本发明涉及一种测量材料物理特性的装置和方法。 在建筑工业，经常面临的一个任务是对建筑物（诸如房屋和公路）中混凝土质量或强度的控制。新浇注的混凝土需经二十八天左右才能凝固而达到最高强度，因此只有在混凝土完全固结后才能进行压力强度试验，而混凝土从浇注到固化又需要足够的时间，虽然人们已经采用加速固化技术来缩短固化时间，但是一般认为在混凝土已被在建筑工地浇注在建筑物中之后才来测定其强度的任何方法都是为时已晚的。
新浇注的未变硬混凝土的水与水泥的比率和完全固化的混凝土的最终强度之间的相互关系被用来予测新浇注混凝土最终可能达到的强度。与此有关，已经提出了各种方法并制定了某些用于分别测量新浇注混凝土混合物的水和水泥含量的ASTM标准。大多数这样的方法通常依靠实验地操作，诸如混凝土成份的机械分离和称量，这种方法费时而复杂，并且不适于混凝土质量的快速，现场测量。这些方法的实例包括在美国专利U.S 4，196，614和U.S 4，615，215中。
用于通过分离的方法检测新浇注混凝土混合物的水含量或水泥含量的各种核仪器业已研制出，但存在一些问题。Mitchell的美国专利U.S 3，911，271涉及了这样一种用于检验新浇注的混凝土中水泥含量的手提式核仪器，显然这种仪器绝不可能商品化。Mitchell的核水泥含量计采用碘化钠闪烁晶体并浸到电子线路随时间和温度变化而引起的漂移的影响。Mitchell的核水泥含量计已经详细地发表在联邦公路局的FHWA-RD-73-48，FHWA-RD-75-63，FHWA-RD-75-525和F HWA-TS-78-201等报告中。也可见于1986年6月发表的国家合作公路研究大纲的284号报告。
考虑到上述问题，本发明的目的是在于克服上述已有装置和方法的限制，并提供一种用于快速而方便地检测材料物理性能的装置和方法。本发明更具体的目的是提供一种适用于现场采用的用于检测新的未硬化的混凝土的水份和水泥含量的装置和方法。本发明还有另一个更具体的目的是提供一种适用于现场采用的，用来检测新浇注的混凝土混合物最终可能达到的强度的装置和方法。
按照本发明提出的一种装备齐全手提式的仪器，可用来测量试验材料物理特性并用来向仪器使用者显示出该试验材料的至少一种物理特性的数值。该仪器包括一个仪器罩，它与一对可移动的探头相连接，这两个探头适于在测量中与试验材料的样品相接触而分别定位。其中第一个可移动的探头包括一个用来获得该试验材料的第一物理性能测量值的装置。而第二移动的探头包括一个用来获得该试验材料的另一不同物理性能测量值的装置。一个电子电路有效地与每个探头相连接，并包括一个用来接收来自每个探头的指示探头正在测量的性能信号的装置。电子电路还包括一个用来从这些信号中检测试验材料至少一个物理特性的数值的装置。显示装置有效地与电子电路相连接以便把试验材料物理特性的数值显示给该仪器的使用者。
更具体地说，第一和第二探头包括有低放射性的辐射源和辐射探测器。仪器罩包括有当探头不被使用时间来收藏探头的几个有屏蔽的贮藏容器。一个标准样品与每个贮藏容器相连系，以便当探头置于贮藏容器中时可对辐射探测器的稳定性进行校验。
具体地说，第一个探头产生表明试验材料水份含量的信号。第一个探头有一个中子辐射源，它发射快中子进入试验材料。装在第一探头中的热中子探测器探测被在试验材料中的中子减速元素所减速的热中子，并产生与热中子计数有关的信号。该热中子探测器可以是诸如3He计数管。
第二探头产生表示试验材料成份的信号。第二探头包括一个低能γ辐射源，它发射γ射线进入试验材料。一个与γ辐射屏敝的γ辐射探测器用来探测由试验材料背散射的γ辐射并产生与计数有关的信号。γ射线探测器可以是诸如一个X射线正比计数器。
本发明特别适合于新浇注的未硬化的混凝土混合物物理性能的测量。将样品容器充填新的混凝土，将装在仪器盒中的探头从贮藏容器中移开并立即将之插进位于样品容器中心并被混凝土包围的长形通道管中以使探头定位与混凝土成测量接触。水份探头插入样品容器的通道管中而中子从探头中快中子源直接进入测量材料中，被材料背散射的热中子受到探测和计数并产生一个与计数相应的信号。从这个计数就可能将该水泥混合物的水份含量检测出来。
