填充料替代或用石灰石或水泥来加强泥土。工地上，泥土典型地是不均一的，并且能够因为诸如温度和湿度的气候条件而发生变化。为此，期望具有能够针对温度和/或湿度影响进行调节的质量控制手段和方法。该数据的结果能够有助于建筑人员确定低质量的泥土和沥青区域。
[0009] 用于测量建筑材料的模量的技术是已知的。通常，通过在建筑材料中生成声扰动并测量材料的扰动的响应来获得测量。例如，可以测量对声扰动的响应的波速，用于确定模量。然而，此技术中确定的模量易受不精确的影响。期望对模量测量提供校正并通常地改善建筑材料的模量测量的精度。
[0010] 因此，鉴于上述与核子密度测量计相关的困难和需求，存在对用于改善用于建筑材料的性质的方法、系统、及计算机程序产品的需求。发明内容
[0011] 根据一方面，于此描述的主旨包括用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品。根据一方面，材料性质测量计可以用于确定建筑材料的性质。测量计可以包括可用于测量建筑材料对电磁场的响应的电磁传感器。此外，电磁传感器可用于产生表示测得的建筑材料对电磁场的响应的信号。声探测器可用于探测建筑材料对声能的响应。此外，声探测器可用于产生表示探测的建筑材料对声能的响应的信号。材料性质计算功能元件可以配置为基于由电磁传感器和声探测器产生的信号来计算与建筑材料相关的性质值。
[0012] 根据另一方面，材料性质测量计可以包括电磁传感器，其可用于测量建筑材料对电磁场的响应，并可用于产生表示所述测得的建筑材料对电磁场的响应的信号。此外，测量计可以包括温度传感器，其可用于测量与建筑材料相关的温度，并可用于产生表示所述测得的与建筑材料相关的温度的信号。材料性质计算功能元件可以配置为基于由所述电磁传感器和所述温度传感器产生的所述信号来计算与所述建筑材料相关的性质值。
[0013] 如于此所使用的，术语“样品建筑材料”、“样品材料”、及“建筑材料”指建筑过程中使用的任何合适的材料。示例样品建筑材料包括泥土、沥青、铺筑材料、石头、底基材料、地基材料、水泥、耕种泥土、配料厂、混凝土固化速度、混凝土氯化物内含物、氯化钠含量、混凝土分层、含水量、水-水泥材料、碱性硅石、多种泥土、柔性沥青、以及它们的任何组合。
[0014] 如于此所使用的，术语“电磁场生成器”和“电磁场源”指可用于生成电磁场的任何合适的设备或元件。示例电磁场生成器包括电压控制振荡器(VCO)、Clapp振荡器、驰豫振荡器、环荡振荡器、RC振荡器、晶体振荡器、间歇振荡器、锁相振荡器、电压振荡器、多频振荡器、耿氏二极管、数字控制振荡器、速调管、高功率微波磁电管、后向波振荡器、VLF发送器、集成电路定时器、任意波形生成器、脉宽调制设备、模拟综合器、电流源、综合源、YIG调谐振荡器、及集成电路。
[0015] 如于此所使用的，术语“声生成器”和“声源”指可用于生成声能的任何合适的设备或元件。示例声生成器包括贯入仪、Clegg锤、落锤式弯沉仪、Briaud成型设备、及FWD、地震检波器、加速计、振动传感器、压电设备、基于感应线圈的设备、磁致伸缩设备、弯曲部件(bender element)、及基于微电机系统(MEMS)的设备、电机混合器、螺旋管激活锤、测量锤(instrumented hammer)、频域设备、及时域设备。
[0016] 可以使用计算机程序产品实施于此描述的主旨，该计算机程序产品包括包含在计算机可读介质中的计算机可执行指令。适于实施于此描述的主旨的示例计算机可读介质包括芯片存储器设备、光盘存储器设备、可编程逻辑设备、专用集成电路、以及可下载电信号。此外，实施于此描述的主旨的计算机可读介质可以设置于单个设备或计算平台上或能够通过多个设备或计算平台分配。
附图说明
附图说明
[0017] 现在将参照附图解释于此描述的主旨的优选实施例，其中：
[0018] 图1A是根据于此描述的主旨的实施例的用于测量材料的密度或模量的材料性质测量计的垂直横截面视图；
[0019] 图1B是示例用于确定样品材料的密度和模量的示例声源和示例声探测器的使用的示意图；
[0020] 图1C是示例用于确定样品材料的密度和模量的示例声源和示例声探测器的使用的示意图；
[0021] 图1D是根据于此描述的主旨的一个实施例的包括湿度传感器、一对声探测器、声生成器、及贯入仪的示例材料性质测量计的示意图；
[0022] 图2A是根据于此描述的主旨的实施例的图1A中所示的配置在背向散射模式的用于测量沥青的密度或模量的材料性质测量计的垂直横截面视图；
[0023] 图2B是如由加速计探测的示例时域波形的图示；
[0024] 图2C是针对相干性、相位、及幅度的示例频域信号的图示；
[0025] 图2D是示出湿度-模量曲线的图示；
[0026] 图2E是示出针对图2D测试的相同样品材料的模量变化与含湿量的关系曲线的图示；
[0027] 图3是根据于此描述的主旨的实施例的测量动态圆锥贯入仪的垂直横截面视图；
[0028] 图4是根据于此描述的主旨的实施例的包括于其集成有用于测量材料样品性质中使用的电气元件的杆的材料性质测量计的垂直横截面视图；
[0030] 图6是示出建筑混合物的孔隙百分比和模量的变化之间的线性关系的图示；
[0031] 图7是示出沥青温度和模量的变化之间的关系的图示；
[0032] 图8是用于根据于此描述的主旨的材料性质测量计中的微波湿度仪表的顶透视图；
[0033] 图9是示出针对含湿量的频率变化的图示；
[0034] 图10A是示例较低频率弥散传感器的垂直横截面视图；
[0035] 图10B是另一示例较低频率弥散传感器的垂直横截面视图；
[0036] 图11A是示出粘土材料(粘性泥土)和非粘土材料(非粘性泥土)在不同频率上的介电常数的对比的图示；
[0037] 图11B示出粘性泥土的传导率和介电常数的介电色散的图示；
[0038] 图11C是示出数种不同类型的粘土的介电常数色散的图示；
[0039] 图12是根据于此描述的主旨的实施例的包括声阻抗和电阻抗功能性的示例材料性质测量计的示意图；
[0040] 图13是用于使用根据于此描述的主旨的实施例的如图1A和1B中所示的配置在透射模式或背向散射模式的测量计进行性质测量的示例过程的流程图；
[0041] 图14是根据于此描述的主旨的实施例的用于使用如图1A和1B中所示的测量计进行性质测量用于表面分析的示例过程的流程图；
[0042] 图15是根据于此描述的主旨的实施例的用于测量泥土模量的示例过程的流程图；
[0043] 图16是根据于此描述的主旨的实施例的用于测量沥青模量的示例过程的流程图；
[0044] 图17是示出根据于此描述的主旨的实施例的材料性质测量计的操作的框图；
[0045] 图18是示出根据于此描述的主旨的实施例的材料性质测量计的操作的框图；
[0046] 图19是示例根据于此描述的主旨的实施例的用于计算建筑材料的性质值的示例过程的流程图；
具体实施方式
[0047] 于此描述的主旨包括用于确定建筑材料和/或多种其它材料的性质的方法、系统、及计算机程序产品。在一个实施例中，于此描述的方法、系统、及计算机程序产品可以确定与测试中的建筑材料相关的性质值。示例建筑材料包括沥青、泥土、混凝土、集料等。可以确定的示例性质值包括含湿量、泊松比、模量、剪切强度、密度、孔隙含量等。根据一方面，材料性质测量计可以包括可用于测量建筑材料对电磁场的响应的电磁传感器。电磁传感器可以产生表示测量的建筑材料对电磁场的响应的信号。声探测器可以探测建筑材料对声能的响应。此外，声探测器可以产生表示探测的建筑材料对声能的响应的信号。材料性质计算功能元件配置为基于由电磁传感器和声探测器产生的信号来计算与建筑材料相关的性质值。在一个示例中，材料性质计算功能元件可以使用含湿量测量来校正确定的建筑材料的性质值。
[0048] 影响建筑材料的模量的另一重要因素包括温度，尤其是对于沥青。在于此描述的主旨的另一实施例中，提供了材料性质测量计和相关的方法用于在材料性质计算中使用温度测量，尤其是用于对建筑材料的确定的性质值进行校正。根据一方面，材料性质测量计可以包括可用于测量建筑材料对电磁场的响应的电磁传感器。电磁传感器可以产生表示测得的建筑材料对电磁场的响应的信号。温度探测器可以校正建筑材料对声或电磁能的响应。材料性质计算功能元件配置为基于由电磁传感器和温度探测器产生的信号来计算与建筑材料相关的性质值。
[0049] 在道路建筑工程中感兴趣的一个示例性质中，力学设计方法基于铺筑材料对车辆道路的弹性响应来描述铺筑材料的特征。在此示例中，铺筑材料结构可以由沥青材料或混凝土表面、基底及地基组成，每一种的材料厚度为t，并由弹性模量E、泊松比v、及集料界面摩擦力f描述其特征。这导致能够使用工程力学来分析的分层的弹性系统。因此，能够从计算或在每一层上测得的压力和张力来估计设计和性能，导致从表面预计的响应和系统的设计。
[0050] 矿物学、饱和度、孔隙率、分级、纹理、及泥土结构对泥土的强度和模量具有重要的影响。此外，对于柔性铺筑材料，沥青含量、填充有沥青的孔隙(VFA)、矿物集料中的孔隙(VMA)、粘合物模量、温度、及负荷频率影响沥青的模量。基于核子和基于电磁的测量可以用于计算沥青含量、表面铺筑材料中的孔隙、泥土的湿度比、及泥土的孔隙率。这些体积参数与泥土、沥青、或铺筑结构的弹性响应相关。
[0051] 在一个实施例中，根据于此描述的主旨的材料性质测量计包括集成的和便携式的设备。此外，材料性质测量计可用于背向散射模式中或同时用于背向散射模式和透射模式中，如于此更详细描述的。在能够用于透射模式的测量计的一个示例中，测量计可以包括辐射源，其可以从背向散射位置到一系列透射位置垂直地移动，该背向散射位置是辐射源驻留于测量计外壳内的地方，该透射位置是辐射源插入到样品材料中的孔或洞中的地方。本主旨的受让人已经研发了能够测量样品材料密度的核子测量计。例如，美国专利4641030号、4701868号、及6310936号中公开了用于测量样品材料的密度的核子测量计，通过参考这些专利的整体将它们都并入于此。
