專(zhuān)利名稱(chēng)：道路材料微波密度測(cè)量方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及道路材料(例如土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥)的質(zhì)量的測(cè)量，更具體地，涉及用于利用微波帶寬測(cè)量或關(guān)聯(lián)道路樣本的密度的測(cè)試儀器和方法。該方法基于在頻域或時(shí)域中對(duì)電容率的實(shí)部和虛部的精確測(cè)量。它還可應(yīng)用于測(cè)量建筑材料的自由水成分。

背景技術(shù)：
道路材料(例如土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥)需要進(jìn)行對(duì)質(zhì)量(例如濕氣和密度)進(jìn)行質(zhì)量試驗(yàn)。破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)在整個(gè)工業(yè)界都得以使用以確定這些質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)室破壞性試驗(yàn)中，通常用旋轉(zhuǎn)式壓實(shí)機(jī)制備柱狀樣本，研究各種材料特性以確定用于道路的最佳混合設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)破壞性試驗(yàn)中，從試驗(yàn)帶、新建道路或已有道路上鉆取柱狀樣本。然后使用這些樣本的材料特性來(lái)評(píng)估試驗(yàn)帶或新道路是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及已有道路是否工作良好或需要修復(fù)。
當(dāng)前，有幾種方法用于測(cè)量柱狀樣本的密度尺度分析、水置換法、石蠟包覆法以及帕拉橡膠膜覆蓋法。在每個(gè)情形中，通過(guò)(如定義的那樣)用干燥樣本的質(zhì)量除以估計(jì)的樣本體積來(lái)導(dǎo)出樣本的體密度。所有方法都需要靈敏度0.1g的天平來(lái)測(cè)量樣本的質(zhì)量。在尺度分析法中，樣本體積得自于半徑和厚度(高度)測(cè)量。此處，利用游標(biāo)卡尺手動(dòng)地或用激光系統(tǒng)自動(dòng)地得出樣本半徑和厚度的許多讀數(shù)。然后使用半徑和厚度的平均值來(lái)計(jì)算樣本體積。
其它方法使用阿基米德原理來(lái)確定樣本體積。這些方法需要裝滿凈水的大容器。水溫應(yīng)當(dāng)受到監(jiān)測(cè)并控制在特定溫度，例如25℃。在試驗(yàn)的一個(gè)階段，將樣本在水中浸大約4分鐘，并記錄懸于水中的樣本的重量。在“石蠟包覆”法中，在確定樣本的干燥重量之后，在樣本的整個(gè)表面上涂上一薄層石蠟。然后在空氣中重新稱(chēng)量樣本重量。最后，將樣本浸在水中稱(chēng)量重量。在標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 2726中和ASTM D1188中分別可以找到水置換法和帕拉橡膠包覆法的更多細(xì)節(jié)。
瀝青的非破壞性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量通常用核子測(cè)定儀來(lái)完成。核子輻射測(cè)定儀已廣泛用于測(cè)量土壤和瀝青材料的密度。這樣的測(cè)定儀通常包括將伽馬輻射導(dǎo)入試驗(yàn)材料中的伽馬輻射源、鄰近試驗(yàn)材料表面用于探測(cè)散射回表面的輻射的輻射探測(cè)器。從這一探測(cè)器的讀數(shù)可以確定材料的密度。
然而，核子測(cè)定儀需要對(duì)這些測(cè)定儀的操作員進(jìn)行高度訓(xùn)練和放射線管理。因此，需要得到精確現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量測(cè)定儀而不使用核子測(cè)定儀。


發(fā)明內(nèi)容
因此給出了通過(guò)微波電磁分析獲得道路材料樣本的密度的方法和設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，由微波場(chǎng)獲得道路材料的材料特性的方法通常包括產(chǎn)生關(guān)于道路材料的第一模式的微波頻率電磁場(chǎng)。能夠測(cè)量電磁場(chǎng)中的道路材料的頻率響應(yīng)，例如通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀。測(cè)量頻率響應(yīng)的一個(gè)實(shí)施例可包括獲得頻率響應(yīng)的散射參數(shù)，盡管也可使用其它頻率響應(yīng)參數(shù)。頻率響應(yīng)的測(cè)量允許將頻率響應(yīng)與道路材料樣本的材料特性(例如密度)相關(guān)聯(lián)。通常材料的電容率能夠直接與材料的密度相關(guān)聯(lián)，電容率是得到密度的一個(gè)方便途徑。然而，其它方法可直接或間接使用頻率響應(yīng)來(lái)計(jì)算密度。
在本發(fā)明的更特定實(shí)施方案中，方法還可包括校準(zhǔn)技術(shù)。校準(zhǔn)可通過(guò)產(chǎn)生關(guān)于校準(zhǔn)材料的第一模式的微波頻率電磁場(chǎng)。校準(zhǔn)材料應(yīng)當(dāng)具有已知的物理特性，例如密度、體積、比重或孔隙度。與測(cè)量方法類(lèi)似，可確定校準(zhǔn)材料的頻率響應(yīng)。校準(zhǔn)材料的頻率響應(yīng)可與校準(zhǔn)材料的已知物理特性相關(guān)聯(lián)，從而為道路材料的頻率響應(yīng)提供校準(zhǔn)曲線。
還給出了做道路材料的粗糙度的校正的方法。通常，通過(guò)粗糙度可將道路分為淺層、粗糙部和深層。因此，確定具有淺層和深層的道路材料的電容率的方法通常包括用第一和第二平面電路電容率傳感器測(cè)量道路材料。第一平面電路傳感器測(cè)量相應(yīng)于淺層和深層的至少一部分的樣本體積中的電容率，第二平面電路傳感器測(cè)量相應(yīng)于淺層的至少一部分的樣本體積中的電容率。通過(guò)用大量已知的道路材料電容率校準(zhǔn)可以得到第一和第二平面電路傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。第一平面電路傳感器測(cè)量道路材料的電容率以確定第一測(cè)定電容率。第二平面電路傳感器測(cè)量道路材料以確定第二測(cè)定電容率。第一電容率和第二電容率與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以確定道路材料的電容率。
另外，本發(fā)明的實(shí)施例包括用于獲得道路樣本的密度的設(shè)備。該設(shè)備通常包括具有一定尺寸和形狀的微波電路以產(chǎn)生關(guān)于道路樣本的電磁場(chǎng)。網(wǎng)絡(luò)分析儀與微波電路相連以產(chǎn)生微波輸入以輸入用于產(chǎn)生電磁場(chǎng)的電路。網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)當(dāng)能夠測(cè)量至少一個(gè)散射參數(shù)。由測(cè)定的散射參數(shù)，該設(shè)備可以確定道路材料的密度。



圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于獲得道路材料的密度的設(shè)備； 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于獲得道路材料的密度的設(shè)備的框圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于獲得道路材料的密度的包括所用的材料樣本在內(nèi)的諧振腔波導(dǎo)； 圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的圖3的腔和樣本的有限元分析和理論解的曲線； 圖5根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的用于校正理論解的作為介電常數(shù)的函數(shù)的有限元分析的比率K； 圖6為說(shuō)明諧振頻率的圖3的腔和樣本的頻率掃描曲線； 圖7為對(duì)具有已知密度的一系列樣本使用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法找到的一系列樣本的電容率曲線； 圖8為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案找到的一系列樣本的密度與由獨(dú)立方法找到的密度相比較的曲線； 圖9(a)為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的調(diào)諧諧振腔的電等效框圖，而圖9(b)為失調(diào)短微波腔的電等效框圖； 圖10為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的失調(diào)腔的阻抗的Smith圖； 圖11為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的腔的電壓駐波比的曲線； 圖12為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的腔的阻抗的Smith圖； 圖13為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案找到的諧振頻率的腔和樣本的頻率掃描曲線； 圖14為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法來(lái)自不同樣本的密度和諧振頻率的曲線； 圖15為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的平面微波電路的開(kāi)槽線阻抗和密度的曲線； 圖16(a)和(b)為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于獲得道路材料密度的微條微波元件； 圖17為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于點(diǎn)道路材料密度的微條微波元件； 圖18為響應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法由用于獲得道路材料密度的微條微波元件測(cè)得的樣本密度改變的諧振頻率的曲線； 圖19(a)和(b)為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法由用于獲得道路材料密度的微條微波元件測(cè)得的不同密度的樣本的頻率和質(zhì)量因子響應(yīng)的曲線； 圖20為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法置于道路材料上方用于獲得道路材料密度的微條微波元件； 圖21為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案和方法用來(lái)獲得表面粗糙度校正的道路材料深層電容率測(cè)量的曲線； 圖22為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案和方法用來(lái)獲得表面粗糙度校正的道路材料淺和深測(cè)量的比率的曲線；以及 圖23為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案和方法用來(lái)獲得表面粗糙度校正的道路材料的淺測(cè)量和深測(cè)量的比率的曲線。

