周小勇，余佳干，李田軍，周傳波

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 武漢 430074)

電阻抗成像技術(shù)在水泥基材料滲水檢測(cè)中的應(yīng)用

周小勇，余佳干，李田軍，周傳波

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 武漢 430074)

為探索對(duì)水泥基材料滲水狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)新方法，采用動(dòng)態(tài)電阻抗成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography, EIT)對(duì)滲水的水泥圓盤(pán)試件進(jìn)行了斷層圖像重建。通過(guò)搭建16電極EIT系統(tǒng)，基于注入電流采集電壓的方式，用相鄰電極激勵(lì)測(cè)量方法獲得成像數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于等位線(xiàn)反投影方法的電阻抗成像技術(shù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，并對(duì)比分析了EIT方法與紅外熱成像法的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)EIT方法可以對(duì)水泥圓盤(pán)的滲水狀況進(jìn)行可視化處理，能定位滲水區(qū)域范圍；相對(duì)紅外熱成像法，動(dòng)態(tài)EIT方法不僅能檢測(cè)材料表面滲水狀況，還能對(duì)不利于目測(cè)觀察的內(nèi)部滲水進(jìn)行檢測(cè)。該研究可為水泥結(jié)構(gòu)物滲水的原位無(wú)損檢測(cè)提供新的思路和參考。

水泥基材料；滲水；等位線(xiàn)反射投影方法；電阻抗成像；無(wú)損檢測(cè)

現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)滲水檢測(cè)通常采用人工目測(cè)法，存在效率低、主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn)。近年來(lái)，滲水的檢測(cè)技術(shù)得到了一定的重視和發(fā)展，應(yīng)用較多的是紅外熱成像檢測(cè)方法[1]。激光無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)Φ叵鹿こ踢M(jìn)行全方位掃描，并記錄滲水位置和范圍[2];高密度電阻法應(yīng)用于水庫(kù)壩肩滲漏隱患檢測(cè)中,能保證檢測(cè)質(zhì)量[3];還有溫度梯度法、可定性判斷是否滲水的電導(dǎo)率法[4]，以及利用同位素示蹤技術(shù)的方法[5]、超聲波法、地質(zhì)雷達(dá)法[6]等。

但是以上檢測(cè)方法在對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲水位置和范圍的直觀定位上存在困難。而采用功能層析成像[7](Computer Tomography)技術(shù)，可用功能圖像直觀地反映出具體滲水位置和范圍。筆者引入生物醫(yī)學(xué)研究中的EIT原理[8]，即根據(jù)敏感場(chǎng)內(nèi)電阻率的分布來(lái)判斷物場(chǎng)內(nèi)媒質(zhì)的分布[9],其通過(guò)在被測(cè)物體表面注入激勵(lì)電流并測(cè)量被測(cè)物邊界電壓，利用麥克斯韋方程和有限元法進(jìn)行逆運(yùn)算，從而得到物體內(nèi)部的電導(dǎo)率分布來(lái)實(shí)現(xiàn)功能成像[10]。這種成像技術(shù)具有非侵入性、無(wú)損傷、無(wú)輻射、低成本及功能性成像等特點(diǎn)[11]，在醫(yī)學(xué)界[12]和工業(yè)界[13]得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。筆者針對(duì)結(jié)構(gòu)工程常用的水泥基材料滲水進(jìn)行可視化處理和分析，采用EIT技術(shù)對(duì)水泥圓盤(pán)試件的滲水進(jìn)行圖像重建，并與紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)、試件與方法

采用圓盤(pán)型水泥試件(見(jiàn)圖1)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中將水滴到試件表面，用水的擴(kuò)散模擬滲水。滴水前采集一次電壓數(shù)據(jù)，滴水10 min再采集一次數(shù)據(jù)；同時(shí)，用紅外熱像儀檢測(cè)，作對(duì)比試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)試件

圖2 EIT硬件系統(tǒng)