然后，将水泥成分探头插入通道管中，则从装在探头中的γ辐射源发出的γ射线就直接进入试验材料中。由试验样品背散射的γ辐射就受到检测并计数，并产生了与样品的水泥含量相应的信号，计算并显示出的水与水泥的比率，并根据该比率确定并显示出该混凝土的最终强度。
上面已经指出本发明的一些特征和优点，通过结合附图对本发明做进一步的描述，可使它的优点更清楚，其中：
图1为本发明装置优选实施例的透视图。
图2为沿图1的线2-2剖开的本发明装置的部分纵断面图。
图3为沿图1的线3-3剖开的本发明装置的部分纵断面图。
图4为本发明装置的电子线路的方块图。
图5A和5B示出了本发明实践中所执行步骤的流程图。
以下，参照用来说明装置的具体实施例的附图，对本发明作更充分的描述。在最佳实施例中，本发明是一种用来检测新的刚浇注的未硬化的混凝土混合物样品的水和水泥含量，并用来检测和对仪器使用者显示混凝土混合物强度的手提式仪器。
图1中的整个装置用数字10标示。仪器罩用12标示，它包括有分别用于容纳水泥探头18和水份探头20的14和16。图中示出了这两个探头位于各自容器中的储存位置，探头18和20分别通过电缆24和26连接于电子电路22。可以根据若干个具体的混凝土混合物建立一个水同水泥比率的经验关系式，而探头18和20用来获得水分和水泥含量的测量值，如下面所述的那样，这两个测量值由电子电路22转换成强度值。
图1中也用被点划线表示出探头20从容器16中移出并插入到样品容器28的情况。样品容器28由圆筒形外壁31和底板32组成。通道管30装在底板32上并定位在样品容器28中心处。如图1所说明的，样品容器28充填新的未硬化的混凝土C。
样品容器28具有一个便于手持的把手29。样品容器应是一种有紧固结构的容器，以便能够承受反复的捣实。在捣实时，操作者使一垂直朝下运动的钢棒有力地通过样品容器中的混凝土并用一生牛皮或橡胶制的槌撞击容器的侧边。捣实，以便确保混凝土样品完全充填容器从而提供了没有空气穴的有均匀密度的混凝土试样。样品容器28最好用不锈钢或铝制成，直径应约为12至14英吋并约11-13英吋高。对于将要填满这个容器的混凝土的数量来说，样品容器28和把手29应至少能承受150磅的重量。
样品容器28中的通道管30对辐射基本上是透明的。可以由传统的材料诸如Schedule 40的聚氯乙烯管连接到底板32上。通道管的长度应能伸到样品容器的顶部之外，并最好装有分度尺33以便使水泥探头18以可重复方式固定于数个（例如4个）高度上。通道管30和底板32应能够从样品容器28上卸开，并在每次使用之后清洗干净。
仪器罩12的尺寸应适合于由一个人携带，并应包括有提手36，以及可收缩的腿38使罩子和放置探头的上表面至少能升高6英寸，以便架设在移动车的尾座上或建筑工地的其它位置。将仪器架高可以减少由地面对测量潜在的干扰。仪器罩12还包括侧壁40，底41和顶42以封住内部部件，这将在下面说明。
电子装置22安装在仪器罩12的顶部42上，并示出具有用来控制电子装置电源的开关48和使仪器应用者和其它人用来控制电子装置功能的键盘50。合适的键盘是一种常规的部件，它被制成能防水、防尘并保证能在室外环境下使用五年。键盘50最好有一个易于复原的塑料盖，它可以对输入数据操作者提供触觉上的反馈。该电子装置22还最好包括一具有大字符液晶显示器52，以便改善条令和信息的清晰度。显示器应该是人-机对话式的，以便能进行机内试验。电子装置22还包括（图4）一个带有存储器56和接口板58的处理机54，该接口板58使处理机54用探头18和20连系。这些部件将在下面参照图4作更详细说明。
电子装置22通常装在仪器罩12上并且包含用于计算、电源分配，进行辐射计数、和为用户提供的接口所需的所有电子部件。该装置较小，大约8英寸长，4英寸高，6-7英寸宽，在本发明实施例中，电子装置22可以同仪器罩12分开，它们之间用电线（未示出）实现电连接。
