電阻抗成像技術(shù)在水泥基材料滲水檢測中的應(yīng)用

周小勇，余佳干，李田軍，周傳波

(中國地質(zhì)大學(武漢), 武漢 430074)

電阻抗成像技術(shù)在水泥基材料滲水檢測中的應(yīng)用

周小勇，余佳干，李田軍，周傳波

(中國地質(zhì)大學(武漢), 武漢 430074)

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

水泥基材料；滲水；等位線反射投影方法；電阻抗成像；無損檢測

現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)滲水檢測通常采用人工目測法，存在效率低、主觀性強的缺點。近年來，滲水的檢測技術(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方法[1]。激光無損檢測技術(shù)能夠?qū)Φ叵鹿こ踢M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)用于水庫壩肩滲漏隱患檢測中,能保證檢測質(zhì)量[3];還有溫度梯度法、可定性判斷是否滲水的電導率法[4]，以及利用同位素示蹤技術(shù)的方法[5]、超聲波法、地質(zhì)雷達法[6]等。

但是以上檢測方法在對結(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)學研究中的EIT原理[8]，即根據(jù)敏感場內(nèi)電阻率的分布來判斷物場內(nèi)媒質(zhì)的分布[9],其通過在被測物體表面注入激勵電流并測量被測物邊界電壓，利用麥克斯韋方程和有限元法進行逆運算，從而得到物體內(nèi)部的電導率分布來實現(xiàn)功能成像[10]。這種成像技術(shù)具有非侵入性、無損傷、無輻射、低成本及功能性成像等特點[11]，在醫(yī)學界[12]和工業(yè)界[13]得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。筆者針對結(jié)構(gòu)工程常用的水泥基材料滲水進行可視化處理和分析，采用EIT技術(shù)對水泥圓盤試件的滲水進行圖像重建，并與紅外熱成像檢測結(jié)果進行了對比。

1 試驗系統(tǒng)、試件與方法

采用圓盤型水泥試件(見圖1)進行試驗，試驗中將水滴到試件表面，用水的擴散模擬滲水。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，用紅外熱像儀檢測，作對比試驗。

圖1 試驗試件

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、灌砂法專用標準砂，水灰比0.6，澆筑成直徑110 mm，厚10 mm的圓盤形試件。澆筑后放入溫度為(20±2) ℃，相對濕度為95%以上的養(yǎng)護箱里養(yǎng)護24 h，脫模后入水養(yǎng)護21 d。試驗前對圓盤試件外環(huán)進行打磨，以便與電極良好接觸，減小接觸阻抗引起的測量誤差。1.2 試驗系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)如圖2所示，包括計算機(數(shù)據(jù)處理及計算成像)、交流電流源(美國吉時利微電流源Model 6221)、交流電壓采集儀(安捷倫34970A)、可編程單片機高速切換開關(guān)、自制電極夾具(高10 mm，寬4 mm，均布16個電極)。其工作過程為高速切換開關(guān)按照相鄰激勵法[14]從16電極中選擇激勵電極對，同時電壓采集儀器完成對其他電極對的電壓數(shù)據(jù)采集，并上傳到計算機中作為圖像重建的原始數(shù)據(jù)，運用基于等位線反投影方法的電阻抗成像技術(shù)進行圖像重構(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?，通過夾具壓力以及在銅片與被測體之間涂抹導電銀膠減小接觸電阻的影響。由于混凝土的電導率較小，為保證試件場域內(nèi)電流恒定，激勵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)動模式采集，電流源輸出恒定交流電流，由高速切換開關(guān)切換激勵電極對。對于16個電極的系統(tǒng)，16次激勵，每次得到13個電壓測量值，共可得到208(16×13)個電壓測量值，相鄰驅(qū)動模式激勵、測量具體操作順序如表1 所示，表中數(shù)字代表電極編號，編號規(guī)則如圖1所示。