1.1 試件制備 試件材料為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、灌砂法專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)砂，水灰比0.6，澆筑成直徑110 mm，厚10 mm的圓盤(pán)形試件。澆筑后放入溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)箱里養(yǎng)護(hù)24 h，脫模后入水養(yǎng)護(hù)21 d。試驗(yàn)前對(duì)圓盤(pán)試件外環(huán)進(jìn)行打磨，以便與電極良好接觸，減小接觸阻抗引起的測(cè)量誤差。1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，包括計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理及計(jì)算成像)、交流電流源(美國(guó)吉時(shí)利微電流源Model 6221)、交流電壓采集儀(安捷倫34970A)、可編程單片機(jī)高速切換開(kāi)關(guān)、自制電極夾具(高10 mm，寬4 mm，均布16個(gè)電極)。其工作過(guò)程為高速切換開(kāi)關(guān)按照相鄰激勵(lì)法[14]從16電極中選擇激勵(lì)電極對(duì)，同時(shí)電壓采集儀器完成對(duì)其他電極對(duì)的電壓數(shù)據(jù)采集，并上傳到計(jì)算機(jī)中作為圖像重建的原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于等位線(xiàn)反投影方法的電阻抗成像技術(shù)進(jìn)行圖像重構(gòu)[15]。

1.2.2 圖像重建數(shù)據(jù)采集

電極帶為寬5 mm的銅片，自制夾具由激光鉆孔以保證16電極均勻?qū)χ蟹植迹ㄟ^(guò)夾具壓力以及在銅片與被測(cè)體之間涂抹導(dǎo)電銀膠減小接觸電阻的影響。由于混凝土的電導(dǎo)率較小，為保證試件場(chǎng)域內(nèi)電流恒定，激勵(lì)電流選擇恒定微交流電流(10 mA,1.5 kHz)。

數(shù)據(jù)用相鄰驅(qū)動(dòng)模式采集，電流源輸出恒定交流電流，由高速切換開(kāi)關(guān)切換激勵(lì)電極對(duì)。對(duì)于16個(gè)電極的系統(tǒng)，16次激勵(lì)，每次得到13個(gè)電壓測(cè)量值，共可得到208(16×13)個(gè)電壓測(cè)量值，相鄰驅(qū)動(dòng)模式激勵(lì)、測(cè)量具體操作順序如表1 所示，表中數(shù)字代表電極編號(hào)，編號(hào)規(guī)則如圖1所示。

表1 相鄰激勵(lì)電流注入與電壓測(cè)量

1.3 圖像重建算法

1.3.1 動(dòng)態(tài)成像原理

設(shè)場(chǎng)域內(nèi)電阻率ρ0分布均勻，在電流激勵(lì)下，場(chǎng)域內(nèi)電流的流向也是均勻分布的，如圖3(a)所示。當(dāng)被測(cè)場(chǎng)域內(nèi)出現(xiàn)電阻率發(fā)生變化的目標(biāo)物(圖3中電導(dǎo)率為p的區(qū)域)時(shí)，場(chǎng)域內(nèi)電流流向也會(huì)在相應(yīng)區(qū)域發(fā)生變化，從而引起場(chǎng)域邊界電極間的電勢(shì)差發(fā)生變化；EIT動(dòng)態(tài)成像利用這一變化，通過(guò)逆運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的成像。如圖3所示,電阻抗成像原理就是利用場(chǎng)域電流變化引起的邊界電勢(shì)差(電壓)變化值，代入麥克斯韋方程，反算出場(chǎng)域內(nèi)的電阻抗分布和進(jìn)行圖像顯示，以此判斷滲水位置和范圍的。

1.3.2 動(dòng)態(tài)成像重建算法

EIT問(wèn)題求解是從麥克斯韋電磁場(chǎng)方程入手,推導(dǎo)出電磁場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型[16]的。

(1)

圖3 電阻率不同的目標(biāo)物附近的電流線(xiàn)分布對(duì)比

式(1)確定了模型參數(shù)σ與可測(cè)量參數(shù)φ之間的函數(shù)關(guān)系。已知φ得到電導(dǎo)率σ的分布即為EIT逆問(wèn)題的求解。

根據(jù)高斯散度定理,可得出電導(dǎo)率分布和邊界測(cè)量電壓的敏感關(guān)系[17],式(2)為重構(gòu)阻抗圖像的理論基礎(chǔ)。

(2)