图2示出了图1仪器的部分纵剖图，它包括水泥探头18并是沿图1的线2-2剖视的。如图所示，水泥含量探头18基本上成圆柱状，而且在其一端有把手60，而γ辐射源62靠近其另一端放置，探测器64离开γ源，用于探测由混凝土试样背散射的γ辐射。在远离γ辐射源62的水泥探头18的相反端处的电子组件66用于探测器64工作的电源，用于驱动探头64并提供一个以γ背散射的计数为基础的信号通过电源24到电子管22（图4）。γ源62，探测器64和电子组件66被罩在带有端帽68和69的圆柱形探头体67之内。探头体67最好是铝制薄壁套筒。
铅的辐射屏蔽板70和74装在罩体之内。下方的铅屏蔽板70位于靠近下方的圆筒形探头体68的端帽76处。下方铅屏蔽板70离开γ辐射源62以形成一空气隙75。上方铅屏蔽板74插入γ辐射62和探测器64之间。上铅屏蔽板74成圆锥形以便只有那些由源发射而经过背散射的γ辐射才被探测器64所计数。屏蔽板防止了探测器由于那些没有经过混凝土散射而直接进入探测器的光子而引起的饱和。γ辐射源62最好是一个10毫吋3的241Am的点状源，它发射具有60kev能量的γ射线。探测器64最好是一种与X射线正比的γ辐射计数器或等同的装置。
水泥探头能够测出水泥和含量，因为γ辐射被钙光电吸收，而钙是硅酸盐水泥的主要成分。一种特定的原子的原子序数越高，在低光子能量时被光电吸收的几率就越大。典型的混凝土混合物的组分中最多的元素的原子序数是14或更低，所以这些成分对光电吸收的贡献是限的。但是，水泥中的主要成分，钙有20的原子数，因此，当混凝土中水泥含量增加时钙的含量也增加，而被光电吸收的光子数也随之增加。一种特定的混凝土混合物和探头计数的关系是线性的，因此，探头可利用这种混合物作精确的校正。这样的校正技术是本领域技术人员所熟悉的。
水泥探头18的电子组体66可以把来自接口板58（见图4）的低电压变换成约1900v的直流高压，以驱动作为检测器64的X射线管工作。而且，由电子组件66从X射线管64所接收的脉冲经过同1900vdc隔离、缓冲和放大后传输到接口板58上。由电子组件66所接受的胶冲应为5mv左右。
图3示出图1仪器的部分包括有水泥探头20并沿图1的线3-3剖开的纵向剖视图。水泥探头20包括一个中子源76，一个热中子探测器78和一个电子组件80。由中子源76所发射的快中子通过与周围介质中原子的多次碰撞而热化。术语热化的含义是指中子的动能降低到某种程度，即达到中子经过一次碰撞后所得到的能量恰好等于通过一次碰撞所损失的能量。某些原子，诸如氢，有比其它原子更大的热化快中子的能力。因此，混凝土中的水的组分最好恰好能热化快中子。由于含水率与探头计数的关系是线性的，因此，可以根据混合物中的含水量对探头进行精确的校准。
电子组件80将热中子计数转换成一个电信号，通过电缆26馈送到电子装置22的接口板58（图4）。中子原76，热中子探测器78，和电子组件80都被罩在作为外屏蔽的园筒状探头体82中。探头体82最好由铝制成并包括有铝制的端盖84和86以封位园筒状探头82。电缆26穿过端盖84与电子组件80连接。图中的85为探头把手代号。
中子源76最好包括一个10（毫吋）3Am∶Be环状源。热中子探测品76最好是一个3He管，根据该管对准中子源76中心。电子组件80插在3He中子探测管78和水份探头20顶部上的端盖84之间。电子组件80应能把来自接口板58（见图4）的低电压转变成约900v的直流高压，以驱动3He管。电子组体80接受管78来的脉冲，经分离和缓冲后馈送到接口板58上。