[0052] 图1A是根据于此描述的主旨的实施例的用于测量材料的密度或模量的材料性质测量计100的垂直横截面视图。测量计100可用于精确地确定建筑材料的性质值，建筑材料比如是泥土、沥青、或任何其它合适的建筑和/或铺筑材料。可以由测量计100确定的示例性质值包括力学值、体积值、及含湿量值。测量计100可以以透射模式测量泥土的性质值并可以以背向散射模式测量沥青的性质值。测量计100具有多功能使用，其在于，通过适当的校准，测量计可以用于建筑材料的湿度和密度(及湿度和模量)的在位测量，该建筑材料比如是泥土、沥青、混凝土等。
[0053] 参照图1A，测量计100显示在透射模式中，其中，贯入仪104的尖端102安置在建筑材料106的内部。贯入仪104可以适于在建筑材料106的内部生成声能，用于探测建筑材料106对声能的响应。测量计100的操作员可以通过将贯入仪104尖端102的末端108在垂直向下方向(由箭头110的方向表示)向建筑材料106的内部移动来手动地生成声能。锤元件114可以固定地连接到贯入仪末端108，使得元件114的运动对应于贯入仪末端108的运动。
[0054] 声砧元件116可以固定地连接到尖端102。在透射模式中，砧元件116和尖端102可以相对于测量计外壳118固定。此外，贯入仪末端108和锤元件114可以相对于砧元件116和尖端102自由移动，使得锤元件114的底面120可以接触砧元件116的顶面122以生成声能。声能可以传播贯入仪104到尖端102的距离。生成的声能也可以传播进入建筑材料106中。
[0055] 在一个实施例中，贯入仪可以集成到包括双质量锤的测量计中。双质量锤可以包括第一大质量锤，用于建筑材料的初始灌入中使用。此外，双质量锤可以包括第二较小质量的锤，用于生成声扰动。与贯入仪一起使用用于生成声能的其它示例设备包括压电源、混合器、弯曲部件等。
[0056] 测量计100可以包括一个或多个声探测器124和126，其可用于探测建筑材料106对声能的响应，并可用于产生一个或多个表示探测的建筑材料106对声能的响应的信号。特别是，声探测器124可以是加速计或地震检波器，其适于探测在垂直方向上传播的声能。
声探测器126可以是加速计或地震检波器，其适于探测在水平方向上传播的声能。可以获得加速计，例如由California，San Juan Capistrono的Endevco公司生产的。
声探测器126可以是加速计或地震检波器，其适于探测在水平方向上传播的声能。可以获得加速计，例如由California，San Juan Capistrono的Endevco公司生产的。
[0057] 由声探测器124和126探测的声能可以是由建筑材料106产生的响应由贯入仪104产生的声能的声能。声探测器124和126能够响应从数赫兹到100kHz的宽带频率。响应于探测声能，声探测器124和126可以生成表示声能的电信号并传送电信号到印刷电路板(PCB)128，电路板128配置为处理电信号和/或存储表示探测的声能的数据。此外，PCB
128可以包括硬件、软件、和/或固件元件，其适于接收、处理、及发送电信号并适于存储表示由电信号表示的值的数据。PCB 128可以传送表示探测的声能的电信号给另一PCB 130，用于进一步处理和用于确定与建筑材料106相关的性质值，如与此更详细描述的。
128可以包括硬件、软件、和/或固件元件，其适于接收、处理、及发送电信号并适于存储表示由电信号表示的值的数据。PCB 128可以传送表示探测的声能的电信号给另一PCB 130，用于进一步处理和用于确定与建筑材料106相关的性质值，如与此更详细描述的。
[0058] 图1B和1C是示例用于确定样品材料的密度和模量的声源和声探测器的使用的示意图。参照图1B，声源156可以由贯入仪160插入到样品材料158中已知的深度。声能可以传播路径162到声探测器164。可以基于由贯入仪160激发声能和在探测器164探测到声能的时间来确定声能的飞行时间。此外，可以基于已知深度和在样品材料158表面上的贯入仪进入点和探测器164的位置之间的距离来估计路径162的距离。路径162的距离和飞行时间数据可以用于估计相速。基于弹性理论，相速可以用于确定样品材料158的密度和模量。
[0059] 参照图1C，以与图1B中所示的系统类似的方式，1C中所示的系统包括用于导引声能到样品材料168中的声源166，及用于探测样品材料168对声能的响应的声探测器170。此外，可以基于源166和探测器170之间的路径距离和确定的声能的飞行时间来探测样品材料168的密度或模量。图1C的系统与图1B中所示的系统的不同之处在于，声探测器170安置在贯入仪172的末端并且声源166安置在样品材料168的表面。
[0060] 图1D示例根据于此描述的主旨的一个实施例的包括湿度传感器176、一对声探测器178和180、声生成器182、及贯入仪184的示例材料性质测量计174的示意图。参照图1D，声生成器182可以生成声能，其发送到贯入仪184的60°锥尖端186。在此示例中，声生成器182刚性地连接到金属环188，其连接到贯入仪184。声能可以从尖端186发射进入到样品材料190中并由探测器178和180接收用于由MPC 190在样品材料性质值计算中使用。示例声生成器包括磁致伸缩部件、基于压电的设备、电动设备、及基于微电机系统(MEMS)的设备。此外，合适的声生成器包括由英国伦敦的GDS Instruments生产的弯曲部件。另一示例声能生成器包括具有安置在受到来自压电材料、磁致伸缩材料等的激励时会弯曲的材料之间的压电材料的设备。
[0061] 此外，湿度传感器176可用于探测样品材料190的含湿量。表示探测的含湿量的数据可以传送到MPC 192。含湿量数据可用于校正密度计算。
[0062] 再次参照图1A，测量计100可以包括电磁传感器132，其可用于测量建筑材料106对电磁场的响应，并可用于产生表示测得的建筑材料106对电磁场的响应的电信号。例如，电磁传感器132可用于测量样品材料106的电容率、电阻率、介电常数、和/或传导率。
[0063] 在此示例中，测量计100包括电磁场源134，其可用于生成电磁场并安置在建筑材料106的表面附件，以便电磁场延伸到建筑材料106中。可选地，信号源134和/或传感器132可以安置在样品材料212内部。在一个实施例中，测量计100可以包括可用于自阻抗模式中的元件，其中，在对元件供电时，测量其端子阻抗，并且随电容率升高，端子或驱动点阻抗改变。
[0064] 电磁传感器132可以探测来自建筑材料106的由信号源134产生的电磁场的至少一部分。频域和/或时域技术可用于确定建筑材料106的性质值。电磁场可以在从静态(DC)到微波的范围。用于确定湿度性质的示例频率技术包括使用弥散场电容器产生电磁场；时域反射计技术；单频技术；扫频技术；微波吸收技术；以及微波相移技术。此外，合适的湿度信号探测器包括可用于测量在单个频率、多个频率、连续的频率扫描、和/或频谱啁啾处的介电常数的实部和虚部的探测器。在时域中，可以由信号源产生直接台阶或脉冲并由探测器探测，用于确定性质值。此外，快速Fourier变换(FFT)技术可以应用于频域和时域用于确定性质值。此外，正交或双正交基分解技术可应用于频域和时域(诸如快速Fourier变换(FFT)、小波变换、或波包分解)以确定性质值。可以基于探测的电磁场来确定建筑材料106的传导率和电容率。在一个示例中，传导率和电容率可用于确定建筑材料106的湿度性质。
[0065] 测量计100可以包括分别与源134和传感器132相关的源窗口136和接收器窗口138。源窗口136和接收器窗口138可以延伸通过底板140，使得电磁场可以通过底板140及源134和传感器132之间。示例窗口材料包括氧化铝、蓝宝石、陶瓷、塑料、及合适的绝缘体。
[0066] 另一示例传感器143可以安置在贯入仪104内部，用于探测建筑材料106的电磁场。传感器143可以安置在贯入仪104的端102附近，使得在透射模式中传感器143安置在建筑材料106内。在一个示例中，传感器143可以是电容传感器，其可用于测量在相对于建筑材料106的表面预定深度处的建筑材料106的湿度性质。传感器143可以传送表示测量结果的电信号到PCB 130，用于在确定与建筑材料106相关的性质值中处理和使用。
[0067] PCB 141可用于与源134和传感器132的通信。PCB 141可以包括合适的硬件、软件、和/或固件元件，用于控制源134和传感器132。特别是，PCB 141可以控制源134来生成电磁场。例如，PCB 141可以给源134的电路供电，用于生成预定的电磁场。此外，PCB141可以用于经由同轴电缆143来接收来自传感器132的表示探测的电磁场的信号。在一个示例中，基于信号表示，PCB 141可以确定样品材料106的湿度性质。
[0068] 在一个实施例中，可以通过操作设备在微波湿度仪表(例如，图8中所示的并于此描述的仪表)上执行频率扫描来测量湿度性质。湿度仪表可在自阻抗模式操作，其中，在偶极子的输入端测量复端子阻抗。在一个示例中，偶极子在2.45GHz处谐振，在此谐振频率处天线的回波损耗最小化了。随着含水量的增大，样品材料的介电常数增大，并且由此增大了电场近场能，由此减小了谐振。