具體實(shí)施例方式 以下將參考附圖更完全地描述本發(fā)明，其中示出了發(fā)明的一些，但不是全部實(shí)施方案。實(shí)際上，這些發(fā)明可以以許多不同形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而不應(yīng)理解為只限制于此處所提出的實(shí)施方案，而是，給出這些實(shí)施方案從而這一公開(kāi)將滿足適用的合法要求。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中相似的數(shù)字指代相似的元件。
道路材料——特定地，瀝青——是空氣、巖石和粘合劑的異質(zhì)混合物。這些材料中的每一種都具有與其被電場(chǎng)極化的能力相關(guān)的特定電容率(即介電常數(shù))。電容率線性正比于極化率，是復(fù)量。電容率通常為具有實(shí)部ε’和虛部ε”的復(fù)數(shù)，實(shí)部和虛部分別代表傳播電磁波的能量存儲(chǔ)和能量損耗。通常，當(dāng)提到介電常數(shù)時(shí)，我們指的是電容率的實(shí)部。
空氣的介電常數(shù)為1.0，瀝青粘合劑的介電常數(shù)介于2.0和4.0之間，巖石的介電常數(shù)有變化，但是花崗巖的為大約4.0。在濕度測(cè)量模式中，微波設(shè)備將被用于測(cè)量自由水的體積或質(zhì)量百分比。自由水的介電常數(shù)為80或更低，由溫度決定。結(jié)合水的介電常數(shù)接近于冰，為大約3或4。對(duì)于像土壤和水這樣的材料所組成的復(fù)雜異質(zhì)混合物來(lái)說(shuō)，當(dāng)在1Ghz帶寬范圍上掃描測(cè)量時(shí)，電容率可以強(qiáng)烈依賴(lài)于頻率。對(duì)于HMA(熱拌瀝青)來(lái)說(shuō)，混凝料變干了，任何殘余的水都與混凝料結(jié)合在一起。結(jié)合濕氣的介電常數(shù)接近3或4。這接近于粘合劑和干混凝料的電容率，只要混合保持一致，那么這就不是一個(gè)問(wèn)題。
測(cè)得的材料電容率取決于頻率以及被所施加的電場(chǎng)移動(dòng)的荷電載流子的類(lèi)型。這些荷電載流子被移動(dòng)從而形成凈偶極矩。電荷可以是電子、原子、極子和離子。在瀝青中，所有上面的機(jī)制都對(duì)表觀介電常數(shù)有貢獻(xiàn)。然而，主要的貢獻(xiàn)來(lái)自于以單位體積為基礎(chǔ)的極性和離子響應(yīng)。其它的溶劑或雜質(zhì)(例如水)會(huì)增大這些貢獻(xiàn)和表觀介電常數(shù)。對(duì)于低的頻率來(lái)說(shuō)，重離子產(chǎn)生響應(yīng)，Maxwell-Wagner效應(yīng)使得瀝青表現(xiàn)出強(qiáng)的極性和溫度依賴(lài)性。在微波頻率，不存在這一效應(yīng)。Maxwell-Wagner效應(yīng)還可以用于土壤濕氣和異質(zhì)材料密度的量化。
瀝青中極性分子的行為遵循頻率-溫度響應(yīng)，可以用改良Debye方程來(lái)模擬。隨著弛豫頻率的下降，微波區(qū)段中的色散顯著降低。由于重的瀝青分子且因?yàn)闉r青與混凝料的結(jié)合，這一下降是可以預(yù)見(jiàn)的，這當(dāng)然是早先加入粘合劑的目的。
盡管瀝青液體的特征不具有磁性，但是構(gòu)成道路混合料的混凝料非?？赡芫哂写啪貜亩a(chǎn)生復(fù)磁導(dǎo)率μ’-jμ”。這里，μ’為實(shí)部，表示儲(chǔ)存磁能的能力，而μ”為虛部，表示損耗。由于ε和μ可減慢電磁波，并且都隨壓縮而以單位體積為基礎(chǔ)增大，從而電容率可用于測(cè)量瀝青密度，但是只是在材料中存在足夠的磁場(chǎng)H時(shí)有效。類(lèi)似地，壓縮時(shí)ε”和μ”將增大能量損耗。有建議在瀝青混合料中加入致?lián)p鐵氧體以增大微波加熱的效率。在鋪設(shè)過(guò)程中，或修復(fù)或移除過(guò)程中，可加熱瀝青來(lái)保持溫度。
參見(jiàn)圖1，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)D2520-95中確定了一種測(cè)量電容率實(shí)部和虛部的方法，該方法在此引入作為參考。D2520的測(cè)試方法基于對(duì)諧振傳輸線或封閉腔中的樣品的復(fù)散射(S)參數(shù)的微波測(cè)量。在這一技術(shù)中，樣本置于傳輸線或腔內(nèi)部，為在測(cè)設(shè)備(DUT)10。這里的方法結(jié)合了這些講授，進(jìn)一步可擴(kuò)展到泄漏型諧振器。測(cè)量可由網(wǎng)絡(luò)分析儀20來(lái)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)分析儀利用S參數(shù)分析來(lái)分析波在整個(gè)材料樣品中的傳播。也可通過(guò)分析波在傳輸線或波導(dǎo)中的傳播并與材料在傳感器邊界處的相互作用來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
S參數(shù)分析技術(shù)可由多種市場(chǎng)上能夠買(mǎi)到的寬帶網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成，例如加州Palo Alto的Agilent Technologies，Inc.生產(chǎn)的HP(Agilent)8753網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖1所示。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)分析儀是眾所周知的，用于測(cè)量電壓駐波比、復(fù)反射/傳輸系數(shù)、阻抗和導(dǎo)納矩陣參數(shù)，以及在測(cè)設(shè)備的回程和插入損耗。整套裝置通常包括網(wǎng)絡(luò)分析儀20，傳輸/反射測(cè)試設(shè)備22，以及在測(cè)設(shè)備10，在下面的各種實(shí)施方案中都有描述。這些裝置能夠進(jìn)行頻域和時(shí)域分析。這兩個(gè)域之間的變換通過(guò)快速傅立葉變換(通常稱(chēng)作FFT)來(lái)完成。例如，可以分析脈沖或階躍響應(yīng)來(lái)得到色散和群速度。速度與介電常數(shù)的實(shí)部的倒數(shù)相關(guān)，實(shí)際上它正比于

，而損耗與虛部ε”(ω)相關(guān)。這樣，實(shí)部和虛部都可依賴(lài)于頻率，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣。如今，已經(jīng)可以經(jīng)濟(jì)地制造和設(shè)計(jì)緊湊的使用電池電源的一端口和完全二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。
圖2為網(wǎng)絡(luò)分析儀20的簡(jiǎn)化圖，包括頻率發(fā)生器8，示出開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)12、14和定向耦合器16、18，用于將完全二端口系統(tǒng)與DUT10耦合。有許多設(shè)計(jì)可用于網(wǎng)絡(luò)分析儀，包括標(biāo)量和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，某些使用了簡(jiǎn)單的二極管檢波器，在諸如下列出版物中都能找到，例如“微波阻抗測(cè)量(Microwave Impedance Measurement)”，P.I.Somlo，BS J.D.Hunter，Peter Peregrinus Lt.著，London UK.1985；或“微波測(cè)量(Microwave Measurement)”，A.e.Bailey，Peter PeregrinusLt.編，London UK.1985。反射計(jì)、VSWR橋路和網(wǎng)絡(luò)分析儀可以基于用于低頻的橋路電路和用于高頻的耦合器。
材料的阻抗、電容率、磁導(dǎo)率、復(fù)電容率和復(fù)磁導(dǎo)率可利用S參數(shù)分析來(lái)測(cè)量，例如Agilent AN 154S參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用注釋(S-parameterDesign Application Note)中描述的，在此引入作為參考。由于S參數(shù)關(guān)系到RF網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出之比，它們可以用于對(duì)置于封閉腔室中或開(kāi)放傳感器系統(tǒng)附近的材料測(cè)量RF網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出之比。入射RF電磁波被主動(dòng)激活，且系統(tǒng)根據(jù)材料的邊界條件和構(gòu)成關(guān)系產(chǎn)生響應(yīng)。例如，S11為從在測(cè)設(shè)備測(cè)得的反射，可得到回程損耗。S12為在整個(gè)在測(cè)設(shè)備上測(cè)得的傳輸，可得到插入損耗。照此，S11和S12可作為RF輸入和輸入的幅度和相位之比來(lái)測(cè)量。從而本發(fā)明的這些實(shí)施方案采用了這樣的測(cè)量系統(tǒng)，它包含用于激發(fā)DUT的寬帶微波傳感器、耦合器，和提供散射(S)參數(shù)、阻抗(Z)矩陣參數(shù)或?qū)Ъ{矩陣(Y)參數(shù)的測(cè)量電路，以及具有顯示器和軟件的數(shù)據(jù)處理單元。通過(guò)這些，能夠推導(dǎo)出近場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量的計(jì)算、像傳播常數(shù)α、β、諧振頻率和Q這樣的參數(shù)，以及相位和群速度。通過(guò)這些(并不特定地局限于這些)，得到了樣本的最終特性。該系統(tǒng)使用微波掃描振蕩器來(lái)測(cè)量像散射參數(shù)和其它矩陣參數(shù)這樣的參數(shù)作為頻率的函數(shù)，從而得出諧振頻率、Q、S11或S21的最大值或最小值作為頻率的函數(shù)。顯示器和軟件可集成到單個(gè)單元中，例如很像Troxler 3440 Nuclear測(cè)定儀。這一裝置可進(jìn)行井下以及表面測(cè)量。處理單元和顯示器可以通過(guò)有線或無(wú)線鏈接與PDA相連。除了項(xiàng)目管理程序之外，軟件還可以包括所有基本命令。
雖然已經(jīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析儀描述了材料測(cè)量以利用S參數(shù)確定像阻抗、電容率、磁導(dǎo)率、復(fù)電容率和復(fù)磁導(dǎo)率這樣的參數(shù)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，利用其它材料分析技術(shù)的其它測(cè)量系統(tǒng)也可與此處描述的這些方法和在測(cè)設(shè)備結(jié)合使用。實(shí)際上，是要不偏離權(quán)利要求的精神或范圍，任何能夠通過(guò)軟件或手工方法確定電容率和復(fù)電容率的電磁波分析方法都可與本發(fā)明結(jié)合使用。