式中：u為輸入單位電流時(shí)所測(cè)量的電壓；Ω為閉合的場(chǎng)域；ψ和φ是σ的函數(shù)。

筆者采用等位線(xiàn)反投影法[18]進(jìn)行電阻抗成像圖像重構(gòu)。等位線(xiàn)反投影法利用兩個(gè)不同時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像重構(gòu)算法來(lái)獲得這兩個(gè)時(shí)刻場(chǎng)域電導(dǎo)率分布的差值，從而重構(gòu)出一幅差分圖像。

1.3.3 有限元網(wǎng)格劃分

采用MATLAB軟件結(jié)合開(kāi)源程序Netgen[19]進(jìn)行網(wǎng)格劃分和顯示，采用三角形單元，有限元模型中單元總數(shù)為1 318，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為700，電極數(shù)為16。有限元網(wǎng)格劃分的疏密度即為重建圖像的分辨率。圖像重建有限元網(wǎng)絡(luò)劃分如圖4所示。

圖4 圖像重建有限元網(wǎng)格劃分

2 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

滴水10 min后的EIT重建圖像與紅外熱成像儀同步得到的圖像如圖5所示。圖5(a)為紅外熱成像圖像，其背景基本上是綠色，圖中淡藍(lán)色圓形區(qū)域即為滲水部分，顯示表面溫度約17.1 ℃。圖5(b)為EIT動(dòng)態(tài)成像圖，其右側(cè)顏色條表示變化電導(dǎo)率，紅色表示增大，為正值；藍(lán)色表示減小，為負(fù)值；沒(méi)有變化用白色表示。圖5(b)中顏色越淺表示電導(dǎo)率變化越小，其大部分區(qū)域顏色較淺；滲水區(qū)域呈現(xiàn)明顯的深紅色，且向外逐漸變淡，由此可直觀地判斷出滲水的中心位置和大概范圍。

圖5 試件的紅外熱成像與EIT成像結(jié)果對(duì)比

動(dòng)態(tài)成像技術(shù)利用電導(dǎo)率變化進(jìn)行成像，理論上在滲水的范圍才會(huì)發(fā)生電阻變化，因?yàn)樗臐B入會(huì)引起該區(qū)域的電阻降低，則電導(dǎo)率變化值Δp為正值，而沒(méi)有滲水的區(qū)域電阻不變，電導(dǎo)率變化值Δρ為零。從圖5(b)分析，對(duì)比試件的實(shí)際照片(見(jiàn)圖1)，EIT成像結(jié)果可比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出水泥基試件的滲水位置、大致形狀；但因EIT逆運(yùn)算中輸入的有效電壓數(shù)據(jù)有限，而求解的單元數(shù)遠(yuǎn)大于輸入電壓數(shù)據(jù)，使得雅可比矩陣條件數(shù)太少，而存在嚴(yán)重的病態(tài)性，故實(shí)際的成像圖中會(huì)有較多的偽影和噪點(diǎn)，如圖中紅色區(qū)域外顯示了較多的淡黃色和淡青色分布，而這些位置理論上應(yīng)該都應(yīng)顯示為白色，即電導(dǎo)率變化Δρ為零。

將EIT逆運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行二值化處理，成像結(jié)果呈現(xiàn)明顯對(duì)比的視覺(jué)效果，如圖6(c)所示，可見(jiàn)重影和偽影都已經(jīng)消除，可以清晰地看到滲水的部位和范圍。圖中電極附近的重影是電極接觸面的導(dǎo)電銀膠溢出所致，此處并未對(duì)成像效果造成干擾，忽略不計(jì)。分別對(duì)試件實(shí)際照片、紅外熱成像圖像及EIT成像圖像建立同等坐標(biāo)系如圖6所示，并可計(jì)算出滲水區(qū)域的面積、周長(zhǎng)和重心坐標(biāo)。

圖6 試件實(shí)際照片、紅外熱成像圖像與EIT二值化處理后的成像結(jié)果對(duì)比

實(shí)際照片和EIT圖像的滲水區(qū)域計(jì)算結(jié)果及誤差見(jiàn)表2。

表2 滲水區(qū)域形狀參數(shù)