[0069] 湿度测量可以依赖于单个变量或多个变量方程。例如，可以使用诸如相对介电常数εr的一个变量来探测水。界面极化是针对异质材料的重要性质响应。因为这些极化效应(也称作Maxwell Wagner效应)，在电容率谱中产生谐振。此驰豫可用于针对特定类型泥土的含水量的确定。在较低频率，测量的介电常数具有Maxwell Wagner现象的效应，从而导致含水量测量中的误差，该误差也是温度的函数。其它的示例变量包括传导率、电容率、以及传导率中的变化和电容率中的变化对频率的色散。此外，例如，一些泥土的驰豫频率在27MHz的量级。此外，一些泥土的驰豫频率在10MHz的量级。共同转让的2004年10月22日申请的美国专利申请10/971546号(美国专利申请公开2005/015028号)提供了另外的讨论，通过参照其整体将其公开并入与此。
[0070] 在一个示例中，使用振荡电路中的反馈环来测量弥散场探测器的电容。频率由下述方程提供(其中，Ceff表示有效电容，包括环境介质、电路中的寄生效应、以及储能电路中的名义电容，而L表示感应系数)：
[0071] 2πF＝1/(sqrt(LCeff))
[0072] 可以针对湿度校准参考频率和在接入或包括弥散场电容器时的频率之间的比率。应当考虑在这些频率处归因于盐浓度的测量的灵敏度。最终结果是必须校正化学成分误差，导致针对泥土类型的许多不同的校准曲线。此外，例如美国专利4924173号、4929885号和5260666号中进行了讨论，通过参考这些专利的整体，将他们的每一个并入于此。
[0073] 基于微波的湿度性质探测器可以是有益的，例如，因为该探测器能够执行密度独立的湿度测量并且比它们的较低频率对应物不易遭受化学成份误差的影响。该探测器可以优于基于中子的湿度性质探测器，因为基于中子的探测器是密度和材料依赖的。此外，由于美国核管理委员会(NRC)规则和与中子源相关的费用，期望减少中子源的使用。
[0074] 测量计100可以包括温度传感器142，可用于测量与建筑材料106相关的温度。此外，温度142可以与温度电路144通信，用于产生表示测得的与建筑材料106相关的温度的电信号。当如图1A中所示，将测量计100的底板140安置在建筑材料106的表面上时，温度传感器142可以安置在建筑材料106的表面附近或表面上。示例温度传感器包括红外热传感器、光红外传感器、电阻温度探测器(RTD)、热偶、基于固态的温度传感器、及基于电阻(resistive-based)的温度传感器。
[0075] PCB 130可用于接收由PCB 128、141和温度电路144产生的一个或多个电信号，用于确定与建筑材料106相关的性质值。此外，PCB 130可以包括电磁测量管理器146，用于接收、管理、及处理表示电磁场的电信号。PCB141可用于传送表示探测的电磁场的电信号到管理器146。管理器146可以包括用于存储与探测的电磁场相关的数据的功能性。
[0076] 另一温度传感器147可以安置在贯入仪末端102的内部中的“潜孔”配置中。温度传感器147可用于以测量计透射模式测量与建筑材料106的内部相关的温度。表示测量的与建筑材料106的内部相关的温度的电信号可以传送到PCB 130，以在确定与建筑材料106相关的性质值中使用。
[0077] 声测量管理器148可用于接收、管理、及处理表示声能的电信号。PCB128可用于将表示探测的声能的电信号传送到管理器148。管理器148可以包括用于存储与探测的声能相关的数据的功能性。
[0078] 温度测量管理器150可用于接收、管理、及处理表示温度的电信号。温度电路144可用于将表示探测的温度的电信号传送到管理器150。管理器150可以包括用于存储与探测的温度相关的数据的功能性。
[0079] 如于此更详细描述的，材料性质计算功能元件(MPC)151可以从管理器146、148及150接收关于探测的与建筑材料106相关的电磁场、声能、及温度的数据。此外，MPC 151可以从传感器143接收测量数据。该数据可由MPC 151使用以确定建筑材料106的性质值。
MPC 151可以包括计算机程序指令，用于通过使用由管理器146、148及150提供的数据的部分或全部来确定性质值。例如，数据可用于估计建筑材料106的密度和/或校正对建筑材料106的密度估计。可用于此描述的方程和数据对MPC 151编程，用于估计或确定性质值。
MPC 151可以包括计算机程序指令，用于通过使用由管理器146、148及150提供的数据的部分或全部来确定性质值。例如，数据可用于估计建筑材料106的密度和/或校正对建筑材料106的密度估计。可用于此描述的方程和数据对MPC 151编程，用于估计或确定性质值。
[0080] 此外，MPC 151可以包括用于实施根据于此描述的主旨的密度测量和校准程序的合适的硬件、软件、和/或固件元件。MPC 151可以包括一个或多个处理器和存储器元件。示例MPC元件包括一个或多个前置放大器、光谱级Gaussian放大器、峰值探测器、以及模-数转换器(ADC)，用于执行于此描述的过程。可以经由测量计100的一个或多个接口向操作员呈现程序状态、反馈、及密度测量信息。
[0081] 测量计100可以包括用于接收操作员输入和用于向操作员显示输出的接口。特别是，测量计100可以包括用于显示输出的显示器152和用于接收操作员输入的键盘154。可以将计算的建筑材料106的性质值经由显示器152显示给操作员。
[0082] 图2A是根据于此描述的主旨的实施例的图1A中所示的配置在背向散射模式的用于测量沥青200的密度或模量的材料性质测量计的垂直横截面视图。参照图2A，在背向散射模式中，贯入仪104可以在相对于透射模式抬起的位置，使得末端102安置在沥青200的表面202上。加速计204可以安置在末端102内部，用于探测来自表面202的声能。声能可由安置在表面上比如在声探测器124和126的位置的声源传播到沥青200。沥青200对声能的响应可由加速计204探测用于分析，其声能可从测量计100的内部的元件或其它源生成。在另一示例中，贯入仪104可以发送声能到在末端102的沥青中，并且在声能离开末端102时，由加速计204、声探测器124、和/或声探测器126来探测。任何加速计204和声探测器124和126可用于触发，其来自探测的由测量计100的元件生成的声能。
[0083] 此外，加速计204可传递表示声能的电信号到PCB 130，用于处理和在确定与沥青200相关的性质值中使用。例如，信号携带的数据可用于确定沥青200的密度。数据可单独使用或与由测量计100探测的任何其它数据结合使用。例如，声能数据可与温度传感器
142执行的温度测量结合，用于确定沥青200的密度或模量。在一个示例中，贯入仪104可用于激发脉冲或扫频波到样品材料200中，以由声探测器124和126的至少一个接收。可以基于表面波来确定模量和密度。
142执行的温度测量结合，用于确定沥青200的密度或模量。在一个示例中，贯入仪104可用于激发脉冲或扫频波到样品材料200中，以由声探测器124和126的至少一个接收。可以基于表面波来确定模量和密度。
[0084] 图2B是示例如由加速计204探测的示例时域波形的图示。在此示例中，通过在声探测器124和126的位置的撞击，在样品材料的表面中激发声能。两条迹线分别表示在水平和垂直方向上三轴加速计204的X和Y方向传感器。声能从朝向加速计204的位置辐射地传播，用于探测。由P表示的波在由S表示的波之前由加速计204探测。
[0085] 图2C是示例针对相干性、相位、及幅度的示例频域信号的图示。相干功能元件可用于获得信号质量。如果相干性基本上小于1，则拒绝测量企图。在约5个好的平均后，互功率谱可用于获得相位和幅度谱。
[0086] 在 Nazarian 和 Stoke 的 公 开“Nondestructive Evaluation of Pavement bySurface Wave Methods”(ASTM 1026，1989)和“Nondestructive Testing ofConcrete Structures Using the Rayleigh Wave Dispersion Method”byN.Krstulovic-Opara，R.Woods，N.Al-Shayea(AC Materials Journal，pp.75-86，vol.93，no.1，1996)中，及美国专利5614670号和5095465号中描述了用于表面波的谱分析的示例技术(SASW)，通过参照其整体，将其整体并入于此。此技术测量表面波的色散性质。通过检查作为频率或波长的函数的相速和使用反向过程，可以获得作为厚度函数的样品材料性质。使用中，可以获得声探测器之间的转移和相干函数。此外，通过使用互功率谱和相干函数，可以自动组合色散曲线。色散曲线的分析可以产生样品材料的不同层的模量。
[0087] 类似于SASW的另一示例技术已知为超声表面波方法。在此技术中，仅分析样品材料的顶层，因为频率高的多并且波长在表面厚度的量级。因此，不必进行对于期望值的反算的复数值分析。以下方程可用于确定剪切模量(其中ρ表示质量密度，v表示泊松比，D表示声探测器之间的距离，而m表示声能源和声探测器之间的转移函数中的相位响应的斜率)：
[0088] G＝ρ[(1.13-0.16v)(m/D×360)]2
[0089] 此方法中，对于于此描述的测量计的操作模式，泊松比是假定的或是测得的P和S波速度的比率。此外，可以根据于此描述的主旨确定或估计密度。可选地，可以通过钻芯采样和实验室测试基于Archimedes原理来确定密度。美国专利5095465中描述了示例表面波探测器，于此并入了其公开的整体。时域和频域技术可用于计算相速，或用于以反射和透射分析谐振声波导结构。
[0090] 样品材料的含湿量中的变化能够显著影响模量。于此描述的材料性质测量计可以包括用于校正模量计算中的含湿量变化的功能性。对于诸如泥土的基底建筑材料，模量可以与诸如湿度的建筑参数的一个相关。通过执行类似Proctor的测试，可以获得最佳湿度-模量曲线，并且该曲线对校正目的是有用的。图2D是示出湿度模量曲线的图示。如图示中所示，最佳含湿量为约6％。图2E是示出针对图2D测试的相同样品材料的模量变化与含湿量的关系曲线的图示。通过拟合多项式函数到此响应并并入拟合的多项式函数到工地校准中，可以作为含湿量的函数估计样品材料的工地模量。