諧振腔樣本測(cè)定儀 在瀝青道路建設(shè)工業(yè)中，圓柱狀瀝青芯是普遍的樣本形狀。因此，有利地可將瀝青圓柱用于諧振腔中來(lái)確定電容率特性。根據(jù)確定瀝青樣本密度的方法的一個(gè)實(shí)施方案，電容率分析可得到密度測(cè)量。這些結(jié)果可用于校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)裝置。應(yīng)當(dāng)指出雖然下面描述了矩形諧振腔作為用于瀝青樣本的合適測(cè)量設(shè)備，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其它諧振設(shè)備也可用來(lái)替代矩形諧振腔。其它波導(dǎo)諧振器包括圓柱形、凹腔、Fabry Perot，或由微條、開(kāi)槽線、共面波導(dǎo)、共面條帶、表面波導(dǎo)、介電諧振腔和許多諧振結(jié)構(gòu)以及模式——例如TEM、準(zhǔn)TEM、TE、TM或混合HE模式——中任何一個(gè)制成的設(shè)備。測(cè)量可在反射模式、傳輸模式或其組合模式中進(jìn)行。結(jié)構(gòu)可具有負(fù)載以滿足特定的邊界條件，例如開(kāi)路、短路、匹配，或者甚至是諧振負(fù)載，例如短或諧振偶極子。這里，偶極子會(huì)與近場(chǎng)發(fā)生反應(yīng)，阻抗會(huì)改變饋送的諧振頻率。這些可使用微條接線天線，或者甚至是天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如以下文獻(xiàn)中所描述的“使用接線天線的諧振頻率測(cè)量介電常數(shù)的新方法(Anew method of measuring dielectric constant using the resonantfrequency of a patch antenna)”，Du Shimin，IEEE Transactions ofMicrowave Theory and Techniques，No.9，September 1996。在任何情形中，微波輻射將會(huì)對(duì)于接觸設(shè)備來(lái)說(shuō)在近場(chǎng)中與在測(cè)材料，以及，對(duì)于非接觸設(shè)備或深層測(cè)量來(lái)說(shuō)在遠(yuǎn)場(chǎng)中與在測(cè)材料發(fā)生相互作用。
如此處所述，還應(yīng)當(dāng)指出樣本并不一定相對(duì)于波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)小，不過(guò)瀝青樣本的介電常數(shù)通常都小于大約8，并且不受形狀改變的影響。照此，校準(zhǔn)樣本和測(cè)量樣本的不變的形狀使得可以校正形狀誤差。樣本與波長(zhǎng)相比的大尺寸可用校正因子K來(lái)做校正。校正因子可使用有限元分析或任何數(shù)值計(jì)算技術(shù)來(lái)得到，在下面將更詳細(xì)討論。如果是普通形狀，例如小立方體或棒狀，則可以使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法在合適的邊界條件下得到校正，但是一般來(lái)說(shuō)，有限元或其它數(shù)值技術(shù)對(duì)于任何幾何形狀來(lái)說(shuō)都是有用的。其它數(shù)值技術(shù)包括有限差分、有限差分時(shí)域、瞬時(shí)方法等。因此，能夠忽略形狀、能夠做尺寸校正以及相對(duì)較低的介電常數(shù)使得可以使用微擾技術(shù)或一般來(lái)說(shuō)“類(lèi)波傳播”方法來(lái)測(cè)量瀝青樣本或表面的電容率。傳感器可用于抽查瀝青或土壤表面，或可以發(fā)射和探測(cè)表面波，覆蓋更大面積。眾所周知表面波的穿透深度反比于激發(fā)頻率。這一設(shè)備可以是慢波結(jié)構(gòu)，例如與要測(cè)量的媒介接觸的波紋板。然后作為頻率的函數(shù)的傳播常數(shù)可以得到質(zhì)量與深度關(guān)系的信息。
以下示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于從電容率分析獲得瀝青樣本密度的一種方法?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖3，矩形TE101模諧振腔32(它可以是圖1的DUT的一種實(shí)施方案)用于獲得瀝青樣本34的測(cè)量。這一矩形諧振腔具有0.9×0.4×0.19米的尺度。ASTM標(biāo)準(zhǔn)D-2520是用于滿足可與邊界值調(diào)整一起使用的特定邊界條件的小樣本的標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，樣本假定為很薄并延伸通過(guò)整個(gè)腔。這樣的樣本使得可以容易地解出Maxwell方程和必要的能量分析。首先，小樣本不會(huì)“干擾場(chǎng)”，從而你可以假設(shè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)在插入之前和之后都完全一樣。此外，你還可以計(jì)算空腔的場(chǎng)，并使用與填滿的腔一樣的解。另外，利用這一裝置和模式，樣本總是與場(chǎng)相切，從而沒(méi)有垂直場(chǎng)與樣本發(fā)生相互作用。這保證了樣本中的場(chǎng)與空腔時(shí)完全一樣。
然而，在圖3中，在腔34底部有一大樣本32。根據(jù)邊界條件樣本中的場(chǎng)將與空腔時(shí)不同，因?yàn)槲覀冇辛舜怪狈至俊＿€因?yàn)闃颖?2為大約.15m寬和.1m高，它與波長(zhǎng)相比不再是電學(xué)上足夠小的。因此，如果樣本沒(méi)有完全從頂部延伸到底部，或者并不總是相切于電場(chǎng)，ASTM邊界條件就不適用。在腔34和樣本32之間具有空氣隙是方便的，這樣樣本就可以容易地插入，而這又要求一些校正。
對(duì)于空的、填滿空氣的矩形腔，通過(guò)在合適的邊界條件下求解Maxwell方程可得到諧振頻率，因而每個(gè)諧振結(jié)構(gòu)將具有其唯一的諧振頻率關(guān)系。
矩形腔的基模為 對(duì)于這一樣本腔32，空諧振頻率大約為428MHz。由微擾理論可知 (見(jiàn)R.F.Harrington，“時(shí)諧電磁場(chǎng)(Time HarmonicElectromagnetic Fields)”，McGraw Hill Book Co.，1961)。其中E1、f1和Q1為空腔的電場(chǎng)、頻率和品質(zhì)因子而E2、f2和Q2為容納了樣本34的腔的電場(chǎng)、頻率和品質(zhì)因子，而Vcavity和Vsample分別為腔32和樣本的體積。品質(zhì)因子Q為每個(gè)周期中存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的能量與耗散的能量之比。對(duì)于傳輸型諧振器，它通過(guò)3db帶寬和結(jié)構(gòu)的諧振頻率來(lái)測(cè)量。品質(zhì)因子是對(duì)于任何諧振系統(tǒng)來(lái)定義的，無(wú)論它是波導(dǎo)腔、微條諧振器、諧振傳輸線或背腔天線。
對(duì)于未擾動(dòng)的TE101模腔來(lái)說(shuō)電場(chǎng)強(qiáng)度E為 其中a為腔的寬度而d為長(zhǎng)度，單位為米。
假設(shè)對(duì)于小樣本來(lái)說(shuō)E1＝E2，可將3式代入2式，得到電容率實(shí)部和虛部的解，如下 從而 其中σ代表瀝青樣本的電導(dǎo)率，K為幾何形狀校正因子，用于校正電磁場(chǎng)隨形狀、電容率和取向的改變。對(duì)于切向E場(chǎng)連續(xù)穿過(guò)邊界和整個(gè)樣本的小樣本來(lái)說(shuō)K＝1。然而，對(duì)于大樣本或不與場(chǎng)平行的樣本來(lái)說(shuō)，K必須由閉式或用數(shù)值方法(例如有限元分析)來(lái)確定。通常，電場(chǎng)E2只能通過(guò)對(duì)樣本幾何形狀、材料特性和場(chǎng)取向的了解來(lái)得到。當(dāng)E場(chǎng)平行于樣本邊界時(shí)，敏感度最大，但是該分析適用于垂直場(chǎng)或它們的組合。
有限元分析需要模擬具有已知介電特性和尺度的“虛”樣本。因此該分析得到系統(tǒng)的復(fù)頻率響應(yīng)。例如，可以獲得復(fù)傳播常數(shù)、諧振頻率和損耗效應(yīng)。然后可以將有限元結(jié)果與真實(shí)測(cè)量相比較，并調(diào)整有限元模型中的參數(shù)直到該模型在一個(gè)帶寬上產(chǎn)生與測(cè)量完全一樣的結(jié)果。從而，可間接地得到材料參數(shù)的解。這一方法計(jì)算量非常大，可需要數(shù)個(gè)小時(shí)來(lái)尋求解。
在另一方法中，可使用計(jì)算技術(shù)來(lái)得到諧振頻率或損耗相對(duì)于電容率和樣本尺度的曲線并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。然后在便攜設(shè)備中，可以將樣本尺度與損耗和頻率結(jié)果一起輸入計(jì)算機(jī)，可以得到復(fù)電容率。依舊，如果樣本幾何形狀是像瀝青工業(yè)中那樣的標(biāo)準(zhǔn)形狀，可以與5和6式情形一樣得到閉式方程的校正因子。如果有具有已知電容率和樣本之間幾何形狀不變的標(biāo)準(zhǔn)材料來(lái)用于校準(zhǔn)，那么也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得校正因子。發(fā)現(xiàn)更大樣本的校正因子可用于具有相同一般形狀的更小樣本。
通常，當(dāng)樣本尺度小于大約λ/10時(shí)，可認(rèn)為它電學(xué)上足夠小。在這些實(shí)驗(yàn)中，圓盤(pán)通常為直徑150mm，高115mm。在用于這些實(shí)驗(yàn)中的矩形波導(dǎo)中，第一模式在空氣中在大約426Mhz處諧振，波長(zhǎng)大約750mm。因此該樣本不能認(rèn)為是小的，此外，它也沒(méi)有延伸至波導(dǎo)頂部。樣本和波導(dǎo)頂之間的間隙是垂直E場(chǎng)邊界條件，由于εr＞1，它將在這一區(qū)域相當(dāng)程度上改變場(chǎng)。這將進(jìn)一步使解偏離理想情形。
理想解和具有材料的短樣本圓盤(pán)的FEM解之間的差別示于圖4中。使用尺度.9144×.1905×.3794m的矩形腔進(jìn)行了有限元模擬。在腔內(nèi)最大電場(chǎng)處(對(duì)于基模來(lái)說(shuō)就是中央)放置了半徑75.057mm和高115mm的虛圓柱盤(pán)。在數(shù)值分析中，電容率從1變到8。對(duì)于充滿空氣的腔，發(fā)現(xiàn)數(shù)值分析給出諧振頻率f1＝427.6MHz。通過(guò)一些磁環(huán)耦合機(jī)制的調(diào)節(jié)，這與真實(shí)測(cè)定值吻合得非常好。然后用不同的電容率來(lái)運(yùn)行該程序，每次都記錄下特征值頻率。頻率示于下面的表1的4和5列中。
表1 在表1中，δf＝f1-f2，“理論”列指的是使用5和6式在K＝1下算出的結(jié)果。簡(jiǎn)單地用3列除以2列就可以得到每個(gè)樣本的校正因子K。圖5為這一幾何結(jié)構(gòu)的K相對(duì)于εr的曲線。在方程形式中，校正因子為 K＝0.0477+0.9*exp(-.076εr)(6b) 作為使用電容率實(shí)部的實(shí)施例，在空腔中插入了校正樣本。在一個(gè)實(shí)施例中，校正樣本為半徑74.95m、高114.5mm且電容率2.6的聚乙烯圓盤(pán)。在合適的頻帶上進(jìn)行頻帶掃描來(lái)尋找第一諧振，示于圖6中。這里我們看到諧振頻率為400.08MHz。將其代入5式并設(shè)K＝1，得到介電常數(shù) εr＝1+(66.09/2.021)(427.6-400.08)/(2*400.08) 或εr＝2.09。將其與得自(6b)的K相乘得到2.57。注意聚乙烯圓柱的高度與FE模擬中所用的并不完全一樣。只要測(cè)量幾何尺寸相對(duì)接近模擬，那么就可得到好的結(jié)果。對(duì)于高度h更大的不同，可以使用下式來(lái)估算電容率的校正 εr＝(εr-1)h/115+1 (6c) 該式通過(guò)利用頻率移動(dòng)正比于樣本和腔的體積之比VS/VC這一事實(shí)導(dǎo)出。
