本发明属于城市交通道路工程施工，涉及一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法、系统及可读存储介质。
背景技术：
1、沥青混合料是沥青路面中一种重要的铺路材料，用于路面表面以抵抗交通荷载和环境影响。沥青混合料压实密度是评估沥青路面施工质量的关键控制标准。过度压实或欠压实将导致密度增加或降低，进而恶化沥青路面的使用性能，并诱发潜在的路面病害，如离析、开裂和车辙等。因此，有必要确保沥青混合料在施工过程中达到理想的密度。目前，沥青混合料密度测量的方法主要包括表干法、corelok法、蜡封法以及体积法。这些方法具有较高的精度，但是均基于现场取芯样本开展，故只能覆盖有限的检测区域。此外，取芯是一种有损检测方法，其会影响正常交通运行并损害沥青路面的结构完整性。
2、无损检测方法可以开展大范围、连续的测量，并可保护现有的路面结构，因此受到广泛关注。目前用于沥青混合料密度测量的主要无损检测方法包括无核密度仪、红外热成像和探地雷达。无核密度仪在美国被认为是测量沥青混合料密度的标准化无损检测方法。然而，这种方法效率较低，每次测量都需要一定的响应时间且需通过已知密度的板进行标定。红外热成像也被用于沥青混合料密度的测量，但由于混合料类型和摊铺方法的多样性，该技术的精度不稳定。探地雷达可以开展连续和大规模的测量，但是其依赖于电磁信号的反射和接收，故容易受到环境条件的影响。因此，探地雷达的测量精度主要取决于复杂的信号处理技术。
3、共面电容法是一种基于电场原理的无损检测技术，可以测量材料的介电性能，并进一步获得包括密度在内的其他物理信息。之前的研究已经成功地采用这种方法来测量沥青混合料的隐形病害，这验证了共面电容法在路面工程中的潜力。然而，关于共面电容法在沥青混合料压实密度测量中的应用研究十分有限，并未检索到相关文献报道。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了提供一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法、系统及可读存储介质，以基于检测电容值和沥青混合料压实密度理论关系，通过寄生电容消除方法，获取较为精确的沥青混合料压实密度分布，为沥青路面施工质量控制及评价提供依据。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、在第一方面，本发明提供了一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，包括以下步骤：
4、s1、根据共形映射技术及部分电容技术建立沥青混合料介电常数与电容值之间的关系式；
5、s2、基于介电混合模型(dielectric mixing model)建立沥青混合料介电常数与压实密度的关系式；
6、s3、对被测沥青混合料域及空气域进行电容测量，获取对应的电容测量值；
7、s4、基于寄生电容对被测沥青混合料域下的电容测量值进行修正；
8、s5、根据s4中被修正的电容测量值代入s1和s2中所建立的关系式中，获取被测沥青混合料的压实密度。
9、进一步的，s1中建立关系式的过程为：
10、s11、根据对称性，将叉指型共面总电容值分为电极上、下平面进行求解，其中，电极上平面或下平面的总电容再分解为内部电容及外部电容；
11、s12、根据部分电容技术，将内部电容及外部电容再次分解为各被测介质层的内部及外部几何电容；
12、s13、根据共性映射技术，通过叉指型共面电容传感器几何参数和被测介质层的介电常数获取内部及外部几何电容；
13、s14、建立沥青混合料介电常数与检测电容值之间的理论关系式。
14、进一步的，沥青混合料介电常数与电容值之间的关系式表达为：
15、
16、式中，ctotal为总电容，clower为电极下平面总电容，cupper为电极上平面总电容，ci，lower为电极下平面的内部电容，ce，lower为电极下平面的外部电容，ci，upper为电极上平面的内部电容，ce,upper为电极上平面的外部电容，ci,air为空气层的内部几何电容，ce,air为空气层的外部几何电容，ci,ac为沥青混合料层的内部几何电容，ce,ac为沥青混合料层的外部几何电容，ci,substrate为基底层的内部几何电容，ce,substrate为基底层的外部几何电容，n为电极数量，εair为空气的介电常数，εac为沥青混合料的介电常数，εsubstrate为空气的介电常数，ε0为真空的介电常数，l为电极长度，ki,air、ke,air、ki,ac、ke,ac、ki,substrate、ke,substrate分别为计算内、外部电容时空气层、沥青混合料层、基底层的第一类完全椭圆积分k(k)的模，k’i,air、k’e,air、k’i,ac、k’e,ac、k’i,substrate、k’e,substrate分别为计算内、外部电容时空气层、沥青混合料层、基底层的第一类完全椭圆积分k(k)的互补模。
17、具体的，ke,air、ki,air、ki,ac、ke,ac、ke,substrate、ki,substrate、k’e,air、k’i,air、k’i,ac、k’e,ac、k’e,substrate、k’i,substrate的计算公式如下表1所示，其中，η为电容传感器的金属率，λ为电容传感器的空间波长，h为介质层的厚度，v2(x,y)、v3(x,y)为第二类及第三类jacobi函数，sn(x,y)为jacobi椭圆函数。
18、表1在计算内外部电容(ci、ce)时k和k’的计算公式
19、
20、
21、此处，需要指出的是，本发明中，各符号中的下标的含义为：i表示内部，e表示外部，air、ac、substrate分别表示空气层、沥青混合料层和基底层，基于此，示例性的，ki,air即为计算内部电容时空气层的第一类完全椭圆积分k(k)的模，ci,air为空气层的内部几何电容，以此类似，可以得到其他参数的定义。