[0091] 在于此描述的测量计操作模式中，可以通过使用声探测器之间的距离，或在一个声探测器的情况下使用声源和该一个声探测器之间的距离来计算相速而确定色散。可以使用下述方程计算相速(其中，f表示频率，D表示以米计的距离，λ表示以米计的波长，而θ表示以弧度计的相速)：
[0092] VR(λ)＝2πfD/θ
[0093] 可以将SASW或超声表面波技术集成到如于此描述的材料性质测量计的功能性中。可以将方程编程到MPC和由测量计元件探测获得的数据中，用于确定样品材料的性质值。
[0094] 对于柔性铺筑材料。可以使用经验模型作为诸如沥青含量、孔隙率、粘合料粘度、温度、及混合设计的体积性质的函数来计算样品材料的模量。例如，下述方程由Witczak确定并在公开“Typical Dynamic Moduli for NorthCarolina Asphalt Concrete Mixtures”by Y.R.Kim，M.Momen和M.King(FinalReport，FWHA/NC 2005-03)中得到报道：
[0095]
[0096]
[0097]* 5
[0098] 其中|E|＝以10psi计的沥青混合物动态模量；6
[0099] η＝以10 泊计的沥青粘度(在任何温度，老化度)；
[0100] f＝以Hz计的负载频率；
[0101] Va＝％混合物中的空气孔隙，按体积；
[0102] Vbeff＝％有效沥青含量，按体积；
[0103] P34＝％在3/4英寸筛网中保留的，按总集料重量(累积的)；
[0104] P38＝％在3/8英寸筛网中保留的，按总集料重量(累积的)；
[0105] P4＝％在4号筛网中保留的，按总集料重量(累积的)；以及
[0106] P200＝％通过200号筛网的，按总集料重量。
[0107] 此外，发展了Hirsch模型用于基于VMA、VFA、及粘合料模量来估计柔性铺筑材料的动态模量。该模型基于针对以串联和并联单元结合的材料的不同相的混合定律。Hirsch模型由下述方程表示：
[0108]
[0109]
[0110] 其中
[0111]
[0112] VFA＝以沥青填充的孔隙；
[0113] VMA＝矿物集料中的孔隙；以及
[0114] |G*|＝粘合料的动态剪切模量。
[0115] 通过将这些模型和方程并入由根据于此描述的主旨的测量计执行的计算中，可以获得动态模量的估计。也可以并入其它合适的预测模型。
[0116] 图3示例根据于此描述的主旨的实施例的测量动态圆锥贯入仪(IDCP)300的垂直横截面视图。贯入仪300可以集成到诸如测量计100(示于图1和2中)的测量计中。由贯入仪300获得的数据可以传送到MPC，比如图1和2中所示的MPC 151，用于确定建筑材料的性质值中使用。参照图3，贯入仪300可以包括适用于相对彼此移动的锤元件302和砧元件304，使得元件能够以力撞击，以产生进入建筑材料的声能。锤元件302可以具有约1千克的质量。贯入仪300可以包括力变换器306，其可用于测量元件302和304之间的接触力。表示测得的接触力的电信号可以经由导线308传送到MPC，用于性质值计算中使用。
[0117] 贯入阻力指每毫米撞击的锤数。在一个示例中，力变换器可以计数撞击数，并且加速计可以积分以找出贯入距离。在另一示例中，通过存储关于砧的力和加速度的数据，可以使用下述方程测量能量：
[0118] E＝∫F(t)V(t)dt
[0119] 可以通过针对时间积分加速度两次来找出贯入仪的尖端或锥端进入建筑材料的距离或移位。泥土阻力指泥土做的阻止贯入仪尖端运动的功除以贯入仪行进的距离，其可由下述方程式表示(其中，R表示泥土阻力，X表示锤的每次撞击行进的距离，及W表示等于2 2
动能变化＝1/2mV 的功，V是由地球重力加速度9.8m/s 引起的撞击砧的最终速度。
动能变化＝1/2mV 的功，V是由地球重力加速度9.8m/s 引起的撞击砧的最终速度。
[0120] R＝W/X
[0121] 此外，贯入仪300可以包括安置在贯入仪末端311内部的3轴加速计310，贯入仪300的末端用于在样品材料内部定位。探测器124和126可用于探测来自样品材料的声能。探测的声能可以是从元件302和304的接触点传播到样品材料的声能。此外，从起源于探测器124和/或探测器126的表面激励，样品材料对声能的响应可以由加速计310探测。此外，加速计310可以将表示声能的电信号传送到MPC，用于处理和确定与样品材料相关的性质值中使用。电信号可以经由导线312传送。例如，信号携带的数据可用于确定样品材料的密度或硬度深度轮廓。数据可单独使用或结合测量计的元件探测的任何其它数据使用。例如，可以通过湿度传感器将声能数据和湿度测量结合起来用于确定湿度校正的泥土模量。类似地，当末端311安置在建筑材料表面上并且激起朝向探测器124和126的声波时，声能数据可与温度传感器获得的温度测量结果一起使用，用于确定校正的沥青模量。
[0122] 贯入仪300还可以包括连接到砧元件304的底面的另一加速计314。加速计314可用于通过驱动贯入仪300进入到泥土中并存储相关的力和加速度数据来确定速度和样品材料贯入距离。通过两次积分从加速计314获得的信号，可以确定贯入距离。此外，加速计314可用于生成表示确定的速度和样品材料贯入距离的电信号并经由导线316将信号传送到MPC，用于计算每次锤撞击的贯入距离中使用。阻力可用于形成作为深度的函数的泥土密度轮廓，其可由MPC使用以计算泥土密度或模量。
[0123] 湿度传感器318可安置在贯入仪300的末端311附近，用于放置在样品材料内部。湿度传感器318可用于测量样品材料的含湿量。可以生成表示测得的含湿量的电信号并经由导线320将其传送到MPC。测得的含湿量可用于确定样品材料的性质值。例如，测得的含湿量可用于校正由测量计的其它元件确定的密度测量。
[0124] 在一个实施例中，可以使用多个贯入仪从样品材料的内部不同的位置获得声测量。在一个配置中，可以从贯入仪生成声能。在另一配置中，可在安置在样品材料中的贯入仪的末端接收从表面生成的声能。贯入仪可以同轴地对准和平行。
[0125] 贯入仪可以以任何合适的方式安置在样品材料中，使得贯入仪的贯入端紧紧地配合到样品材料。例如，钻杆技术可用于在样品材料中安置贯入仪。在另一示例中，可以向贯入仪的远离样品材料贯入端的末端施加突然的力，用于迫使贯入仪进入样品材料。可以施加撞击力，例如，通过以锤元件撞击贯入仪的砧元件。在此示例中，一个或多个加速计可连接到贯入仪，用于测量加速计的运动的速度和样品材料的脉冲响应。此信息可用于与测量计的操作的同时确定样品材料的剪切强度。可以使用信息确定诸如密度的样品材料的其它性质值。美国试验与材料协会(ASTM)标准D-4633(称作动态贯入仪试验)、标准贯入试验(SPT)、及ASTM标准D-5778、D-3441和D-6187中描述了类似的技术。
[0126] 可以通过检查由声能生成的波来确定样品材料的声能响应。特别是，例如，可以将脉冲激励施加于安置在样品材料中的贯入仪上，如图1A中所示。可选地，脉冲激励可施加于样品材料的顶面。脉冲激励可在样品材料中生成扰动。通常地，扰动可以生成下述两种类型的波：P波和S波。P波呈现出对样品材料粒子的推拉运动，比如泥土粒子。S波生成横穿传播方向的运动。P波的速度高于S波的速度。因此，P波先于S波到达声探测器。
[0127] 通过用波的到达时间除激励源(或声能)和声探测器之间的距离可以得到波的速度。在样品材料的深的内部，传播与体积模量相关的体波。下面的表1显示了模量和泊松比之间的关系(其中，Vp表示压缩波速度，且ρ表示质量密度)。
[0128] 表1：模量和泊松比关系
[0129]
[0130] 如上述，距离可以是贯入仪的尖端和声探测器之间的距离。可以确定两种类型波的到达时间。一旦确定了速度，就可以使用质量密度ρ以下述方程来计算剪切波模量：
[0131] G＝ρVs2
[0132] 可选地，如果泊松比v已知，则下述方程将剪切模量与杨氏模量关联：
[0133] E＝2G(1+v)＝2ρVs2(1+v)
[0134] 通常，泊松比通过下述方程联系两种类型的波速度(其中，α＝Vp/Vs)：
[0135] v＝(0.5α2-1)/(α2-1)
[0136] 再次参照图2A，示出了来自加速计的两个轴的时域迹线。当源水平地靠近贯入仪的z轴时，波以类似压缩的特征主要垂直地传播。当水平距离增大时，水平加速计以剪切能量占优。在一个示例应用中，最大水平距离为50cm。使用信号处理和编程的计算机程序产品，可以选择针对P和S波的合适的上升时间。