作為結(jié)合了電容率虛部的測(cè)試，已知DELRIN(一種眾所周知的塑料)具有3.1+j0.148的復(fù)電容率。首先用有限元程序模擬了小樣本。這一樣本從腔的底部延伸到頂部，直徑僅有25.4mm。從而樣本體積為96.528e-3m3。由于電場(chǎng)矢量始終平行于樣本，而且與波長(zhǎng)相比樣本較小，因此K＝1。(5)和(6)式給出424.99Mhz的諧振頻率和1104的Q。作為數(shù)值程序的檢驗(yàn)，將這一材料編碼，發(fā)現(xiàn)有限元分析得到f＝424.94Mhz和1056的Q。近乎完美的吻合。接下來(lái)在模型中，Delrin的尺寸擴(kuò)大到直徑為75.057mm并縮短到高度為115.0mm，在樣本和腔頂之間留下足夠的空氣間隙。根據(jù)表1，這將導(dǎo)致.7666的K。將K代入(5)和(6)，反過(guò)來(lái)求解頻率，我們得到f2＝389.21Mhz。類(lèi)似地，(6)式得到93.1的品質(zhì)，都與數(shù)值分析吻合得很好。因此，結(jié)論是即使對(duì)于大樣本，僅從電容率實(shí)部導(dǎo)出的幾何形狀校正因子也可用于虛部計(jì)算，實(shí)際上，該因子可以被吸收到形狀因子中。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，對(duì)于上述腔，圖4示出有限元分析的TE101響應(yīng)與典型的ASTM 2520方法的比較，其中場(chǎng)E沒(méi)有受到樣本的插入的干擾。圖5示出校正因子K作為介電常數(shù)的函數(shù)。此外，在分析過(guò)程中觀察到損耗和頻率偏移(從而實(shí)和虛電容率偏移)的校正因子非常接近。因此，我們認(rèn)為可以對(duì)電容率的實(shí)部和虛部假設(shè)相同的校正因子。照此，可以從上面的方程中確定樣本的絕對(duì)電容率；即使是對(duì)于從電學(xué)上來(lái)講較大且形狀不規(guī)則的樣本來(lái)說(shuō)也是如此。
對(duì)于電路來(lái)說(shuō)，除了樣本特性和測(cè)量之外，品質(zhì)測(cè)量還要求校正阻抗負(fù)載和損耗。對(duì)于無(wú)負(fù)載設(shè)備， 其中QL1代表所有損耗的總和，QO為內(nèi)部能量損耗，而QE為通過(guò)同軸電纜和網(wǎng)絡(luò)分析儀的外部能量損耗。對(duì)于載有樣本的設(shè)備， 因此，樣本的Q可以如下確定 對(duì)于所有三種損耗機(jī)制，損耗方程為 其中Rs代表內(nèi)部損耗，例如諧振器的表面電阻，Rsample代表樣本損耗，而Z0代表同軸電纜的阻抗，或者其它有可能的外部損耗，例如輻射。諧振時(shí)，耦合因子β將QO和QL聯(lián)系起來(lái)[R.E.Collin，“微波工程基礎(chǔ)(Foundations for Microwave Engineering)”，McGraw Hill，1966.] QO＝QL(1+β)(11) 其中β為過(guò)耦合， β＝R′/Z0 (12) 欠耦合 β＝Z0/R′ (13) 或精密耦合， β＝1 (14) 因此欠耦合是有利的，從而β＜＜1，以大致使得 QL≡QS (16) 總結(jié)來(lái)說(shuō)，校正樣本的腔測(cè)量的目的在于得到混合材料的復(fù)電容率用于校正現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并得到這些特性用于芯的工程特性的實(shí)驗(yàn)室記錄。工程特性通過(guò)芯的粘合劑(氧化)、水和空隙含量的化學(xué)特性而與芯的質(zhì)量相關(guān)。
現(xiàn)在當(dāng)瀝青樣本的電容率已經(jīng)確定時(shí)，可以用多個(gè)具有已知密度的瀝青樣本來(lái)校準(zhǔn)腔。例如，將至少兩個(gè)密度不同但是具有相同混合料(電容率特性)的樣本置于諧振器中以進(jìn)行Δf或ΔQ的測(cè)量，得到密度的線性方程。然而，由于大多數(shù)混合料都具有類(lèi)似的斜率，僅找到校正曲線的偏移就可以得到一般的校正曲線。這里，只需要一個(gè)具有特定電容率和已知密度的瀝青樣本。
簡(jiǎn)單模型結(jié)合了圓盤(pán)的尺度和可變的電容率。不同的混合料具有不同的“基”電容率，并隨著空氣隙的增大而減小，因?yàn)槊芏冉档土恕?br> 密度關(guān)系 由于材料被壓縮，偶極子密度增大從而ε’和ε”都要增大。這些增大將降低電磁波的相速度，并增大系統(tǒng)的插入和回程損耗。對(duì)于諧振結(jié)構(gòu)，諧振頻率和Q都會(huì)隨著壓縮的增大而降低。偏離諧振時(shí)，反射和傳輸系數(shù)的幅度和相位都會(huì)依照波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(在這一實(shí)施例中為諧振腔)的特性和長(zhǎng)度而改變。結(jié)果，有可能利用ε’和/或ε”的增大，或f和/或Q的降低來(lái)測(cè)量密度增大。利用這些類(lèi)型的測(cè)量，必須用到使用具有已知密度和一致形狀的校正樣品進(jìn)行的校正。如果使用半徑大約75mm而高度接近115mm的SUPERPAVE型瀝青芯進(jìn)行相對(duì)于f和Q的校正，那么校正曲線將僅限于這些形狀和尺寸，除了一些可以用(6c)校正的高度變化之外。換句話說(shuō)，如果沒(méi)有另外的校正的話，就不能使用更小的Marshall丸。另一方面，如果確定使用復(fù)電容率進(jìn)行密度校正，那么無(wú)論樣本的形狀如何，一旦測(cè)得了樣本的電容率，校正就將成立。
通過(guò)采用(5)式的比值以及(6)的平方根，可以加入不依賴(lài)于形狀的校正，例如在U.S.專(zhuān)利No.5,554,935中所描述的。通過(guò)VS＝質(zhì)量/ρ(其中ρ為體密度)這一事實(shí)我們得到 ρ＝(G/(δf√Q)+C)2(6d) 其中C為常數(shù)。利用這一方法，對(duì)于不同形狀可以使用具有相同校正方程的頻率和Q。
僅校正頻率 在Gyratory壓縮機(jī)中制作了37個(gè)芯。它們都由石灰石和花崗巖物質(zhì)組成。有6批芯。在每一批中，通過(guò)對(duì)特定壓縮高度改變材料的質(zhì)量在混合料中得到三種不同的空隙比。高度接近115mm，與模擬中類(lèi)似，每種密度都有兩個(gè)備份。
在腔中，對(duì)每個(gè)芯上下倒轉(zhuǎn)進(jìn)行了兩次測(cè)量。因此每批有6次測(cè)量。在腔中，插入樣本，頻率從空腔的426.7Mhz值向下變化。希望能在多個(gè)頻率處進(jìn)行分析，這可以通過(guò)選擇更高階的模式或設(shè)計(jì)不同的腔來(lái)實(shí)現(xiàn)。
從有限元分析可以導(dǎo)出一個(gè)方程，它直接將諧振頻率與電容率聯(lián)系起來(lái) ε’＝-.7690+7355.34exp(-.0194f) 其中f單位為Mhz。由于頻率偏移與體積比VS/VC直接相關(guān)，于是對(duì)于不同的樣本高度，可以使用(6c)估算電容率校正。這些關(guān)系被用于尋找在實(shí)驗(yàn)室中制作的芯的介電常數(shù)的實(shí)部。然后其結(jié)果被用于獲得將電容率與密度相關(guān)聯(lián)的方程。使用核子裝置和測(cè)量方法得到芯的密度。
例如，考慮批次2-xxx的芯。對(duì)于芯2-102，頻率可容易地轉(zhuǎn)換成介電常數(shù)。測(cè)量結(jié)果示于下面的表2中，其中使用6c進(jìn)行高度校正。X和O代表芯在腔中上下倒轉(zhuǎn)兩個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)量。
表2 對(duì)于每個(gè)不同的混合料，進(jìn)行了回歸分析以得到該混合料相對(duì)于電容率的校正曲線。表3示出批次2的結(jié)果。
表3 殘差為.994。非常好的數(shù)值，代表了微波介電常數(shù)和芯密度之間的線性關(guān)系。
注意δf或δQ可以作為密度的函數(shù)來(lái)使用，或者ε’和/或ε”可作為密度的函數(shù)來(lái)使用?？蛇x地，可以使用這些參數(shù)之比，例如ε’/ε”。圖7中繪出了示出了一個(gè)例子，繪出由幾種不同的瀝青混合料的散射系數(shù)(S12)結(jié)果得到的ε’相對(duì)于ρ。注意圖12僅示出電容率的實(shí)部。此外，每個(gè)混合料具有不同的截距但是相同的斜率。因此，對(duì)這些瀝青混合料可以假設(shè)所有曲線都近似具有相同的斜率，從而只需要找到截距。這一近似可有助于減少場(chǎng)校準(zhǔn)的步驟，然而，優(yōu)選方法是斜率和截距都要補(bǔ)償。圖8示出當(dāng)每個(gè)混合料對(duì)斜率和截距都做補(bǔ)償時(shí)的精度。
對(duì)于單個(gè)混合料設(shè)計(jì)，S11和S12都可用于關(guān)聯(lián)頻率偏移和密度，從而在這一情形中可忽略真實(shí)電容率值。在現(xiàn)場(chǎng)，使用芯或核子測(cè)定儀，f和Q值或S11和S12的測(cè)量可以容易地與測(cè)試條的密度關(guān)聯(lián)，而無(wú)需直接知道電容率。
反射S11 當(dāng)傳輸線終接于復(fù)阻抗時(shí)，反射測(cè)量是合適的。正如微波分析中所眾所周知的，阻抗在端口處測(cè)量，這一端口的相位(部分由設(shè)備或負(fù)載的長(zhǎng)度決定)以可預(yù)測(cè)的周期方式確定阻抗。特定地，可得到兩個(gè)公共等效回路，由“失諧”諧振來(lái)確定。一個(gè)是失諧短路位置，另一個(gè)是失諧開(kāi)路位置。當(dāng)然等效回路在這些極點(diǎn)之間可以呈現(xiàn)無(wú)窮多個(gè)阻抗，但是利用合適的參照，可以求出設(shè)備的特性。由于失諧短路和開(kāi)路在數(shù)學(xué)上互相對(duì)偶，因此一個(gè)的結(jié)果可容易地實(shí)現(xiàn)另一個(gè)。
圖9(a)示出失諧回路，其中傳輸線阻抗Z0、耦合電阻RS和腔損耗G，電學(xué)影響為C，而磁場(chǎng)影響為電感L。圖9(b)示出作為失諧短路回路的諧振器，實(shí)部和虛部正比于耦合匝比n的平方。注意遠(yuǎn)離諧振時(shí)，回路在理想情形中具有短路的阻抗。這一特征可以用于校正網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差。對(duì)于微波設(shè)備來(lái)說(shuō)，其它諧振也會(huì)影響到結(jié)果。這些模型代表了僅存在于特定諧波附近的響應(yīng)。TE011失諧腔的阻抗以Smith圖的形式示于下面的圖10中。這里參考平面被移動(dòng)以表示短路失諧振。
應(yīng)當(dāng)指出圖10的阻抗圖40近乎環(huán)形。在接近諧振處，電阻或損耗不隨頻率變化，這一損耗在Smith圖中模擬為常數(shù)電阻圓。在諧振處，阻抗為實(shí)數(shù)，并且最接近圖的中心，產(chǎn)生最小VSWR。對(duì)于匹配很好的設(shè)備來(lái)說(shuō)，以dB測(cè)量的反射系數(shù)將具有非常急劇的傾斜，使得容易找到諧振頻率。
圖11中示出諧振附近的VSWR圖。方法是在設(shè)備的通頻帶上掃描網(wǎng)絡(luò)分析儀，并繪出VSWR，如圖11所示。