表中誤差為EIT成像與實(shí)際照片的對(duì)比，因?qū)嶋H圖像的參數(shù)由人工處理，誤差結(jié)果具有一定的主觀性，但也可以驗(yàn)證EIT方法的可行性。其中形心誤差為4.3%，其為兩圖形心坐標(biāo)間距與試件直徑的百分比。面積與周長(zhǎng)的誤差較大，而且EIT的計(jì)算值偏大；原因可能是經(jīng)過(guò)10 min，水滴已經(jīng)滲入水泥基體，而照片只能看到表面的滲水情況，EIT的結(jié)果反映了水的內(nèi)部滲透情況，從圖6(c)中紅色區(qū)域外的重影可較為清楚地體現(xiàn)出來(lái)。

需要指出的是，目測(cè)方法和紅外線(xiàn)成像方法都需要位于滲水面的一側(cè)，才能進(jìn)行有效檢測(cè)。而采用EIT方法時(shí)，根據(jù)電學(xué)原理，電流注入時(shí)會(huì)流經(jīng)整個(gè)區(qū)域，進(jìn)而采集電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行逆運(yùn)算成像實(shí)現(xiàn)滲水的檢測(cè)，克服了以上限制，可適用于無(wú)法直接目測(cè)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部或背面的滲水檢測(cè)。

由以上分析可知，EIT成像技術(shù)對(duì)水泥基材料滲水的位置、范圍的檢測(cè)是可行的。

3 結(jié)論

(1) 動(dòng)態(tài)EIT成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水泥基材料的滲水檢測(cè)，采用二值化處理圖像后更加直觀，便于圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。與紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)法相比，該方法受環(huán)境影響小，也適用于不適合肉眼觀測(cè)的結(jié)構(gòu)物滲水檢測(cè)。

(2) EIT技術(shù)對(duì)水泥基材料滲水狀況檢測(cè)的重建圖形與實(shí)際滲水形狀存在一定的差異，但能夠比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出滲水的位置和大小。

(3) 動(dòng)態(tài)EIT方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)物滲水時(shí)，需采集兩次電壓才能進(jìn)行一次圖像重建，并需將電極預(yù)先置于結(jié)構(gòu)物中以實(shí)現(xiàn)初始值的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)滲水情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可為滲水處理提供持續(xù)可信的依據(jù)。

(4) 動(dòng)態(tài)EIT方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)物滲水時(shí)，如果預(yù)先未設(shè)置傳感器(未埋設(shè)電極)，會(huì)遇到初始電壓測(cè)量無(wú)法采集的情況，這時(shí)可采用靜態(tài)成像算法，利用電阻抗的絕對(duì)值進(jìn)行圖像顯示，一次測(cè)量即可成像，則EIT技術(shù)的實(shí)用性會(huì)更廣。由于靜態(tài)成像算法無(wú)法通過(guò)兩次電壓差值來(lái)有效減小測(cè)量誤差，故對(duì)EIT系統(tǒng)的測(cè)量精度要求極高，但隨著EIT硬件系統(tǒng)的優(yōu)化和成像算法的改進(jìn)，EIT方法用于混凝土結(jié)構(gòu)工程滲水檢測(cè)的可行性會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。

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Application of Electrical Impedance Tomography on Water Seepage Nondestructive Testing of Cementitious Material

ZHOU Xiao-yong, YU Jia-gan, LI Tian-jun, ZHOU Chuan-bo

(China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China)

This paper presents a novel method, the dynamic electrical impedance tomography (EIT), for water seepage nondestructive testing in a cementitious cylinder. In this work, an EIT measurement system including 16 electrodes was designed to implement adjacent stimulation pattern with current injection and voltage acquisition mode. The Equipotential Back-Projection Method was used to process the original data, and then to image the water seepage situation of the specimen. In order to get the advantages and disadvantages of EIT technology, infrared thermography technology has been investigated and compared. The results show the capabilities of EIT technology for water seepage detection in cementitious material/structures. Moreover, EIT can detect water seepage on the material surface, and image the internal seepage which is not suitable for direct observation. This study is beneficial to the development of nondestructive water seepage testing for cementitious material/structures.

Cementitious material; Water seepage; Equipotential back-projection method; Electrical impedance tomography;Nondestructive testing

2016-09-22

周小勇(1978-),男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楦咝阅軓?fù)合材料及其工程應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。

周小勇，E-mail:xyz@cug.edu.cn。

10.11973/wsjc201704006

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0026-05