[0137] 用于确定作为撞击的结果的样品材料的脉冲响应的其它示例技术在下述公开中得到了总体描述：“An Impact Testing Device for In-Situ Base CourseEvaluation”by B.Clegg(ARRB Proceedings，vol.8，pp.1-6，1976) 和 ASTM 标 准 D-5874-02，D-1883、D-5874、D-2216、D-4959、及D-4643，于此参照它们的整体并入了它们的公开。Clegg锤指可用于测量作为锤撞击的结果的泥土半空间的脉冲响应的设备。此外，例如，ASTM D-5874-02描述用于确定泥土的撞击值(IV)的测试方法。在示例ASTM测试方法中，使用4.5kg的质量来评测未饱和的压实的填充料的强度，该填充料是铺筑材料、泥土、泥土集料，最大的颗粒大小小于37.5mm。此外，约0.5kg质量的较轻的锤适用于较低的泥土强度，比如细微粒状非粘性的、高度有机的、饱和的或高弹性的泥土，颗粒大小小于9.5mm。将加速计连接到锤并且记录响应的峰值。泥土越硬，则其弹性越差，并且减速度越大。使用中，锤放置在工地或实验室模具中的材料上，抬起到固定高度然后释放。对于单个测量，典型地取四次打击的平均。撞击值反应并响应由强度影响的泥土特性中的变化。这是类似于加州承载比(CBR)测试、ASTM标准D-1883的动态贯入性质。根据ASTM标准D-5874，该方法提供立即的结果作为强度系数值，从该值可以推断对于特定湿度条件的填充料的质量。此方法还并入单独的湿度测量，如由例如ASTM标准D-2216、D-4959、及D-4643描述的，其中，通过热方法将水移除并将其作为干材料的百分比计算。能够作为时间的函数积分峰值加速度一次以得到的速度，并且作为时间的函数再次积分以得到距离或进入泥土的贯入深度。
[0138] 用于确定泥土性质的其它示例技术包括圆锥贯入仪技术。在圆锥贯入测试(CPT)中，在一系列杆的末端处的60度的顶角的圆锥被以15-25mm/s的恒定速率推入地下并且连续的或间歇的测量对锥的贯入的机械阻力。通过正好在圆锥后的负载单元来测量力。使用与镗孔壁接触的衬套也可直接在圆锥上面测量归因于侧摩擦的力。典型的贯入圆锥直径为37.5mm，且顶角为60度。由应变测量计或其它力传感器测得的总的力Q除以面积A为阻力q。衬套力除以柱形衬套面积为衬套摩擦系数f。使用圆锥贯入仪调查地下地质地层、地下水状况、及泥土或底基的物理和力学性质，并分类材料。因为贯入仪的直径能够在50mm的量级，并且它们以恒定速率推入到泥土中，所以通常使用大的钻塔，其包括液压千斤顶和产生10-20吨的力的作用系统。因此，这些不是便携式的系统。该缩小的系统可以并入于此描述的主旨中。从对以恒定电流通过与泥土接触的电极对的电压的测量推断电参数。形成因素F定义为泥土的电阻率和孔隙流体的电阻率的比率。形成因素F通过下述方程与泥土孔隙率n相联系(其中，A和m表示在工地样品的实验室校准中获得的常数)：
[0139] F＝An-m
[0140] 能够集成到CPT中的示例传感器包括
[0141] ●温度
[0142] ●电阻率
[0143] ●介电光谱
[0144] ●PH
[0145] ●氧化还原电位
[0146] ●伽玛和中子源/传感器
[0147] ●包括激光的荧光
[0148] ●IR或光相机
[0149] ●液态取样器
[0150] ●气态取样器
[0151] ●湿度传感器
[0152] ●集成光学器件
[0153] ●Ramon光谱
[0154] ●化学传感器
[0155] ●MEMs
[0156] ●摩擦衬套
[0157] ●孔隙水质量
[0158] ●负载单元
[0159] 所有这些传感器能够用于针对通常的建筑材料的污染物、体积性质、力学性质、含湿量、QC/QA来分析泥土。
[0160] 在一个实施例中，贯入仪是与测量计外壳分开安置的设备。在一个示例中，贯入仪的元件生成的电信号可经有有线和/或无限通信传送到测量计外壳中的MPC。
[0161] 根据一个实施例，测量计贯入仪杆可以配置有电元件，用于测量样品材料的电性质。可以测量的示例样品材料性质包括作为频率的函数的阻抗、电容率、渗透率、传导率。图4是根据于此描述的主旨的实施例的包括于其集成有用于测量材料样品性质中使用的电气元件的杆的材料性质测量计400的垂直横截面视图。参照图4，测量计400可用于精确地确定建筑材料402的性质值。测量计400可以以透射模式测量泥土的性质值并以背向散射模式测量沥青的性质值。
[0162] 杆404可以包括于其集成的电元件，用于测量与样品材料402相关的电参数。特别是，杆404的传导的外部部分406可以连接到电驱动电路408，该驱动电路可用于生成声脉冲(能量)和随机信号扫描到样品材料402中。此外，传导元件410可以连接到电驱动电路412，其可用于生成超宽电磁微波信号到样品材料402中。声能可以是由电螺旋管、振动混合器、磁致伸缩设备、弯曲部件、基于压电的设备、或适于产生脉冲或频域信号的任何设备。电信号可以由一个或多个振荡器规定。对于从DC附近到30Mhz附近的低带，一个或多个锁相电压控制振荡器(VCO)可用于不同的频率。最大频率取决于测试中的材料。此外，绝缘体414可以安置在杆404中，用于从杆404的整个长度隔离声和电测量，并且用于减小杆404中的电流的高频测量的损耗。作为可选，时域反射计(TDR)技术可用于产生声脉冲和电信号。
[0163] 测量计400可以包括电磁传感器416，用于探测样品材料对来自杆404的电输入的响应。例如，电磁传感器416可以是宽带螺旋天线，可用于探测样品材料对由杆404并通过时域分析生成的电脉冲信号的响应。此外，例如，可以配置为测量样品材料402的介电性质。传感器416可用于生成表示样品材料对电输入的响应的电信号。
[0164] 声探测器418可用于探测样品材料对来自杆404的声输入的响应。示例声探测器包括地震检波器和三轴加速计。可选地，例如，声探测器418可以包括用于将电磁场导引到样品材料402中的脉冲源并可用于探测样品材料对输入的响应。探测器418可用于生成表示样品材料对声输入的响应的电信号。
[0165] PCB 420可用于接收由传感器416和探测器418产生的一个或多个电信号，用于确定与样品材料402相关的性质值中使用。此外，PCB 420可以包括MPC 422，其并入表示在电信号中的数据，用于确定性质值。MPC 422可以包括计算机程序指令，用于通过使用传感器416和探测器418提供的部分或全部数据来确定性质值。例如，数据可用于估计样品材料402的密度和/或校正样品材料402的密度估计。可以用于此描述的方程和数据对MPC422编程，以估计或确定性质值。
[0166] 此外，MPC 422可以包括用于实施根据于此描述的主旨的测量和校准程序的合适的硬件、软件、和/或固件元件。MPC 422可以包括一个或多个处理器和存储器元件。示例MPC元件包括一个或多个前置放大器、光谱级Gaussian放大器、峰值探测器、以及模-数转换器(ADC)，用于执行于此描述的过程。可以经由测量计100的一个或多个接口向操作员呈现程序状态、反馈、密度、及模量测量信息。
[0167] 测量计400可以包括用于接收操作员输入和用于向操作员显示输出的接口。特别是，测量计400可以包括用于显示输出的显示器422和用于接收操作员输入的键盘424。可以将计算的样品材料402的性质值经由显示器422显示给操作员。
[0168] 在一个实施例中，测量计400可以安置在背向散射模式中，使得末端426在样品材料的表面上。在此模式中，样品材料表面上的声能的生成可以导致特定波形的周边激励，比如Rayleigh波、表面波、剪切波、和/或压缩波。剪切波还可以通过生成负脉冲来生成。通过将两个波形加到一起，为计算目的能够将压缩部分减去。
[0169] 计算中可以组合电磁和声样品材料响应数据，用于确定样品材料402的性质值。声数据与屈服(yielding)力学性质相关。电磁数据与屈服化学性质相关，比如含湿量、粘土含量、云母含量、水泥含量等。此外，电磁数据可以与力学性质关联，比如密度。使用声数据执行的计算典型地需要针对密度进行校正。因此可以根据于此描述的主旨使用电磁和声测量，以确定样品材料性质，比如密度和/或模量。
[0170] 测量计可以包括声和电磁场元件，其安置在测量计的底面，用于背向散射模式中的操作。图5示例包括安置在根据于此描述的主旨的实施例的测量计的底面的声和电磁元件的便携式地震波铺面分析仪(PSPA，DSPA)(或材料性质测量计)500的部分垂直横截面视图。参照图5，测量计500可以包括底面502，用于安置在样品材料506的顶面504上。电磁传感器/探测器508可用于生成电磁场510并可用于探测样品材料506对电磁场510的响应。
[0171] 此外，测量计500可以包括声能生成器512，其可用于生成声能。声探测器514和516可以以相对彼此和相对声能生成器512间隔开的关系安置。此外，声探测器514和516可用于探测样品材料506对生成的声能的响应。
[0172] MPC 518可与元件508、512、514、及516通信，并可用于控制元件和接收表示样品材料506对声能和电磁场的响应的信号。可如于此描述的使用接收的信号数据，用于确定与样品材料506相关的一个或多个性质值。
[0173] 在一个实施例中，可以进行样品材料的孔隙和温度测量，用于密度估计和校正密度估计中使用。样品材料中的全部孔隙与基于最大比重(Gmm，如ASTM标准D-2041和AASHTO标准T-209描述的)的体积密度相关。HMA中模量和孔隙率相关。图6是示出建筑混合物的孔隙百分比和模量的变化之间的线性关系的图示。此外，样品材料的温度与体积密度(ASTMD-4311)和模量相关。图7是示出沥青温度和模量的变化之间的关系的图示。于此描述的主旨可以用于使用孔隙测量和/或温度测量和样品材料的模量之间的已知关系来进行密度估计的校正。此外，通过温度校正可以获得针对HMA的校正。从而，可以由于此描述的主旨实施针对非核子密度测量的方法。由于声相速与变量剪切模量G和质量密度ρ相关，并且电磁方法是多变量且无序的系统，所以于此描述的系统产生精确的和可重复的密度测量。
[0174] 根据一个实施例，于此描述的材料性质测量计可以使用微波湿度仪表获得含湿量测量。微波湿度仪表使用的微波带可比其它湿度测量设备不易受到离子效应或与集料或泥土的矿物学相关的误差的影响。图8是用于根据于此描述的主旨的材料性质测量计中的微波湿度仪表800的顶透视图。参照图8，湿度仪表800包括填充有高介电材料802的金属腔。2.45GHz的偶极子天线804可以刻蚀入介电材料802的顶面中。在一个示例中，陶瓷盖可以安置在天线804上方用于保护。可以在端子806测量天线804的自阻抗。特别是，可以在端子806测量作为频率的函数的自阻抗。在一个示例中，可以作为含水量的函数测量背腔天线的谐振。图9是示出针对含湿量的频率变化的图示。