對(duì)于反射測(cè)量，諧振相應(yīng)于最小反射系數(shù)或VSWR。正如本領(lǐng)域技術(shù)中已知的，也有可能利用主要反射技術(shù)進(jìn)行Q測(cè)量。在這一情形中，Δf通過(guò)半功率VSWR頻率之間的頻率差來(lái)得到，從而 其中S0為腔中有樣本時(shí)諧振處的VSWR，3db功率點(diǎn)相應(yīng)于兩個(gè)VSWR1/2點(diǎn)的f1和f2。
當(dāng)系統(tǒng)欠耦合時(shí) β＝1/S0(18) 將其代入11式，QO＝QL(1+β)，因?yàn)? 其中Δf由上面的VSWR1/2確定；可以得到僅依賴(lài)于內(nèi)部損耗的QO。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能認(rèn)識(shí)到的，并不一定要計(jì)算瀝青樣本的電容率值。而是可以將密度關(guān)系與任何數(shù)量的由微波傳輸和反射損耗測(cè)得的參數(shù)、頻率偏移、相位偏移、S參數(shù)、導(dǎo)納和阻抗矩陣參數(shù)等進(jìn)行比較。也就是說(shuō)，上面這些簡(jiǎn)單地描述了一種有利的方法來(lái)用反射和傳輸測(cè)量確定樣本的密度，而這些測(cè)量又可在許多其它數(shù)學(xué)校正方法中關(guān)聯(lián)從而無(wú)需求解電容率。
反射模式中的空腔得到作為頻率的函數(shù)的阻抗圖50，如圖12所示。由于β＜1，常數(shù)阻抗圓不會(huì)穿過(guò)Smith圖中心，并且β＝1/VSWR＝22.2/50＝1/2.25。找到諧振的一種容易的方法是在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下繪出回程損耗或S11并尋找最小值。這一曲線示于圖13中并示出426.7Mhz的諧振頻率。半功率VSWR(Vc)為7.25，這相應(yīng)于大約285Khz的頻帶寬度，對(duì)于負(fù)載Q，QL＝1497，而對(duì)于無(wú)負(fù)載QO＝1.444*QL＝2162。利用反射方法測(cè)量了樣本。下面示出測(cè)量結(jié)果表格。
表4 由于這些VSWR太高，從而腔非常欠耦合，無(wú)負(fù)載Q將非常接近負(fù)載Q。
對(duì)于相關(guān)測(cè)量，諧振頻率可作為芯的密度的函數(shù)繪出，如圖14所示。
PCF＝914.24+f*-2.14，r2＝.99988 而且，可利用諧振頻率和腔的有限元模型來(lái)計(jì)算介電常數(shù)，并且這些結(jié)果可恒等地等于用傳輸腔得到的結(jié)果。
還可以注意到對(duì)于微波頻率來(lái)說(shuō)，校正較不容易受特定類(lèi)型的電介質(zhì)或道路的濕度引起的電導(dǎo)改變的影響。從而，校正可以在各混合料之間更為通用。在微波區(qū)段，得到設(shè)備的反射和傳輸特性，而不是測(cè)量集總阻抗。至于頻率依賴(lài)性，隨著f增大色散將最小化，如下面所解釋的那樣。
對(duì)于自由極性分子，取向和感應(yīng)極化強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度，在相對(duì)較低的頻率下尤其如此。對(duì)于潮濕的(含水的)混合物， 其中α為弛豫時(shí)間的分布的校正，τ為與分子的遷移率直接相關(guān)的弛豫時(shí)間，εr∞為高頻電容率，而εrs為低頻或靜態(tài)電容率。在遠(yuǎn)大于1/τ的頻率，εr＝εr∞。εrs隨著溫度的上升而降低，因?yàn)闇囟鹊纳仙龑?dǎo)致了分子更大的無(wú)序，而τ隨著溫度增大而降低。通過(guò)研究電容率的實(shí)部和虛部從低頻到微波頻帶的色散，可以將濕度影響與其它屬性(例如孔隙度)分離開(kāi)。對(duì)于異質(zhì)混合物，這些頻率影響將在任何簡(jiǎn)單的Debye效應(yīng)之上加重，這可以用Maxwell-Wagner理論來(lái)解釋。
由于瀝青是“粘合”劑并被吸收到混凝料中，并且由于它是大的重分子，因而弛豫時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致相對(duì)較低的介電常數(shù)和低的弛豫頻率。由于這一原因，與更低頻帶相比，HMA的微波分析對(duì)溫度變化更不敏感。從而在整個(gè)微波頻帶上的寬帶測(cè)量可以導(dǎo)致濕度和密度影響的分離。
美國(guó)專(zhuān)利no.6,414,497和U.S.專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)20020175691討論了瀝青密度測(cè)量的溫度影響。在微波區(qū)段，極性分子的溫度影響可以忽略。然而，還是會(huì)有由于在測(cè)材料簡(jiǎn)單的體積膨脹導(dǎo)致的溫度影響。這是因?yàn)樵摐y(cè)量方法基于每單位體積的材料的偶極矩。在這點(diǎn)上，對(duì)于道路材料的質(zhì)量保證中最精確的結(jié)果來(lái)說(shuō)，對(duì)微波結(jié)果的細(xì)微溫度校正是有用的。這些線性校正可以與瀝青的基礎(chǔ)溫度相關(guān)。例如，這一擴(kuò)展在以下文獻(xiàn)中得到確認(rèn)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D 4311-96，“用于確定瀝青體積對(duì)基礎(chǔ)溫度的校正的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐(Standard Practice forDetermining Asphalt Volume Correction to a Base Temperature)”。
微波平面回路 還可以采用微波平面回路，尤其是用于瀝青的非破壞現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中。要用平面回路是因?yàn)樗鼈儼ㄐ孤﹫?chǎng)，可構(gòu)成介電傳感器。圖15為微波區(qū)段中開(kāi)槽線阻抗相對(duì)于瀝青密度的曲線，它顯示出微波輻射的復(fù)傳播常數(shù)可以用許多不同的參數(shù)來(lái)探測(cè)，例如復(fù)諧振頻率、復(fù)阻抗、復(fù)S參數(shù)等。波導(dǎo)或發(fā)射設(shè)備可以是微條、帶狀線、開(kāi)槽線、共面波導(dǎo)、環(huán)形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)，或者甚至是開(kāi)路或泄漏波導(dǎo)，例如表面波發(fā)射設(shè)備。平面回路可以測(cè)量反射系數(shù)或傳輸系數(shù)。這些響應(yīng)是復(fù)傳播常數(shù)在從平面回路發(fā)射出來(lái)時(shí)在瀝青表面中和/或穿過(guò)瀝青表面行進(jìn)的直接結(jié)果。在微波傳播中，諧振器僅僅是一種測(cè)量復(fù)傳播常數(shù)α+jβ的方法。上面提到的回路是要用于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量復(fù)傳播常數(shù)和S參數(shù)。傳輸線也可負(fù)載上與材料相互作用的設(shè)備。導(dǎo)致的阻抗偏移作為密度的函數(shù)可以在輸入端口處利用網(wǎng)絡(luò)分析通過(guò)相位或諧振來(lái)探測(cè)。
特定地，瀝青是一種化合分子，由不同的原子組成，例如硫、氮和氧，附著在氧和氫這些主要的原子上。由于鍵中的電化學(xué)力的不平衡，所得結(jié)構(gòu)是極性的。瀝青烯通常是茶褐色的易碎固體，是水泥中最復(fù)雜的成分，具有最高極性。其它成分是樹(shù)脂和油。
因?yàn)闉r青具有永久偶極矩，并且是化合物，因此它具有弛豫時(shí)間分布，導(dǎo)致Cole-Davidson方程 εr＝εr∞+(εrs-εr∞)/(1+jωτ)α-jσ/ωεo 其中“s”表示低頻電容率，而∞表示高頻電容率。最后一項(xiàng)代表碳原子或DC電導(dǎo)引起的損耗。上述方程中頻率依賴(lài)項(xiàng)為分母，它也隨弛豫時(shí)間τ(弛豫頻率的倒數(shù))的改變而改變。因此分子的遷移率或分子旋轉(zhuǎn)的能力由弛豫時(shí)間來(lái)確定，它也決定了材料低和高頻率響應(yīng)的“邊界”。由于瀝青在室溫下是固體或半固體，并用作水泥，因此可以理解弛豫頻率將較低，結(jié)果電容率將不會(huì)很大。在混合料中，瀝青被吸附到混凝料上，它進(jìn)一步“鎖定”分子移動(dòng)。通常介電常數(shù)將小于7。當(dāng)瀝青更趨近液體時(shí)，偶極子將旋轉(zhuǎn)得更容易，增大了相對(duì)電容率。這是由于鍵的熱斷裂。對(duì)分子鍵合強(qiáng)度的量度是形成鍵時(shí)每摩爾放出的能量。這是激活能Q。通常弛豫頻率對(duì)激活能和溫度的依賴(lài)關(guān)系是f∝exp(-αQ/t)，其中T為Kelvin度而α為比例常數(shù)。隨著T增大，弛豫頻率跟隨。
因?yàn)闉r青為異質(zhì)材料，可以是潮濕的，因此存在可形成在特定混凝料上的自由離子和電荷。這導(dǎo)致Maxwell-Wagner效應(yīng)，在更低的頻率處，存在極大的電容率。由于這也是一種極性機(jī)制，這一大的“人造”電容率也極端依賴(lài)于頻率和溫度。然而，由于與這一現(xiàn)象相關(guān)的減小的遷移率或大弛豫時(shí)間τ，這些效應(yīng)中的大多數(shù)都不存在于VHF頻帶和更高的頻帶中。對(duì)于潮濕土壤來(lái)說(shuō)，色散可以有極值。在微波頻率和更低頻率處對(duì)復(fù)電容率的改變的測(cè)量可導(dǎo)致土壤孔隙度的測(cè)量。
微條表面測(cè)定儀 一種微波密度設(shè)備為微條諧振器，它在瀝青的非破壞性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中更為有用。在此情形中，微條為來(lái)自圖1和2的DUT的實(shí)施方案。圖16(a)中使出了一個(gè)這樣的微條60。微條線60用作波導(dǎo)設(shè)備，由于它為開(kāi)路結(jié)構(gòu)，場(chǎng)延伸到線上方的空間中。這對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)是合乎需要的特性。通過(guò)增大襯底62的厚度h，并降低襯底62的電容率，更多的場(chǎng)將傳播到條上方的空間中，如圖16(a)所示。通過(guò)耦合到具有阻抗不連續(xù)性的條中，傳輸線將發(fā)生諧振。例如，將更高介電常數(shù)的材料64(圖16(b))置于靠近線的空間中，那么甚至更多的能量將存在于材料64中。這稱(chēng)作倒轉(zhuǎn)微條，并且隨著材料64的介電常數(shù)增大，相速度將減小，并且諧振器的諧振頻率也將降低。
與上面的同腔諧振器一道使用的方法非常相似，Q和諧振頻率可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量，并可以找到有效電容率ε’-jε”。注意在圖16(b)中，瀝青也可用作上介電層。在一個(gè)有用的實(shí)施方案中，微條為曲折線微條66，如圖16所示。環(huán)形諧振器也是非常方便的幾何形狀。在這些實(shí)施例中，傳輸線作為兩端口結(jié)構(gòu)工作。然而也可使用一端口設(shè)備，例如諧振“背腔偶極子”。諧振可以專(zhuān)門(mén)是偶極子，或者由微條激發(fā)的開(kāi)槽天線。也可以是背腔開(kāi)槽天線或調(diào)諧短路偶極子/傳輸線回路的結(jié)果。