本发明的一个重要方面是有屏蔽的贮藏容器14（图2）和16（图3）以及相应的参照标样44和46，这是为校准分别处于水泥和水分探头18和20中的辐射探测器64和78稳定性和准确性而提供的。当仪器不用时贮藏容器14和16为贮藏探头提供一个方便的场所，水泥探头18的参照标样44是一块围绕容器14的环形的聚乙烯固体块。容器14基本上对辐射是透明的，而且最好由聚氯乙烯管构成，它插入聚乙烯块44中。聚己烯块44，其顶部、侧面和底用铅箔屏蔽罩88包围着。装在聚己烯块44的容器14的上部也包裹在铅箔88中。而且，在聚乙烯块44上方直接延伸的容器14部分与铅箔88取齐。
如图3所示，水分探头20的参照标样46也是一环状聚己烯块。插座16是一聚氯乙烯管，它插进环状聚己烯块并向上伸出。环绕聚己烯块46的上方外径和块46的下方内径装有铅箔屏蔽90。
图4扼要说明本发明所用的电子电路。电子装置22包括键盘50，显示器52、处理器54，存储器56，接口板58，蓄电池92。处理器54可连接至一电源49。图4还示出了用于水泥探头18和水分探头20的电子电路，它们分别通过电缆线24和26与电子装置22的接口板58相互连接。
电子装置22执行所有计算、控制输入和用户接口功能。电子装置22向探头18和20提供低压电源并接收探头来的模拟脉冲，电子装置22和用户通过显示器52和键盘50对话，电子装置22可通过内部蓄电池92，也可通过外电源49诸如充电机或汽车马达点火器供电。
处理器54包括中央处理单元和所有附属的数字硬件，包括ROM、RAM、非易失的RAM和一个实时时钟。处理器54是常规的，其功能可容易地在各处理容器板之间分配，处理机54控制着探头并计取由接口板58来的数字脉冲。接口板58将脉冲转换成原始计数并将这些结果提供给处理器54。处理器54也为键盘50，显示器52和备用接口提供接口，通过这个接口使各个电子组件相互通讯。处理器54也控制蓄电池92的充电回路和电源92与49和电源分配。
存储器56最好应有用于水和水泥测量的50次总体计数以及15次校正、包括偏移校正用的有充足电池支持的RAM。最好电池支持电路不要集成在芯片中。
接口板58提供处理机54的中心处理单元和探头18与20之间的通讯。接口板58应该能根据来自处理器54的信号为一个或同时为两个探头提供低压电能。对接口板58也应该能够同时从两个探头接收前置放大信号，将这些信号经放大后转换成总的数字脉冲。然后将得到的两个数字信号送到处理器54，在处理器中进行计算。
显示器54最好由合适的大号的液晶二极管诸如20×4液晶二极管组成。大尺寸的字符将改善用于现场的指令与信息的清晰度。显示器52最好适于配合机内试验。如果需要，为了改进处理速度应该考虑到缓冲器。
图4还示出了包括电压转换器96和前置放大器98的水泥探头18的电子组件66。水泥探头18应能从接口板58接收低压电能，并通过电压转换器96将低压电能转换成高压电能以驱动作为γ辐射探测器的X射线管64。设置前置放大器98以对传输至对接口板前的脉冲进行缓冲。
同样，水分探头20的电子组件包括电压转换器100和前置放大器102。水分探头20从接口板58接收低压电能并在电压转换器100中将其转换成高压。前置放大器102把来自中子探测器78缓冲并放大，然后传输到接口板58。
电缆24和26为电子装置22分别同水泥探头18和水分探头20之间提供电信号。最好这些电缆是同轴电缆或多导线电缆，在与电子装置连接的端头处带有锁定机构的连接器。因为仪器要在建筑环境的户外使用，电缆应是防尘和防水的。
图5A和5B说明本发明的操作情况并指明为获得新浇注的未硬化的混凝土强度的测量值，操作者应采取的各种步骤。如步骤111所示，操作者首先用新浇注的未硬化的混凝土充填样品容器28，然后至少对容器进行三次捣实，同时再充填容器。容器应在其1/3充满后，2/3充满时和完全充满时进行捣实。在充填并完成捣实动作之后，操作者击打样品表面，以在样品顶部获得平滑的表面。然后，如步骤122所示，操作者将用参照聚乙烯的参照标样46来核验水分探头20的精度。在步骤113中，操作者参照聚乙烯参照标样44来核验水泥探头18的精度。这种核验是在把探头插在它们各自的标样中时进行的。