[0175] 在一个实施例中，可以使用较低频率弥散场耦合技术来测量铺筑建筑材料的电容率。图10A是示例较低频率弥散传感器1000的垂直横截面视图。传感器1000可用作电磁传感器，用于以于此描述的测量计探测湿度。在此示例中，传感器1000是条带或线性传感器。传感器1000还可与于此描述的测量计一起使用以测量沥青混合物的孔隙含量。参照图10A，传感器1000可以包括导体1002、1004、1006、及1007和地1008。导体1006可用作源。导体1007可用作接收装置。每个导体电平可由环氧板或FR4分开，FR4是介电常数为约4.2的印刷电路板材料。电场1010发射进入泥土1012并耦合回到导体1006。到一定程度上，随频率增大，输出电压V0增大。此类型的传感器可以尤其适合用于UHF无线范围中的测量。特别是，随泥土1012(或可选地沥青)的介电常数增大，输出电压V0成比例地增大。电容技术可适用于较低频率。美国专利6400161号、6677763号、6803771号、5900736号及美国专利申请公开2003/0222662号中描述了示例传感器，于此参照它们的整体并入了其公开。通过使用合适的集成电路，可以作为频率的函数数字化接收的信号的幅度和相位，并且在电磁域针对色散分析了结果。
[0176] 图10B是另一示例较低频率弥散传感器1014的垂直横截面视图。参照图10B，传感器1014是旋转对称的系统，从而由每个导体1016、1018、及1020形成“环形形状”。导体1022可以形成碟形形状。此外，导体1022可用作源。导体1018连接到地1024。操作时，场可以从导体1022延伸通过建筑材料并到导体1020。在导体1020处的电压可以基本上小于施加于导体1022处的电压，但是随泥土的介电常数增大。
[0177] 分别示于图10A和10B中的传感器1000和1014可以形成多种形状。特别是，传感器可以是柱形、环形、或线形的。此外，传感器可以关于中心轴对称。此外，合适的屏蔽可施加于传感器用于屏蔽不需要的或不期望的场。
[0178] 基于微波的湿度性质探测器可以是有益的，例如，因为已知该探测器用于产生密度独立的湿度测量。该探测器可以优于基于中子的湿度性质探测器，因为基于中子的探测器是密度和材料依赖的。此外，由于NRC规则和与中子源相关的费用，期望减少中子源的使用。
[0179] 湿度性质探测器元件可以安置在测量计内部或外部任何合适的位置。例如，湿度信号源可以安置在源杆的一端，用于从样品材料的内部生成电磁场。在此示例中，湿度信号探测器可以安置在测量计外壳内，用于探测透射通过样品材料的电磁场并生成表示探测的电磁场的信号。此外，生成的电磁场可以是电磁脉冲或台阶。在另一实施例中，湿度信号源和探测器可以连接到钻杆，其用于贯入样品材料以在样品材料内部安置湿度信号源。在此示例中，湿度信号探测器可以生成表示探测的电磁场的信号，并经由有线或无线通信连接方式将信号传送到测量计外壳中的MPC。
[0180] 根据于此描述的主旨的湿度性质探测器可以包括数个基于电磁的元件中的一个或多个。例如，湿度性质探测器可以包括杜罗艾德铬合金钢(duroid)贴片天线，配置为探测由电磁场源生成的电磁场。可以作为介电常数的函数监控谐振频率或输入阻抗。此湿度传感器以自阻抗模式操作，其中，在贴片天线馈入的输入端测量复端子阻抗。在此示例中，贴片可以在约2.45Ghz谐振，此频率处天线的回波损耗最小并且称作谐振频率。随着含水量增大，介质的介电常数增大，并且因此增大了电近场能，并降低了谐振频率。美国专利5072172号中公开了此技术的示例，于此参照其整体并入了其公开。
[0181] 在另一示例中，湿度性质探测器可以包括单极子。单极子是宽带的并可以探测DC至微波电磁场。使用中，单极子可以由振荡器驱动。可以作为频率和获得的多个泥土的参数的函数来测量阻抗。可选地，能够获得脉冲响应并且合变换理论能够用于获得泥土性质。此外，可以将单极子涂上绝缘材料，用于减小泥土中的能量损耗。
[0182] 在建筑时，建筑材料典型地暴露于开放的空气环境。因此，对大多数建筑材料中含湿量的控制是几乎不可能的，尤其是道路建筑材料。这样，以含湿量测量湿密度，并基于湿密度测量来计算干密度。ASTM标准D-2922和D-3017(于此参照其整体将其并入)，描述了用于干密度反算的方程。此外，水影响样品材料的模量。因此，对于模量和密度测量，由于湿度，典型地需要校正。
[0183] 可以基于透射或反射类型模式中衰减(或幅度)和相移的两个参数测量来进行密度独立的湿度测量。可选地，可以使用微波在单个频率处进行密度独立的湿度测量。可以通过比较介电常数的实部和虚部来实施两参数方法，如下述方程中所示(其中ε表示介电常数)；
[0184] ε＝ε(ω)’-jε(ω)”
[0185] 密度独立的校准因子A(ψ)(其中ψ是基于潮湿的体积含水量)可用于消去密度部分。密度独立的湿度测量的原理基于与干材料和水组分相关的介电常数的实部和虚部，它们作为密度的函数而改变。通过在下述方程中组合ε(ρd，ψ)’和jε(ρd，ψ)”，可以经验地消去密度部分：
[0186]
[0187] 上述方程假定ε(ω)’和ε(ω)”是ρd和ψ的线性独立的函数。
[0188] 损耗角正切ε’/ε”可以描述材料的相互作用和响应。复电容率的行为暗示用密度标准化ε(ω)’和jε(ω)”可以减小密度效应。此外，可以用作为温度和含湿量的函数的体积密度来标准化数据对。假定湿度密度关系是独立的，下述方程提供针对特定材料的体积密度测量，无需含湿量的先前知识(其中，af表示斜率，k表示截距，af与频率相关，而k与干电介质相关)：
[0189] ε”/ρ＝af(ε’/ρ-k)
[0190] 可选地，下述方程提供体积密度测量；
[0191] ρ＝(afε’-ε”)/kaf
[0192] 在高频，水是材料中与涉及ε”的能量损耗相关的主要因素，而能量存储涉及ε’。二者都与密度反相关。因此，用于含水量的密度独立的函数基于损耗角正切ε’/ε”。因此，再次，通过用由上述方程提供的密度标准化损耗角正切导致下述方程：
[0193] ξ＝ε”/(ε’(afε’-ε”))
[0194] 这里，忽略常数kaf，而标准化了损耗角正切，导致减小的密度效应的湿度函数。实验上，针对颗粒材料，已经发现√ξ与含湿量是线性的。kaf是测量频率的函数，并且当ε’和ε”已由密度标准化时，kaf对数据对ε’和ε”保持恒定。
[0195] 基于实验结果，其表明，随着温度上升，结合的水变得较易旋转并且介电常数增大。这样，对于水测量，温度校正可能是必须的。
[0196] 因为ξ是密度效应移除的含湿量的函数，并且因为实验上发现其与湿度线性相关，所以通过拟合下述线性方程能够实施作为湿度和温度的函数的校准(其中，ξ表示湿度M中的线性值，而b表示依赖的温度的常数)：
[0197] √ξ＝A×M+B(T)
[0198] 此方程中，截距B随温度增大，但是斜率A恒定。对于颗粒材料，经验地推导出下述方程(其中温度以摄氏温度法测量)：
[0199] B(T)＝9.77×10-4×T+0.206
[0200] 然后可以使用下述方程确定含湿量：
[0201] ％M＝(√ξ(afε’，ε”)-B(T))/A
[0202] 在一个实施例中，可以从工地提取泥土样品并将其作为湿度的函数拟合到此方程，产生在特定温度的常数A和B。也可以规定通用曲线，由此使用中执行工地偏移。因此，可用于在表面或潜孔上在单个频率、多个频率、或连续频率扫描、频谱啁啾、脉冲响应和其卷积处测量材料的介电常数的实部和/或虚部的任何湿度性质探测器能够并入到于此描述的主旨的实施例。
[0203] 微波对自由水比结合水更敏感，但是也是干质量和水质量混合物的化学组成的组分的函数。然而，当考虑下述方程时，干质量和水质量混合物不易遭受离子运动和DC传导率的影响：
[0204] ε＝ε(ω)’-jε(ω)”＝ε(ω)’-j(ε(ω)d”+σd.c./ωε0
[0205] 较高的频率减小DC传导率的影响并且测量较多的介电电容率。然而，可能仍然需要泥土的特定的校准。校准中的差异比它们的低频对应物的小得多。因此，如果材料稍微改变，而没有操作员的知识，则仍然可以获得合适的结果。因此，微波电磁技术具有泥土的特定的校准或偏移，当将泥土的肥土与粘土类别比较时，可能需要该校准或偏移。
[0206] 如上述，微波测量可用于湿度测量。在一个示例中，背腔微波偶极子天线可用于测量不同含湿量的沙子的谐振频率。此外，合适的技术可用于使用宽带微波色散测量来获得材料性质，比如湿度、孔隙率、粘土含量、及分类。
[0207] 当电磁场施加于损耗样品材料时，电流流动并且电荷在样品材料上重新排列。结果，可以在样品材料上感应类似偶极子的电场配置，并且因此形成极化P的体积密度和自由电荷电流密度J。此体积密度是构成参数、介电常数ε(ω)和传导率σ(ω)的结果。因为泥土材料不是均一的，其粒子大小、它们的相对几何结构、取向、及含水量以复杂的方式改变电磁波的响应。通常，对某些材料(例如，粘土)样品材料显示出显著的色散，例如，随频率ω增大，介电常数ε减小而传导率σ增大。与低频相比，对于高频，此效果减小了。从而，微波范围中的传感器可用于湿度测量。此外，通过低频的扫描可导致色散测量，其用于基于泥土类型分类样品材料中使用。
[0208] 在一个示例中，能够通过在从DC到数个GHz的微波带宽范围中检查介电常数色散来估计样品材料的泥土含量类型和损耗。特别是，已经显示可以使用样品材料的电阻抗的频率依赖的性质来确定粘土材料的类型和量及矿物-溶液-界面特征。这些电性质可用于泥土孔隙率和强度的测量中，并且用于基于沙子/粘土混合物来分类泥土。此外，这些电性质可以用于计算泥土结构的模量。声和电磁性质能够用于推断泥土值，比如是孔隙率、含水量、饱和度、泥土固体的比重、及屈折的泥土构架的硬度的性质，这依次导致密度、模量、和硬度值。