表1 相鄰激勵電流注入與電壓測量

1.3 圖像重建算法

1.3.1 動態(tài)成像原理

設(shè)場域內(nèi)電阻率ρ0分布均勻，在電流激勵下，場域內(nèi)電流的流向也是均勻分布的，如圖3(a)所示。當被測場域內(nèi)出現(xiàn)電阻率發(fā)生變化的目標物(圖3中電導率為p的區(qū)域)時，場域內(nèi)電流流向也會在相應(yīng)區(qū)域發(fā)生變化，從而引起場域邊界電極間的電勢差發(fā)生變化；EIT動態(tài)成像利用這一變化，通過逆運算實現(xiàn)對目標物的成像。如圖3所示,電阻抗成像原理就是利用場域電流變化引起的邊界電勢差(電壓)變化值，代入麥克斯韋方程，反算出場域內(nèi)的電阻抗分布和進行圖像顯示，以此判斷滲水位置和范圍的。

1.3.2 動態(tài)成像重建算法

EIT問題求解是從麥克斯韋電磁場方程入手,推導出電磁場問題的數(shù)學模型[16]的。

(1)

圖3 電阻率不同的目標物附近的電流線分布對比

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

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

(2)

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

筆者采用等位線反投影法[18]進行電阻抗成像圖像重構(gòu)。等位線反投影法利用兩個不同時刻的測量數(shù)據(jù)，通過圖像重構(gòu)算法來獲得這兩個時刻場域電導率分布的差值，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)合開源程序Netgen[19]進行網(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 試驗結(jié)果及對比分析

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動態(tài)成像圖，其右側(cè)顏色條表示變化電導率，紅色表示增大，為正值；藍色表示減小，為負值；沒有變化用白色表示。圖5(b)中顏色越淺表示電導率變化越小，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)果對比

動態(tài)成像技術(shù)利用電導率變化進行成像，理論上在滲水的范圍才會發(fā)生電阻變化，因為水的滲入會引起該區(qū)域的電阻降低，則電導率變化值Δp為正值，而沒有滲水的區(qū)域電阻不變，電導率變化值Δρ為零。從圖5(b)分析，對比試件的實際照片(見圖1)，EIT成像結(jié)果可比較準確地檢測出水泥基試件的滲水位置、大致形狀；但因EIT逆運算中輸入的有效電壓數(shù)據(jù)有限，而求解的單元數(shù)遠大于輸入電壓數(shù)據(jù)，使得雅可比矩陣條件數(shù)太少，而存在嚴重的病態(tài)性，故實際的成像圖中會有較多的偽影和噪點，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，即電導率變化Δρ為零。

將EIT逆運算結(jié)果進行二值化處理，成像結(jié)果呈現(xiàn)明顯對比的視覺效果，如圖6(c)所示，可見重影和偽影都已經(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電銀膠溢出所致，此處并未對成像效果造成干擾，忽略不計。分別對試件實際照片、紅外熱成像圖像及EIT成像圖像建立同等坐標系如圖6所示，并可計算出滲水區(qū)域的面積、周長和重心坐標。

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

實際照片和EIT圖像的滲水區(qū)域計算結(jié)果及誤差見表2。

表2 滲水區(qū)域形狀參數(shù)

表中誤差為EIT成像與實際照片的對比，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%，其為兩圖形心坐標間距與試件直徑的百分比。面積與周長的誤差較大，而且EIT的計算值偏大；原因可能是經(jīng)過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。

需要指出的是，目測方法和紅外線成像方法都需要位于滲水面的一側(cè)，才能進行有效檢測。而采用EIT方法時，根據(jù)電學原理，電流注入時會流經(jīng)整個區(qū)域，進而采集電壓數(shù)據(jù)進行逆運算成像實現(xiàn)滲水的檢測，克服了以上限制，可適用于無法直接目測的結(jié)構(gòu)內(nèi)部或背面的滲水檢測。

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

3 結(jié)論

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

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

(3) 動態(tài)EIT方法檢測結(jié)構(gòu)物滲水時，需采集兩次電壓才能進行一次圖像重建，并需將電極預先置于結(jié)構(gòu)物中以實現(xiàn)初始值的測量，從而實現(xiàn)滲水情況的實時監(jiān)測，檢測結(jié)果可為滲水處理提供持續(xù)可信的依據(jù)。