水泥含量和所得计数之间以及水的含量和所得计数之间的关系可以由经验确定，而且可以拟合成一直线或二次方程以便将表达这些关系的函数存储到存储器56中。数种混凝土混合物的校正曲线可存储到存储器中，需要时就可调出来。在存储器56中还储存有用来计算新浇注混凝土中水与水泥比率以及该比率与硬化混凝土最终强度的数据。
典型的用于探头的校正曲线是按照现场所要求的混凝土混合物予先在实验室绘制出来的。对于水泥含量的探头来说，要制备混凝土混合物，它有时被称作“目标混合物”它与现场所要求的混合物是一致的。测量至少在四种目标混合物的样品中取得，这些样品的水和水泥含量是准确知道的。还要制备出另外的两种混合物，一种比目标混合物的水泥含量低，而另一种比目标混合物的水泥含量高。这些混合物的水含量与目标混合物的水含量相同。至少要对这些混合物的四个试样取得测量值。基于这些测量值制备出线性校正曲线，曲线中水泥含量是单独可变的。把曲线的斜率和截距存储在存储器56中。
以相同的方法对水份探头进行校正，只是在混合物中水泥的含量要保持恒定。要获取具有现场所要求的水份含量的目标混合物的测量值。制备另外的混合物，一个具有高水分含量而一个具有更低的水份含量以形成校正曲线的斜率和截距。
填充好样品容器并校正好探头后，如步骤114所述，操作者将水分探头从仪器罩12中的贮藏容器移出并将其插入样品容器28的通道管30中。如步骤115所述，中子从快中了源76射入混凝土样品C中。这些中子的一部分在样品中受到多次散射后或穿透出去或在样品中被热化。热化的中子云环绕探测管照射，而一部分由探头计数。
如步骤116所述，电子组件80产生与热中子计数相应的信号并将这个信号以脉冲方式送至电子装置22的接口板58。将该信号放大后送到处理器54以便进行计算来确定出水泥的水分含量，在步骤117中处理器54计算出水分含量，并由显示器52对使用者显示出来。将所获得的计数插入已经储存起来的关于水分含量探头中间计数关系的函数中。
当水分含量被显示出来之后，使用者或操作者按照步骤118，将水分探头从样品容器移开并放回装置在仪器罩中的贮藏容器中。按照步骤119操作者接着从罩12中的水泥探头贮藏容器中将水泥探头移出并将之插入样品容器28的通道孔30中以取得第一次水泥测量值。
按照步骤120，将γ幅射从屏蔽源直接插入混凝土样品中。某些幅射受到多次浸射直至吸收，而有些则被散射进入X射线正比计数管，在这里背散射的辐射受到计数。铅屏蔽板防止探测器受到那些没有散射进入混凝土而直接进入探测器的光子的作用而饱和。
按照步骤121，电子组件66产生一与探测器64所获得计数相应的信号并将该信号放大送至电子装置22中。步骤120和121最好随着使探头处于相继地减少约1吋的深度至少重复三次（步骤122）以获取另外的计数。将这些计数插入已经储存起来的水泥和探头计数间关系的函数中。
按照步骤123，处理器计算并通过显示器显示出基于至少已经获得的四次计数的平均水泥含量。然后，按照步骤124，操作者将水泥探头从样品容器移出并放回到罩中的贮藏容器中。按照步骤125，处理器54计算并通过显示器52显示出水与水泥比率。而后，按照步骤126处理机54根据该比率和所存储的比率与最终压缩强度之间的关系函数计算并显示出混凝土的设计强度。最后，按照步骤127，操作者彻底清洗样品容器、通道管和底板，以便制备下一个试样。
本发明的仪器设计成放于手提箱中可由一个人搬动。该仪器通常可放在可移动的小车座上，在室外环境中工作如在建筑工地上使用。本发明仪器的工作环境温度可在-10℃至65℃的范围，工作环境湿度可高达100%。可承受直射太阳光和严重的灰尘，包括水泥灰尘。该仪器可承受高压水喷射和湿混凝土的溅射。
前面的描述是考虑到对本发明的说明，而不是对本发明的限制。本发明可用于测量一般材料物理性能的其它范围，并且能够用来由两只探头所取得的测量值计算并显示出至少一种试验材料的一种物理性能。因此，应该指出在这里所描述的具体实施例只是说明本发明可以如何实施。那些对等效于权利要求书中限定方案范围内的改进应包括在前面的说明书中。