22、进一步的，s2中建立关系式的过程为：
23、s21、将沥青混合料视为由沥青、集料、空气三项原材料构成的三相复合材料；
24、s22、基于介电混合模型，根据沥青混合料介电常数、以及各项原材料的介电常数和/或密度获取沥青混合料的压实密度，建立沥青混合料介电常数与压实密度之间的关系式。
25、进一步的，沥青混合料介电常数与压实密度的关系式表达为：
26、
27、式中，gmb为沥青混合料密度，εac为沥青混合料的介电常数，εb为沥青的介电常数，εs为集料的介电常数，pb为沥青含量，gs为集料密度，gmm为沥青混合料最大理论密度。
28、进一步的，s4中，对电容测量值进行修正的过程为：
29、s41、分别基于s1中的关系式与s3中的实际检测，得到空气域下的理论与测量的电容值，计算其差值，并将该差值视为寄生电容；
30、s42、将被测沥青混合料域下的共面电容测量值减去寄生电容值进行修正。
31、进一步的，s4中，电容测量值进行修正所用的表达式为：
32、
33、式中，cs为寄生电容，cm,air为空气域下测量电容值，ct,air为空气域下理论电容值，cm,ac为沥青混合料域下测量电容值，cp为沥青混合料域下修正后的测量电容值。此处，ct,air等于将式(1)中的沥青混合料层替换为空气层所得到的ctotal。
34、进一步的，s5的测量过程中，先将cp代入s1中，代替ctotal先测得修正后的εac，然后，基于修正后的εac计算修正后的gmb。
35、在在第二方面，本发明还提供了一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测装置，其用于实施如上所述的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，所述沥青混合料压实密度检测装置包括：
36、共面电容采集单元，其包括用于检测电容值的叉指型共面电容传感器与用于采集数据的lcr数字电桥；
37、计算机处理单元，其被配置为用于空气域下理论电容值计算，消除寄生电容影响，修正被测沥青混合料域下测量电容值，并根据被修正的电容测量值计算获取精确的沥青混合料压实密度。
38、在第三方面，本发明还提供了一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测系统，其用于实施如上所述的沥青混合料压实密度检测方法，所述沥青混合料压实密度检测系统包括：
39、电容检测模块，其包括叉指型共面电容传感器，被配置为放置在沥青混合料被测区域进行检测；
40、数据采集模块，其包括lcr数字电桥，被配置为采集所述叉指型共面电容传感器获取的电容值；
41、数据处理模块，其被配置为计算空气域下理论电容值，并根据空气域下的理论及测量电容值计算寄生电容，同时基于该寄生电容值修正被测沥青混合料域下的测量电容值；
42、密度计算模块，被配置为基于修正后的测量电容值，计算获取精确的沥青混合料压实密度。
43、在第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述沥青混合料压实密度检测方法的步骤。
44、与现有技术相比，本发明具有以下优点：
45、(1)本发明提出的基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，可以建立检测电容值和沥青混合料压实密度的理论关系。
46、(2)本发明提出的基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，可以消除寄生电容的影响，进而提高检测精度并获取精确的沥青混合料压实密度；
47、(3)本发明提出的基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测系统，可用于沥青混合料压实密度的检测，为沥青路面施工质量控制及评价提供依据。
1.一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，s1中建立关系式的过程为：
3.根据权利要求1或2所述的一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，沥青混合料介电常数与电容值之间的关系式表达为：
4.根据权利要求1所述的一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，s2中建立关系式的过程为：
5.根据权利要求1或4所述的一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，沥青混合料介电常数与压实密度的关系式表达为：
6.根据权利要求1所述的一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，s4中，对电容测量值进行修正的过程为：
7.根据权利要求1或6所述的一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，s4中，电容测量值进行修正所用的表达式为：
8.一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测装置，其用于实施如权利要求1所述的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，所述沥青混合料压实密度检测装置包括：
9.一种基于叉指型共面电容的沥青混合料压实密度检测系统，其用于实施如权利要求1所述的沥青混合料压实密度检测方法，其特征在于，所述沥青混合料压实密度检测系统包括：
10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述沥青混合料压实密度检测方法的步骤。