(4) 動態(tài)EIT方法檢測結(jié)構(gòu)物滲水時，如果預先未設(shè)置傳感器(未埋設(shè)電極)，會遇到初始電壓測量無法采集的情況，這時可采用靜態(tài)成像算法，利用電阻抗的絕對值進行圖像顯示，一次測量即可成像，則EIT技術(shù)的實用性會更廣。由于靜態(tài)成像算法無法通過兩次電壓差值來有效減小測量誤差，故對EIT系統(tǒng)的測量精度要求極高，但隨著EIT硬件系統(tǒng)的優(yōu)化和成像算法的改進，EIT方法用于混凝土結(jié)構(gòu)工程滲水檢測的可行性會進一步加強。

[1] 蔣濟同, 范曉義. 紅外熱像技術(shù)在混凝土檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].無損檢測,2011,33(2):52-55.

[2] FENG Q, WANG G,R?SHOFF K. Detection of water leakage sing laser images from 3D laser scanning data[J].IAEG, 2006, 750: 1-7.

[3] 徐云乾, 黃春華, 陸雪萍,等. 高密度電阻率法在水庫壩肩滲漏隱患檢測中的應(yīng)用[J]. 無損檢測, 2016, 38(5): 41-68.

[4] 程姝菲,黃宏偉.盾構(gòu)隧道長期滲漏水檢測新方法[J]. 地下空間與工程學報,2014, 10(3): 126-130.

[5] 張敏, 劉元繪. 同位素示蹤技術(shù)在洪澤湖大堤滲水檢測中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2003(1):39-41.

[6] 水中和, 周紫晨, 袁新順,等.混凝土結(jié)構(gòu)物滲漏檢測技術(shù)[J]. 無損檢測, 2009, 31(10):832-835.

[7] 王振宇. 土木工程的層析成像與廣義反演研究[D]. 杭州：浙江大學, 2003.

[8] BROWN B H, BARBER D C. Electrical impedance tomography, the construction and application to physiological measurement of electrical impedance images[J]. Medical Progress through Technology, 1987, 13(2):69-75.

[9] 任超世. EIT——一種誘人的醫(yī)學成像新技術(shù)[J]. 電子商務(wù), 1996(5):9-13.

[10] 徐管鑫. 電阻抗成像技術(shù)理論及應(yīng)用研究[D]. 重慶：重慶大學, 2004: 80-81.

[11] 徐桂芝.基于EIT技術(shù)的腦內(nèi)電特性與功能成像研究[D]. 天津:河北工業(yè)大學, 2002.

[12] HOU T C, LYNCH J P. Electrical impedance tomographic methods for sensing strain fields and crack damage in cementitious structures[J]. Journal of Intelligent Material Systems & Structures, 2009, 20(11):1363-1379.

[13] 楊劍雄, 李星恕, 崔猛. 基于EIT的土壤中油菜根莖檢測[J]. 農(nóng)機化研究, 2015(3):187-190.

[14] BROWN B H, SEAGAR A D. The Sheffield data collection system[J]. Clinical Physics & Physiological Measurement, 1987, 8(4A):91-7.

[15] BARBER D C, BROWN B H. Applied potential tomography[J]. Journal of the British Interplanetary Society, 1989, 42(7):1680-1684.

[16] GRAHAM B M, ADLER A. Electrode placement configurations for 3D EIT[J]. Physiological Measurement, 2007, 28(7): 29-44.

[17] 徐桂芝,李穎.生物醫(yī)學電阻抗成像原理[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[18] 何為,羅辭勇,徐征,等.電阻抗成像原理[M].北京: 科學出版社, 2009.

[19] ADLER A, LIONHEART W R. Uses and abuses of EIDORS: an extensible software base for EIT.[J]. Physiological Measurement, 2010, 27(5):25-42.

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，主要研究方向為高性能復合材料及其工程應(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