微條諧振器的工作原理與波導(dǎo)諧振器相同，但是有一些顯著的差別。與腔類(lèi)似，也可以測(cè)量頻率偏移，QL值為 其中Δf通常由S21最大值往下-3dB的頻率值來(lái)確定。對(duì)諧振器(一部分場(chǎng)填充到諧振器中)的測(cè)量體積使用有效實(shí)電容率，電容率的虛部為 諧振大致發(fā)生在滿足如下條件時(shí) 和 然后在第二諧波處，n＝2， 下面的假設(shè)也是可行的 然后瀝青的虛電容率近似為 通過(guò)耦合結(jié)構(gòu)干擾了諧振條件，使其偏離(22)式。例如，當(dāng)負(fù)載的阻抗在輸入?yún)⒖计矫嫣庌D(zhuǎn)換成復(fù)共軛時(shí)，耦合傳輸線將具有最小反射系數(shù)和/或最大傳輸系數(shù)。再次，這是輸入和輸出發(fā)射結(jié)構(gòu)之間的距離以及行波傳播常數(shù)的函數(shù)。發(fā)射結(jié)構(gòu)可以是用SMA連接器和耦合的環(huán)路或間隙饋送的微條線的短路部分，或者是能夠發(fā)射具有特定場(chǎng)取向(例如平行于波導(dǎo)/瀝青界面的表面)的微波場(chǎng)的天線。與垂直電場(chǎng)相比，平行場(chǎng)對(duì)表面粗糙度(傳感器和材料之間的空氣隙)更不敏感。
下面的樣本測(cè)量包括了收集第二諧波的諧振頻率，以及與圖17類(lèi)似的微條諧振結(jié)構(gòu)的Q值。這些測(cè)量在680Mhz范圍內(nèi)。第二諧波在諧振器兩端和中心處都將具有最大電場(chǎng)。將這些結(jié)果與用核子密度測(cè)定儀解得的已知密度進(jìn)行比較。
圖18示出諧振頻率對(duì)密度變化的響應(yīng)。這里，不需要反向計(jì)算介電常數(shù)，因此很明顯頻率和密度就足以用來(lái)校正測(cè)量。在圖19(a)-(b)中，實(shí)和虛頻率在分析中都采用了，得到密度改變的負(fù)載Q因子，兩參數(shù)曲線擬合。圖19(a)-(b)的曲線給出更一致的結(jié)果。這兩幅圖還示出了，對(duì)于微條設(shè)備來(lái)說(shuō)，Q值和諧振頻率都隨著密度的增大而線性降低。
表面粗糙度校正 雖然瀝青樣本的表面最好是光滑的或者具有已知的粗糙度，但是在現(xiàn)場(chǎng)中或在實(shí)驗(yàn)室中這樣的樣本都是不實(shí)際的。因此，希望在上面所描述的密度測(cè)定儀的任一個(gè)或兩個(gè)實(shí)施方案中引入粗糙度校正。粗糙度測(cè)定儀的一個(gè)實(shí)施方案是具有兩個(gè)電容率傳感器的電磁系統(tǒng)。一個(gè)傳感器讀取表面下的淺(～0.25”)深度，第二傳感器讀取更深(＞2”)的地方，但是其測(cè)量體積中也包括淺層。傳感器為電磁的，使用材料的電容率來(lái)計(jì)算粗糙度。在一個(gè)實(shí)施方案中，淺傳感器運(yùn)行在50Mhz處，為邊緣場(chǎng)電容傳感器，例如U.S.專(zhuān)利6,803,771中所公開(kāi)的那種，在此引入作為參考，而深傳感器為微波行波型諧振器，例如圖17中所示出的那種。如果在超過(guò)兩英寸的深度上混合都是均勻的，那么有理由預(yù)期表面紋理對(duì)淺傳感器的影響比對(duì)深傳感器的影響更大。
由于非常難以獲得完美的瀝青芯或板，有限元仿真模型確證了測(cè)量差別。圖20中示出一個(gè)實(shí)施方案，其中微波設(shè)備為厚度h的襯底72上的被覆蓋的微條線70，置于具有粗糙度74的瀝青76上。通過(guò)求解條的傳播常數(shù)，確定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的有效電容率。然后可以使用實(shí)際的設(shè)備尺度來(lái)得到諧振頻率。
這一微條傳感器70為0.304m長(zhǎng)、9.92mm寬，具有間隙耦合。1/32”厚的環(huán)氧FR-4直接粘在條上，如圖20所示。用HP介電探頭確定了這一覆蓋具有ε＝4.0。襯底72厚0.125”，為Polyflon Norclad，ε＝2.55。在仿真中，粗糙層74置于0.25英寸深處，但是這一層的介電常數(shù)從等于其下的瀝青76調(diào)整到比瀝青的值小50％。注意粗糙層具有等于或小于瀝青的電容率，這是因?yàn)楸砻婵障?，在圖19中的瀝青界面處用鋸齒線表示。
在600Mhz處用不同的瀝青電容率進(jìn)行了五組仿真。它們是ε＝3.0、4.4、6.17和7.11。這些都是在實(shí)驗(yàn)室中能得到的材料的值。對(duì)于每組仿真，瀝青介電常數(shù)保持不變，而改變粗糙層的電容率。對(duì)于每個(gè)仿真，調(diào)整粗糙層以使其相應(yīng)于瀝青ε的一個(gè)百分?jǐn)?shù)，主要是100％、90％、80％、60％和50％，除了瀝青ε＝6.17的情形之外，其中使用了68％。選擇68％從而粗糙層仿真將具有相應(yīng)于FR-4的電容率，以便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。
確定了(合成)襯底、覆蓋、粗糙層和瀝青的有效介電常數(shù)εre。通過(guò)模擬已知材料上的諧振器并獲得諧振頻率和Q值而對(duì)仿真進(jìn)行了校正以除去襯底的影響?？梢源_定諧振頻率相對(duì)于外部材料特性的校正曲線和方程。從而，現(xiàn)在可以獲得任何平坦樣本的絕對(duì)電容率。由該模型，獲得了下述結(jié)果。
表5 瀝青ε＝7.11粗糙層1/4in.厚 粗糙層＝7.725*εrc-19.46 瀝青ε＝6.17 粗糙層＝7.875*εre-19.57 瀝青ε＝4.4 粗糙層＝7.50*εre-17.76 瀝青ε＝3.0 粗糙層＝7.22*εre-16.49 注意賦給粗糙層的第一個(gè)值為瀝青的值(每個(gè)表的第二行)。由于兩層都被賦給相同的電容率，通過(guò)繪出εre相對(duì)于所賦的外部材料特性完成了同質(zhì)光滑樣本的仿真校正。與表1的數(shù)據(jù)結(jié)合，我們得到合成電容率， εexternal＝5.642*εre-12.24.(27) 其中“外部”代表不包括微條襯底和覆蓋在內(nèi)的材料的電容率。這一方程示于圖21中，表示表中每個(gè)εr＝7.11、6.17、4.4、3.0的行2的數(shù)據(jù)。注意圖21僅涉及極端光滑和同質(zhì)的表面。換句話說(shuō)，瀝青層和粗糙層被賦予相同的值。隨著表面變得有紋理，粗糙層的電容率將降低。這將會(huì)降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的有效電容率，即使瀝青層沒(méi)有改變。(27)式仍用于計(jì)算這一合成εr。對(duì)于二傳感器系統(tǒng)，淺傳感器將比深傳感器具有更大的電容率下降。校正就基于這一原理。表面粗糙度校正應(yīng)當(dāng)使得淺層電容率降低，同時(shí)仍得到深層電容率的好的估計(jì)。
值得注意的是瀝青和粗糙度的不同電容率組合可以導(dǎo)致相同的有效或合成介電常數(shù)。如果瀝青εr＝7.11而表面為εr＝4.27，那么表1示出εexternal＝5.137，如深傳感器所測(cè)。然而，如果瀝青εr＝6.14，并且它相對(duì)較光滑，道路具有εr＝4.68的表面值，那么根據(jù)表1，εexternal也是5.137。更小值的瀝青與更光滑的表面將比更大值的瀝青與更粗糙的表面得到更大的有效電容率。因此，在一種方法中，可將淺傳感器/深傳感器結(jié)果之比用于校正。這樣，對(duì)于光滑表面，比值為1，得不到校正。然而，對(duì)于更粗糙的表面，比值將小于1但大于零，得到更大的校正。例如，在上面的例子中，比值為4.27/5.137＝.83以及4.68/5.137＝.91。具有.91因子的第二例子比.83情形更光滑，校正將更小。
在有限元仿真中，用圖21的(27)式將所得的εre轉(zhuǎn)化為外部或“頂部”值。以得到深層介電常數(shù)的“第一猜測(cè)”。真實(shí)電容率的一個(gè)可能校正可以是 ε2＝(εx-ε1)*e(k*h1/w)+ε1 (28) 其中 K＝(w/h1)*In(2/(1+1/x)) x＝√(1+12h/w)，(29) w為條寬3/8”，h1＝1/4”為粗糙層厚度，εx、ε1和ε2分別為外部層、粗糙層和深層的獨(dú)立電容率。注意外部層εx為粗糙和深傳感器“測(cè)得”的深層的合成響應(yīng)。在(28)式中，隨著h1變小，ε2＝εx。
還考慮了外部介電常數(shù)εx和深層電容率之間的關(guān)系。利用(28)式得到了ε2的一個(gè)猜測(cè)?？紤]瀝青深層的已知電容率值和深層“第一猜測(cè)”(28)式，可以將深(D)和淺(S)傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第一猜測(cè)(ε2)和已知瀝青值(εknown)的比值相比較。用有限元分析計(jì)算的合成電容率被用于得到深和淺傳感器的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)得的淺和深傳感器之比與深層和合成層之比有關(guān)。實(shí)驗(yàn)關(guān)系是線性的，如圖22所示，其中在這一實(shí)施例中斜率為1.5187，截距為0.5184。
例如，假設(shè)淺傳感器測(cè)得5.55而深傳感器得到合成外部介電常數(shù)5.75。使用得自(28)式的“第一猜測(cè)”的斜率和截距，瀝青層的值為(見(jiàn)表1的6.17瀝青層) (5.55/5.75)*1.5187-0.5184＝0.9454 瀝青＝5.86/.9454＝6.20. 可選地，并不一定要使用“第一猜測(cè)”且僅考慮深和淺傳感器的測(cè)得值與已知值比較。因此，可以繪出深傳感器εx與已知深電容率之比之間的線性關(guān)系，與淺傳感器與深傳感器比值相對(duì)比，得到1.828的斜率和0.8316的截距。
另一粗糙度校正方法是使用真實(shí)的芯測(cè)量來(lái)計(jì)算已知體電容率(εknown)之比相對(duì)于深和淺傳感器之比。例如，由于在圖22的線性方程中有兩個(gè)未知量，同一芯的光滑側(cè)和粗糙側(cè)的測(cè)量可用于粗糙度解。一個(gè)實(shí)驗(yàn)芯非常光滑的解理側(cè)，“X”側(cè)，和普通粗糙側(cè)，“O”側(cè)。在這一實(shí)施例中，體電容率(εknown)在微波腔中測(cè)量，得到5.75。這一體數(shù)值假設(shè)為表面下緊靠表面處的電容率。利用(D)深微波傳感器和(S)淺UHF傳感器，得到了表5中的如下介電常數(shù)。
表5 由這一樣本可以確定兩個(gè)方程，從而這一樣本得到 “X”.9913＝.9820*m+b “O”.8956＝.8233*m+b. 同時(shí)求解這兩式得到 D/Z＝S/D*.6027+0.4(30) 因此，通過(guò)用深和淺傳感器測(cè)量材料，用深傳感器D得到的合成電容率可分離成兩層，S和未知Z，如(30)式所示。
另一方法是測(cè)量非解理芯的兩端(它們通常具有不同紋理)并利用最小二乘法來(lái)計(jì)算(30)式的平均斜率和截距。更實(shí)際的方法可以是測(cè)量許多進(jìn)入芯中的場(chǎng)混合，而不使用具有一個(gè)人工光滑表面和普通表面的芯。在這一方法中，假設(shè)芯是同質(zhì)的，在樣本的每個(gè)表面上應(yīng)當(dāng)?shù)玫较嗤碾娙萋省Ｊ紫葍蓚?cè)被標(biāo)為“X”和“O”側(cè)。然后將每個(gè)樣本置于諧振封閉腔中，并記錄頻率和帶寬偏移。對(duì)腔和芯的尺度進(jìn)行有限元分析，得到電容率的實(shí)部。利用這一方法，體電容率(εknown)為最終結(jié)果。接下來(lái)，使用深傳感器(D)和淺傳感器(S)測(cè)量圓盤(pán)“X”側(cè)和“O”側(cè)的電容率。假設(shè)這兩側(cè)的任何差別都來(lái)自于圓盤(pán)在每個(gè)表面上的紋理或表面特性。一旦測(cè)得芯的好的統(tǒng)計(jì)群體，則對(duì)于每個(gè)樣本在每一側(cè)“X”和“O”上形成了S/D、D/(εknown)表格。
例如用淺傳感器(S-200@50MHz)和深傳感器(BS@600MHz)測(cè)量了每個(gè)表面。然后對(duì)每個(gè)芯繪出每個(gè)表面(X、O)的比值S/D作為比值D/C的函數(shù)，希望在這些結(jié)果之間存在相互關(guān)系，如圖23所示。