[0209] 总之，包括色散的介电和声性质能够处理下述：
[0210] ●泥土分类粘性VS.非粘性百分比
[0211] ●强度
[0212] ●含湿量
[0213] ●密度
[0214] ●孔隙率
[0215] ●饱和度
[0216] ●比重
[0217] ●架构硬度
[0218] ●膨胀
[0219] ●腐蚀
[0220] ●有机/泥炭含量
[0221] 在非粘土(沙子)材料中，介电常数ε和传导率σ响应是不依赖于频率的。另一方面，在含水的粘土材料中，发生驰豫，其中，这些量随频率变化。图11A是示出粘土材料(粘性泥土)和非粘土材料(非粘性泥土)在不同频率上的介电常数的对比的图示。
[0222] 图11B是示出粘性泥土的传导率和介电常数的介电色散的图示。需要注意，介电常数ε(ω)和传导率σ(ω)是频率的函数。随频率增大，介电常数减小，而传导率增大。
[0223] 图11C是示出数种不同类型的粘土的介电常数色散的图示。参照图11C，明显地，不同粘土具有不同的色散曲线。此外，色散依赖于矿物学。
[0224] 关于已知材料的介电常数色散的信息可用于于此描述的主旨中，用于选择针对辐射探测器和湿度性质探测器的校准曲线。此外，于此描述的主旨可以是复合沥青和泥土测量计，其可用于以背向散射模式测量沥青层并以透射模式测量泥土。此外，例如，弥散场平面探测器可以连接到测量计的底面，用于同时测量电磁密度。在此模式中，核子元件能够在工地校准电磁探测器，用于改善对电容沥青密度指示器的访问速度。此外，通过研究材料的顶深度(例如，1cm的深度)的介电常数，可以获得对表面粗糙度的估计，用于粗糙表面的进一步的核子密度校正。通过比较具有小于约1cm的不同贯入深度的多个传感器，可以获得相对校正因数。
[0225] 不均一的样品材料具有频率依赖的电容率。特别是，可以用下述方程模拟两层的样品材料(其中，εr∞表示高频介电常数，εrs与低频相关，而τ表示与频率1/τ相关的谐振时间常数)：
[0226] εr(ω)＝εr∞+(εrs-εr∞)/(1+ω2τ2)-jωτ(εrs-εr∞)/(1+ω2τ2)[0227] 此模型可与于此描述的分类技术一起使用，用于确定样品材料性质，比如含湿量和密度。其它介电色散技术可用于处理泥土分类粘性/非粘性百分比、强度、含湿量、密度、孔隙率、膨胀、腐蚀、及有机/泥炭含量。共同转让的2004年10月22日申请的美国专利申请10/971546号提供了另外的讨论(美国专利申请公开2005/015028号)，通过参照其整体将其公开并入于此。
[0228] 图12示例根据于此描述的主旨的实施例的包括声阻抗和电阻抗功能性的示例材料性质测量计1200的示意图。参照图12，测量计1200可以包括电磁场传感器1202、电磁场生成器1204、声探测器1206和1208、声生成器1210、及贯入仪1212。测量计1200可用于测量建筑材料1214对电磁场和声能的响应。此外，测量计1200可以使用响应数据来确定建筑材料1214的一个或多个性质值，比如力学值、体积值、及含湿量。
[0229] 贯入仪1212是金属导体杆，具有在其外部上的绝缘护套和用于插入到建筑材料1214中的60°的锥尖1216。贯入仪1212可以包括用于在测量诸如作为频率的函数的电容率、渗透率、及传导率的复电参数中使用的元件。电磁场生成器1204和声生成器1210可用于连接到贯入仪1212，用于从建筑材料1214内部发射电磁场和声能波。可以通过声探测器
1206和1208来测量建筑材料1214对发射的声能的响应。可以通过电磁传感器1202来测量建筑材料1214对发射的电磁场的响应。在可选实施例中，贯入仪1212可配置在如于此描述的自阻抗模式中，用于测量在驱动点端子的阻抗。
1206和1208来测量建筑材料1214对发射的声能的响应。可以通过电磁传感器1202来测量建筑材料1214对发射的电磁场的响应。在可选实施例中，贯入仪1212可配置在如于此描述的自阻抗模式中，用于测量在驱动点端子的阻抗。
[0230] 在一个示例中，贯入仪1212可用作单极子。在此示例中，可由导电铝基底1218提供地屏蔽。可以从低频到谐振频率对电磁源1204扫描，并且获得建筑材料1214的阻抗。反算可以提供作为频率的函数的复电容率，其被列表(tabulate)为介电常数、传导率、及色散参数，或者从低频到高频的总的降低可以是介电常数或传导率中的变化。
[0231] 校准可以存储在测量计1200的存储器中用于工地使用。当使用校准程序时，对工地使用中的湿度、密度、或模量测量，可能需要偏移。对于沥青，典型的混合物包括数种分级和沥青含量的石灰石和花岗岩。对于泥土，数种粘土和沙子的混合物可以模制到工地可选择的校准程序中，如于此更详细描述的。操作员可以具有要测试的建筑材料的一些现有知识，并基于现有知识选择合适的模型。可选地，来自建筑材料的基底或底基的实际沥青混合物或泥土可以被在实验室以含湿量、密度、和模量物理地描述其特征，并且数据存储在校准程序中用于工地使用。此外，在另一选择中，适应和学习模式识别信号过程可用于校准测量计，比如是专门的算法、软决策分类、基本收缩核、模糊逻辑、和中子网络。这些过程可用于根据于此描述的主旨的测量计中，用于识别和分类泥土类型，用于计算含湿量、密度、及模量。
[0232] 贯入仪1212上的绝缘护套可以在声测量和贯入仪的总长之间提供绝缘。此外，绝缘护套能够用作电绝缘体，使得随电流向下传播到贯入仪1212的“单极”，高频测量具有减小的损耗。
[0233] 声探测器1206可以是从贯入仪1212接收电脉冲信号的宽带螺旋天线。通过使用时域技术，可以使用MPC 1220执行计算，用于确定平均电参数和用于将参数与密度和含湿量关联。声探测器1208可以是例如地震检波器、三轴加速计等。在另一选择中，声探测器1208可以由声能源替代，以在材料1214的表面上生成声脉冲用于探测和分析。
[0234] 已知探针天线在低频处的导纳由下述方程与地球的电性质关联(其中，Cair表示在为1的介电介质中天线的电容，而Y表示导纳，即阻抗的倒数)：
[0235] Y＝jωCair(εr-σ/ωε0)
[0236] 对于较高频率，天线可以谐振并且，通常地，阻抗由下述方程提供(其中V表示积分的体积，Z0表示自由空间的阻抗，E表示损耗介质中的向量场，并且E’是自由空间中的向量电场向量)：
[0237] Zv＝Z0-(jω/I2)∫(ε-ε0)E·E’dV
[0238] 使用中，数个系数的有理函数可用于描述电容率传感器，其中，需要至少2个不同介质中的校准以确定系数。导纳或阻抗的反算可以产生铺筑材料的电容率和电导。
[0239] 在一个实施例中，声能的脉冲或台阶可施加于贯入仪1212，用于发射进入建筑材料。建筑材料对脉冲或台阶的响应可以由声探测器1208测量，用于分析传播时间。如于此描述的，通过介质的相速和损耗可用于计算材料的传导率和介电常数。ASTM标准D-6780描述了用于不同的泥土与密度的关系曲线的校准的示例技术，于此参照其整体将其内容并入。
[0240] 在一个实施例中，于此描述的测量计可以配置有辐射源和辐射探测器，用于接收样品材料对辐射的响应。辐射响应数据可以与声能响应数据和/或电磁场响应数据结合使用，用于确定样品材料的性质。例如，可以使用辐射响应数据估计样品材料的密度。在此示例中，声能响应数据和/或电磁场响应数据可以用于基于辐射响应数据来校正密度估计。
[0241] 如上所述，可以由操作员在工地和/或实验室环境使用根据于此描述的主旨的材料性质测量计，用于获得样品材料的性质值，样品材料比如是建筑材料。特别是，材料性质测量计可用于获得与建筑材料相关的力学的、体积的、和含湿量值。使用示于图1A和2A中配置在透射模式或背向散射模式中的测量计100可以确定性质值测量。图13是示例用于使用根据于此描述的主旨的实施例的如配置在透射模式或背向散射模式中的测量计100进行性质测量的示例过程的流程图。参照图13，在框1300中，测量计100如图1A中所示在透射模式中安置在建筑材料106的顶面上，其中将贯入仪104降下进入建筑材料106的内部。可选地，测量计100如图2A中所示在背向散射模式安置在建筑材料106的顶面上，其中，抬起贯入仪104，使得尖端102在建筑材料106的表面上。
[0242] 在框1302中，操作员可以使用显示器152和键盘154以选择测量计100是否配置在透射模式或背向散射模式中。基于操作员的选择，可以设置PCB130的元件用于选择的模式中的计算。
[0243] 在框1304中，基于选择的操作模式和透射模式或背向散射模式中的选择的一个，PCB 130的元件可以启动声源和/或电磁源，用于分别产生声能和/或电磁场。
[0244] 在框1306中，PCB 130的元件可以控制声探测器和/或电磁场传感器来测量/探测建筑材料106的响应。此外，在一个实施例中，可以激活温度传感器142，用于感测与建筑材料106相关的温度用于性质值计算中使用。测量/探测的与建筑材料106相关的响应可以包括P波地震速度(Vp)、S波地震速度(Vs)、K体波地震速度(VB)、电容率的色散实部(ε’(ω))、电容率的色散虚部(ε”(ω))、电导率的色散实部(σ’(ω))、电容率的色散虚部(σ’(ω))、Maxwell-Wagner驰豫时间常数(τ)、校正温度、测量动态圆锥贯入仪输出(例如，力、能量、加速度、及湿度)、Maxwell-Wagner效应以上从低到高频的全介电色散(Δε)、以及Maxwell-Wagner效应以上从低到高频的全电导(Δσ)。这些示例值可以称作电磁和声中的构成参数。