回歸分析顯示 D/(εknown)＝.405*S/D+.566(31) 其r2為.482。如果使用具有更小的取向特性和確定得更好的深度依賴(lài)關(guān)系的傳感器，就可以改善關(guān)聯(lián)系數(shù)，因?yàn)榛貧w將顯示淺傳感器比預(yù)期的讀數(shù)更深。
因此，可以用有限元來(lái)仿真這兩層，以得到描述用淺和深測(cè)量來(lái)計(jì)算深層電介質(zhì)的方程。然后執(zhí)行這些方程并調(diào)整系數(shù)來(lái)進(jìn)行校正。類(lèi)似地，通過(guò)在已知介電材料上放置平板而進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性校正。
在表面粗糙度校正計(jì)的另一調(diào)整中，可使用腔測(cè)量來(lái)得到瀝青現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室樣本的損耗特性。損耗可轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率，并可計(jì)算膚深度或穿透深度。眾所周知這一深度是頻率的函數(shù)。從而，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，可以得到自動(dòng)依賴(lài)于深度的測(cè)量。在稍微不同的實(shí)施方案中，對(duì)于表面波，隨著頻率增大，由傳感器激發(fā)的表面波將穿透得更淺。這是由于電導(dǎo)以及TE或TM型表面波的Maxwell方程的邊界解引起的損耗，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將能想到此處提出的發(fā)明的許多調(diào)整和其它實(shí)施方案，都屬于本發(fā)明，它們具有前面的描述和附圖中的講解的優(yōu)點(diǎn)。
因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的特定實(shí)施方案，調(diào)整和其它實(shí)施方案都應(yīng)被包括在所附權(quán)利要求的范圍中。盡管此處采用了特定術(shù)語(yǔ)，但是它們僅僅以一般的和描述性意義來(lái)使用，而不是為了限制的目的。
權(quán)利要求
1.由微波場(chǎng)獲得道路材料的材料特性的方法，該方法包含
產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉l率電磁場(chǎng)；
確定道路材料在電磁場(chǎng)中的頻率響應(yīng)；以及
將頻率響應(yīng)與道路材料樣本的材料特性相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包含
產(chǎn)生校正材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉l率電磁場(chǎng)，該校正材料具有已知的物理特性，選自密度、體積、比重和孔隙度；
確定樣本從所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)；以及
將樣本的頻率響應(yīng)與該已知的物理特性相關(guān)聯(lián)以給出道路材料的頻率響應(yīng)的校正曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將頻率與物理特性相關(guān)聯(lián)的步驟包含與選自空隙比、密度和孔隙度的材料特性相關(guān)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含在諧振微波腔內(nèi)產(chǎn)生微波場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含用平面微波回路產(chǎn)生微波場(chǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，確定頻率響應(yīng)的步驟進(jìn)一步包含確定選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)和電壓駐波比的頻率響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包含由頻率響應(yīng)計(jì)算電容率以將頻率響應(yīng)與材料特性相關(guān)聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生的步驟包括產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉姶艌?chǎng)，該道路材料選自土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生微波頻率電磁場(chǎng)的步驟進(jìn)一步包含讓電磁場(chǎng)掃描整個(gè)微波帶寬。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將頻率與材料特性相關(guān)聯(lián)的步驟包含與含濕量相關(guān)聯(lián)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包含選擇第一模式從而電磁場(chǎng)的電場(chǎng)基本平行于粗糙表面以使表面粗糙度影響最小化。
12.獲得微波波導(dǎo)中的道路材料樣本的密度的方法，該方法包含
在微波波導(dǎo)中產(chǎn)生第一模式的第一電磁場(chǎng)；
將道路材料樣本置于微波波導(dǎo)中；
產(chǎn)生道路材料樣本周?chē)牡谝荒Ｊ降牡诙姶艌?chǎng)；
確定第一和第二電磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)之間的變化；以及
將頻率響應(yīng)的變化與道路材料樣本的密度相關(guān)聯(lián)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含在諧振微波腔內(nèi)產(chǎn)生微波場(chǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，確定頻率響應(yīng)的步驟進(jìn)一步包含確定選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)和電壓駐波比的頻率響應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包含由頻率響應(yīng)計(jì)算電容率以將頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中產(chǎn)生第一和第二電磁場(chǎng)的步驟都包括產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉姶艌?chǎng)，該道路材料選自土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥。
17.獲得諧振微波腔中的道路材料樣本的密度的方法，該方法包含
在空微波腔中產(chǎn)生第一諧振電磁場(chǎng)；
將道路材料樣本置于該微波腔中；
產(chǎn)生道路材料樣本周?chē)牡诙C振電磁場(chǎng)；
確定第一和第二諧振電磁場(chǎng)之間的頻率響應(yīng)；以及
將頻率響應(yīng)與道路材料樣本的密度相關(guān)聯(lián)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含在諧振微波腔內(nèi)產(chǎn)生微波場(chǎng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含由平面微波回路產(chǎn)生微波場(chǎng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，確定頻率響應(yīng)的步驟進(jìn)一步包含確定選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)和電壓駐波比的頻率響應(yīng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包含由頻率響應(yīng)計(jì)算電容率以將頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中產(chǎn)生的步驟包括產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉姶艌?chǎng)，該道路材料選自土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥。
23.獲得諧振微波腔中的道路材料樣本的密度的方法，該方法包含
獲得校正數(shù)據(jù)組，它包含多個(gè)來(lái)自微波腔的諧振頻率響應(yīng)作為校正材料的密度的函數(shù)，該校正材料具有已知的物理特性，選自密度、體積、比重和孔隙度；
將道路材料樣本置于微波腔中；
產(chǎn)生腔中的道路材料樣本周?chē)闹C振電磁場(chǎng)；
測(cè)量腔中的道路材料樣本的樣本頻率響應(yīng)；以及
根據(jù)校正數(shù)據(jù)組將樣本頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包含
獲得第二校正數(shù)據(jù)組，它包含多個(gè)來(lái)自諧振微波腔的校正樣本參數(shù)作為校正材料的密度的函數(shù)，該校正材料具有已知的物理特性，選自密度、體積、比重和孔隙度，其中校正樣本參數(shù)選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)和電壓駐波比；
以樣本頻率測(cè)量腔中的道路材料樣本的樣本參數(shù)；以及
根據(jù)第二校正數(shù)據(jù)組將道路材料的樣本參數(shù)與道路材料樣本的密度相關(guān)聯(lián)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，測(cè)量樣本頻率響應(yīng)的步驟進(jìn)一步包含確定選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)和電壓駐波比的樣本頻率響應(yīng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包含由頻率響應(yīng)計(jì)算電容率以將頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中產(chǎn)生的步驟包含產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉姶艌?chǎng)，該道路材料選自土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含產(chǎn)生第一模式的電磁場(chǎng)并選擇第一模式從而電磁場(chǎng)的電場(chǎng)基本平行于粗糙表面以使表面粗糙度影響最小化。
29.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包含根據(jù)溫度的影響校正密度。
30.用平面微波回路獲得道路材料密度的方法，該方法包含
獲得校正數(shù)據(jù)組，它包含多個(gè)平面微波回路的校正頻率響應(yīng)作為校正材料的密度的函數(shù)；
將平面微波回路置于道路材料層之上；
用平面微波回路產(chǎn)生道路材料周?chē)碾姶艌?chǎng)；