[0245] 在框1308中，信号可以由声探测器、电磁场传感器、和/或温度传感器产生，表示测得的和/或探测的建筑材料106的响应。信号可以传送到MPC151用于计算性质值中使用。
[0246] 在框1310中，MPC 151可以基于产生的信号来计算与建筑材料106相关的一个或多个性质值。MPC 151可以将信号中的数据应用到于此描述的方程中的一个或多个，用于估计性质值和/或校正性质值估计。操作员可以选择MPC 151中存储的过程是否是确定材料的分类，并且因此选择校准系数。特别是，操作员可以选择下述中的一个：(1)MPC 151提供校准系数；(2)操作员选择材料类型和校准曲线；以及(3)显示相关值中的增加或降低的通用校准。选择校准类型后，可以使用模式识别信号处理算法来计算性质值，比如是湿度、密度、及模量。
[0247] 在框1312中，可以将计算的性质值显示给操作员。例如，性质值可以经由显示器152显示。
[0248] 如上述，根据与此描述的主旨的材料性质测量计可以用于建筑材料的表面分析。图14是示例根据于此描述的主旨的实施例的用于使用用于表面分析的测量计100进行性质测量的示例过程的流程图。参照图14，在框1400中，操作员可以确定是否使用测量计100用于沥青或泥土的性质值测量。如果沥青被确定，操作员可以将测量计安置在背向散射模式(框1402)。否则，如果泥土被确定，过程行进到框1404。
[0249] 在框1406中，测量计100可以产生电磁场。此外，在框1408中，测量计100可以产生声能。可以由测量计100的电磁传感器132来测量建筑材料对电磁场的响应(框1410)。此外，可以由声探测器124和126来探测建筑材料对声能的响应(框1412)。
[0250] 在框1414中，测量计100可以确定是否进行湿度分析用于校正性质值确定中使用，性质值比如是密度或模量。在一个示例中，操作员可以选择进行湿度分析。在另一示例中，MPC 151可以确定是否进行湿度分析。如果确定不进行湿度分析，则可以确定沥青的一个或多个性质值，无需使用湿度值校正(框1416)。
[0251] 如果确定进行湿度分析，则可以计算湿度值(框1418)并将其应用于对湿度的校正(框1420)。在框1416中可以使用湿度值计算用于计算沥青的一个或多个性质值(框1416)。
[0252] 对于测量泥土，在框1404中，操作员可以选择将测量计100配置在透射模式或背向散射模式并手动地配置测量计100用于在选择的模式中的操作。如果选择背向散射模式，则测量计100可以产生电磁场和声能进入到泥土中(框1422)。可以由测量计100探测建筑材料对电磁场和声能的响应(1424)。接下来，可以基于响应来计算对泥土的性质值的计算(1426)。
[0253] 如果在框1404中选择透射模式，可以选择用于贯入仪104的深度并且在泥土中规定合适深度的孔。贯入仪可以放置在孔中在透射模式配置中。测量计100可以产生电磁场和声能进入到泥土中(框1430)。可以由测量计100探测建筑材料对电磁场和声能的响应(框1432)。接下来，可以基于响应来计算对泥土的性质值的计算(框1434)。测量贯入仪能够获得作为深度的函数的关于土层的例如泥土强度(密度、模量)的信息，其能够包含在用于信号处理的数据存储器中。此信息能够有助于泥土状态的最终分析。
[0254] 图15是示例根据于此描述的主旨的实施例的用于测量泥土模量的示例过程的流程图。此示例过程中参照了图1A和2A中所示的测量计100。参照图15，在框1500中，操作员可以选择将测量计100配置在透射模式或背向散射模式中。如果选择透射模式，则操作员可以将测量计配置在如图1A中所示的透射模式中(框1502)。如果选择背向散射模式，则操作员可以将测量计100配置在如图2A中所示的背向散射模式中(框1504)。
[0255] 在框1506中，测量计100可以产生电磁场和声能进入到泥土中。可以由测量计100探测泥土对电磁场和声能的响应(框1508)。例如，从IDCP可以获得分层的成层的数据。
[0256] 在框1510中，可以使用响应的原始数据来建立误差校正矩阵。可以使用MPC 151校正原始数据，用于根据于此描述的过程和技术产生误差校正数据(框1512)。可以使用合适的信号处理来映射(map)感兴趣的泥土性质值。系统误差校正也能够应用于此。这包括测量计校准，以控制测量计的电子和机械元件的不精确。
[0257] 接下来，在框1518中，确定是否计算泥土的模量或密度。例如，可以基于操作员的模量或密度选择来作出确定。如果确定模量，则可以应用如于此描述的湿度校正过程确定校正的性质值(框1520)。此外，可以显示和存储性质值(框1522)。
[0258] 如果在框1518中确定密度，则可以应用声-密度的映射程序(框1522)并且如于此描述的应用湿度校正过程确定校正的性质值(框1520)。可以显示和存储性质值(框1522)。
[0259] 可以声或电磁地计算密度。当这些值是独立地获得的时候，它们能够单独使用或平均到一起使用。能够独立地计算模量，因为电磁值能够产生孔隙率，其能够在预测方程中实施。
[0260] 图16是示例根据于此描述的主旨的实施例的用于测量沥青模量的示例过程的流程图。此示例过程中参照了图1A和2A中所示的测量计100。参照图16，在框1600中，操作员可以将测量计100配置在如图2A中所示的背向散射模式中。在框1602中，测量计100可以产生电磁场和声能进入到沥青中。可以由测量计100探测沥青对电磁场和声能的响应(框1604)。此外，在框1606中，从响应计算原始湿度数据。
[0261] 接下来，在框1608中，确定是否计算沥青的模量或密度。例如，可以基于操作员的模量或密度选择来作出确定。可以获得合适的校准曲线(框1610)。接下来，校准曲线、响应数据、及湿度数据可以用于计算模量或密度。可以显示和存储模量或密度值(框1612)。
[0262] 图17是示例根据于此描述的主旨的实施例的材料性质测量计1700的操作的框图。参照图17，测量计1700包括显示器、计算机系统、数字存储器、信号处理装备、校准模型、及材料模型，如由框1702所示。操作时，测量计1700可以分别在电磁模式1704和声模式1706中的任一个之间切换电磁或声测量，如于此描述的。在电磁生成模式1704中，测量计1700给建筑材料1708施加电磁场。在电磁生成模式1704中时，测量计1700也可以起电磁接收模式1710中的作用，用于接收材料1708的响应。在声生成模式1706中，测量计1700可以给建筑材料1708施加声能。在声生成模式1706中时，测量计1700也可以起声接收模式1712中的作用，用于接收材料1708的响应。响应能够包括材料1708的电磁和声构成参数。响应数据能够用于根据于此描述的主旨计算材料1708的性质值。
[0263] 图18是示例根据于此描述的主旨的实施例的材料性质测量计1800的操作的框图。参照图18，测量计1800包括显示器、计算机系统、数字存储器、信号处理装备、校准模型、及材料模型，如由框1802所示。操作时，测量计1800可以在自阻抗(或反射类型)模式和透射类型测量模式中的任一个之间切换，如于此描述的。测量计1800可以包括发送器1804和一个或多个接收器1806。发送可以发送电磁或声能到建筑材料1808中。接收器
1806可以接收建筑材料1808对发送的电磁或声能的响应。此外，测量计可以配置用于在背向散射模式和/或透射模式中发送，如于此描述的。响应能够由测量计1800使用以根据于此描述的主旨计算材料1808的性质值。
1806可以接收建筑材料1808对发送的电磁或声能的响应。此外，测量计可以配置用于在背向散射模式和/或透射模式中发送，如于此描述的。响应能够由测量计1800使用以根据于此描述的主旨计算材料1808的性质值。
[0264] 图19是示例根据于此描述的主旨的实施例的用于计算建筑材料的性质值的示例过程的流程图。参照图19，根据于此描述的主旨的材料性质测量计中的MPC可以接收一个或多个预定的校准模型(框1900)、初始估计(框1902)、及材料性质测量的建筑材料对电磁场和/或声能的响应(框1904)。初始估计可以包括一个或多个根发现器和预定的校准曲线。
[0265] 在框1906中，预定的校准模型和测量的响应可以应用到材料模型。在框1908可以确定基于输入和材料模型的预期的响应。预期的响应可以包括预期的曲线，其是多个参数和建筑材料对输入电磁场和/或声能的响应的函数。
[0266] 在框1910中，将在框1908中确定的预期的响应与框1904测量的响应比较。基于比较，在框1912可以生成误差。接下来，在框1914中，确定误差是否小于预定的误差值。如果误差不比预定的误差值小，则调节系数(框1916)并且过程返回到框1906。否者，计算和显示建筑材料的性质值(框1918)。
[0267] 根据与此描述的主旨的材料性质测量计可用于数个不同的操作模式中，用于获得测量用于在样品或建筑材料的性质值的计算中使用。例如，可以配置测量计用于在潜孔或仰孔配置中测量声能。在潜孔配置中，测量计的贯入仪可以安置在透射模式。在仰孔配置中，测量计的贯入仪可以安置在背向散射模式中。此外，测量计可以安置在潜孔模式中，用于获得水的介电测量、泥土密度的色散测量、以及分类相关的信息。此外，测量计可以安置在背向散射模式中，用于使用电磁生成器/源以获得用于沥青密度计算的电磁场测量。此外，测量计可以安置在背向散射模式中，用于使用声源以获得用于模量和泥土密度计算的声能测量。此外，在一个实施例中，声测量、色散测量、及电磁色散测量的组合可以用于基于湿度和温度测量来计算密度、模量、及校正数据。
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