測(cè)量道路材料的樣本頻率響應(yīng)；以及
根據(jù)校正數(shù)據(jù)組將樣本頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，確定頻率響應(yīng)的步驟進(jìn)一步包含確定選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)和電壓駐波比的響應(yīng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包含由樣本頻率響應(yīng)計(jì)算電容率以將樣本頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中產(chǎn)生的步驟包含產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降奈⒉姶艌?chǎng)，該道路材料選自土壤、砂石、混凝料、瀝青和水泥。
34.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包含
獲得第二校正數(shù)據(jù)組，它包含多個(gè)來(lái)自平面回路的校正樣本參數(shù)作為道路材料的密度的函數(shù)，其中校正樣本參數(shù)選自散射參數(shù)、導(dǎo)納矩陣參數(shù)、電壓駐波比、品質(zhì)因子、復(fù)電容率、復(fù)傳播常數(shù)；
測(cè)量道路材料的樣本參數(shù)；以及
根據(jù)第二校正數(shù)據(jù)組將樣本參數(shù)與道路材料樣本的密度相關(guān)聯(lián)。
35.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包含給出所需的道路材料測(cè)量深度，并根據(jù)道路材料的膚深度特性依比例決定頻率。
36.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，產(chǎn)生的步驟進(jìn)一步包含產(chǎn)生第一模式的電磁場(chǎng)，并選擇第一模式從而電磁場(chǎng)的電場(chǎng)基本平行于粗糙表面以使表面粗糙度影響最小化。
37.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包含根據(jù)溫度影響校正密度。
38.確定具有淺層和深層的道路材料的粗糙度校正的方法，該方法包含
測(cè)量淺層電容率；
測(cè)量深層電容率；以及
將深層電容率與淺層電容率相關(guān)聯(lián)以為道路材料確定粗糙度校正。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，測(cè)量淺層的步驟和測(cè)量深層的步驟都進(jìn)一步包含通過(guò)確定道路材料的頻率響應(yīng)來(lái)測(cè)量電容率。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，確定頻率響應(yīng)的步驟包含
獲取包含微波腔的多個(gè)頻率響應(yīng)作為道路材料的密度的函數(shù)的校正數(shù)據(jù)組；
將道路材料樣本置于微波腔內(nèi)；
產(chǎn)生腔內(nèi)道路材料樣本周?chē)闹C振電磁場(chǎng)并測(cè)量腔內(nèi)道路樣本的樣本頻率響應(yīng)；以及
根據(jù)校正數(shù)據(jù)將樣本頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，確定頻率響應(yīng)的步驟包含
獲取包含平面微波回路的多個(gè)頻率響應(yīng)作為道路材料的密度的函數(shù)的校正數(shù)據(jù)組；
將平面微波回路置于一層道路材料之上；
用平面微波回路產(chǎn)生道路材料周?chē)碾姶艌?chǎng)并測(cè)量道路材料的頻率響應(yīng)；以及
根據(jù)校正數(shù)據(jù)組將頻率響應(yīng)與密度相關(guān)聯(lián)。
42.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，校正的步驟進(jìn)一步包含估計(jì)道路材料的電容率并將深層和淺層測(cè)定電容率與電容率的估計(jì)值相關(guān)聯(lián)以確定道路材料的電容率。
43.用第一和第二平面回路電容率傳感器確定具有淺層和深層的道路材料的電容率的方法，第一平面回路傳感器測(cè)量相應(yīng)于淺層和深層的至少一部分的樣本體積中的電容率，第二平面回路傳感器測(cè)量相應(yīng)于淺層的至少一部分的樣本體積中的電容率，該方法包含
為第一和第二平面回路傳感器獲得校正數(shù)據(jù)組，校正數(shù)據(jù)組包含多個(gè)已知的與第一平面回路傳感器測(cè)得的電容率與第二平面回路傳感器測(cè)得的電容率之比相關(guān)聯(lián)的道路材料電容率；
將第一平面回路傳感器置于道路材料之上，并確定來(lái)自第一諧振平面回路的第一測(cè)定電容率值；
將第二平面回路傳感器置于道路材料之上，并確定來(lái)自第二諧振平面回路的第二測(cè)得電容率值；以及
將第一電容率和第二電容率之比與校正數(shù)據(jù)組相關(guān)聯(lián)以確定道路材料的電容率。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，關(guān)聯(lián)的步驟進(jìn)一步包含估計(jì)道路材料的電容率并將第一和第二測(cè)定電容率與電容率的估計(jì)值相關(guān)聯(lián)以確定道路材料的電容率。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，確定第一和第二電容率的步驟包含通過(guò)確定道路材料的頻率響應(yīng)測(cè)量第一和第二電容率。
46.由微波場(chǎng)獲得道路材料的密度的方法，該方法包含
產(chǎn)生道路材料周?chē)牡谝荒Ｊ降碾姶艌?chǎng)；
根據(jù)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)確定復(fù)傳播常數(shù)；以及
將復(fù)傳播常數(shù)與道路材料的密度相關(guān)聯(lián)。
47.由微波場(chǎng)獲得道路材料的濕度的方法，該方法包含
產(chǎn)生一系列道路材料周?chē)闹辽俑采w微波帶寬的第一模式的電磁場(chǎng)；
根據(jù)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)確定一系列復(fù)傳播常數(shù)；以及
將復(fù)傳播常數(shù)與道路材料的濕度相關(guān)聯(lián)。
48.道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，包含
具有尺寸和形狀的微波回路，用以產(chǎn)生道路材料周?chē)碾姶艌?chǎng)；以及
網(wǎng)絡(luò)分析儀，與微波回路相連，該網(wǎng)絡(luò)分析儀包含微波頻率發(fā)生器，用于為回路提供微波輸入以產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠測(cè)量至少一個(gè)散射參數(shù)并將散射參數(shù)與道路材料的密度相關(guān)聯(lián)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，其中微波回路包含波導(dǎo)。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，其中微波回路包含諧振腔。
51.根據(jù)權(quán)利要求48的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，其中微波回路選自下列微條、開(kāi)槽線、偶極子、單極子和倒轉(zhuǎn)微條。
52.根據(jù)權(quán)利要求48的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)一步能夠測(cè)量下列參數(shù)導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、電壓駐波比、品質(zhì)因子、復(fù)電容率和復(fù)傳播常數(shù)，并將該參數(shù)與道路材料的密度相關(guān)聯(lián)。
53.道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，包含
具有尺寸和形狀的微波回路，用以產(chǎn)生道路材料周?chē)碾姶艌?chǎng)；以及
網(wǎng)絡(luò)分析儀，與微波諧振平面回路相連，該網(wǎng)絡(luò)分析儀包含微波頻率發(fā)生器，用于為平面回路提供微波輸入以產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠測(cè)量至少一個(gè)散射參數(shù)并將散射參數(shù)與道路材料的密度相關(guān)聯(lián)。
54.根據(jù)權(quán)利要求53的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)一步能夠測(cè)量下列參數(shù)導(dǎo)納矩陣參數(shù)、阻抗矩陣參數(shù)、電壓駐波比、品質(zhì)因子、復(fù)電容率和復(fù)傳播常數(shù)，并將該參數(shù)與道路材料的密度相關(guān)聯(lián)。
55.根據(jù)權(quán)利要求53的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，其中平面回路包含倒轉(zhuǎn)微條。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的道路材料密度測(cè)量測(cè)定儀，倒轉(zhuǎn)微條包含曲折線。
57.道路材料粗糙度校正測(cè)定儀，用于校正具有淺層和深層的瀝青的粗糙度的測(cè)量，該粗糙度校正測(cè)定儀包含
第一平面回路電容率測(cè)量傳感器，以在道路材料的淺層和深層的至少一部分上測(cè)量第一電容率，
第二電容率測(cè)量平面回路傳感器，從淺層的至少一部分測(cè)量第二電容率；以及
分析儀，校正到一組深層電容率和淺層電容率上，該分析儀能夠用已校正的深層電容率和淺層電容率組將第一電容率與第二電容率相關(guān)聯(lián)以確定相應(yīng)于道路材料電容率的輸出。
全文摘要
從微波場(chǎng)獲得道路材料的材料特性的方法，包括產(chǎn)生包圍道路材料的第一模式的微波頻率電磁場(chǎng)?？梢杂美缇W(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量電磁場(chǎng)中的道路材料的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)的測(cè)量使得可以將頻率響應(yīng)與道路材料樣本的材料特性(例如密度)相關(guān)聯(lián)。校正道路材料的粗糙度的方法將道路分成淺層和深層。兩個(gè)平面微波回路測(cè)量淺和深層的電容率。將電容率相關(guān)聯(lián)以校正粗糙度。用于獲得道路樣本的密度的設(shè)備包括微波回路和網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量頻率響應(yīng)以確定道路材料的密度。
文檔編號(hào)E01C5/16GK1981190SQ200480034778
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者羅伯特·E·特羅克斯勒, 威廉姆·T·瓊納斯 申請(qǐng)人:特羅克斯勒電子實(shí)驗(yàn)有限公司