电阻抗成像技术在水泥基材料渗水检测中的应用

周小勇，余佳干，李田军，周传波

(中国地质大学(武汉), 武汉 430074)

电阻抗成像技术在水泥基材料渗水检测中的应用

周小勇，余佳干，李田军，周传波

(中国地质大学(武汉), 武汉 430074)

为探索对水泥基材料渗水状态的无损检测新方法，采用动态电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography, EIT)对渗水的水泥圆盘试件进行了断层图像重建。通过搭建16电极EIT系统，基于注入电流采集电压的方式，用相邻电极激励测量方法获得成像数据，运用基于等位线反投影方法的电阻抗成像技术进行图像重构，并对比分析了EIT方法与红外热成像法的优缺点。结果表明：动态EIT方法可以对水泥圆盘的渗水状况进行可视化处理，能定位渗水区域范围；相对红外热成像法，动态EIT方法不仅能检测材料表面渗水状况，还能对不利于目测观察的内部渗水进行检测。该研究可为水泥结构物渗水的原位无损检测提供新的思路和参考。

水泥基材料；渗水；等位线反射投影方法；电阻抗成像；无损检测

现有的混凝土结构渗水检测通常采用人工目测法，存在效率低、主观性强的缺点。近年来，渗水的检测技术得到了一定的重视和发展，应用较多的是红外热成像检测方法[1]。激光无损检测技术能够对地下工程进行全方位扫描，并记录渗水位置和范围[2];高密度电阻法应用于水库坝肩渗漏隐患检测中,能保证检测质量[3];还有温度梯度法、可定性判断是否渗水的电导率法[4]，以及利用同位素示踪技术的方法[5]、超声波法、地质雷达法[6]等。

但是以上检测方法在对结构内部渗水位置和范围的直观定位上存在困难。而采用功能层析成像[7](Computer Tomography)技术，可用功能图像直观地反映出具体渗水位置和范围。笔者引入生物医学研究中的EIT原理[8]，即根据敏感场内电阻率的分布来判断物场内媒质的分布[9],其通过在被测物体表面注入激励电流并测量被测物边界电压，利用麦克斯韦方程和有限元法进行逆运算，从而得到物体内部的电导率分布来实现功能成像[10]。这种成像技术具有非侵入性、无损伤、无辐射、低成本及功能性成像等特点[11]，在医学界[12]和工业界[13]得到广泛关注和应用。笔者针对结构工程常用的水泥基材料渗水进行可视化处理和分析，采用EIT技术对水泥圆盘试件的渗水进行图像重建，并与红外热成像检测结果进行了对比。

1 试验系统、试件与方法

采用圆盘型水泥试件(见图1)进行试验，试验中将水滴到试件表面，用水的扩散模拟渗水。滴水前采集一次电压数据，滴水10 min再采集一次数据；同时，用红外热像仪检测，作对比试验。

图1 试验试件

图2 EIT硬件系统

1.1 试件制备 试件材料为普通硅酸盐水泥、粉煤灰、灌砂法专用标准砂，水灰比0.6，浇筑成直径110 mm，厚10 mm的圆盘形试件。浇筑后放入温度为(20±2) ℃，相对湿度为95%以上的养护箱里养护24 h，脱模后入水养护21 d。试验前对圆盘试件外环进行打磨，以便与电极良好接触，减小接触阻抗引起的测量误差。1.2 试验系统

1.2.1 系统组成

试验系统如图2所示，包括计算机(数据处理及计算成像)、交流电流源(美国吉时利微电流源Model 6221)、交流电压采集仪(安捷伦34970A)、可编程单片机高速切换开关、自制电极夹具(高10 mm，宽4 mm，均布16个电极)。其工作过程为高速切换开关按照相邻激励法[14]从16电极中选择激励电极对，同时电压采集仪器完成对其他电极对的电压数据采集，并上传到计算机中作为图像重建的原始数据，运用基于等位线反投影方法的电阻抗成像技术进行图像重构[15]。

1.2.2 图像重建数据采集

电极带为宽5 mm的铜片，自制夹具由激光钻孔以保证16电极均匀对中分布，通过夹具压力以及在铜片与被测体之间涂抹导电银胶减小接触电阻的影响。由于混凝土的电导率较小，为保证试件场域内电流恒定，激励电流选择恒定微交流电流(10 mA,1.5 kHz)。

数据用相邻驱动模式采集，电流源输出恒定交流电流，由高速切换开关切换激励电极对。对于16个电极的系统，16次激励，每次得到13个电压测量值，共可得到208(16×13)个电压测量值，相邻驱动模式激励、测量具体操作顺序如表1 所示，表中数字代表电极编号，编号规则如图1所示。

表1 相邻激励电流注入与电压测量

1.3 图像重建算法

1.3.1 动态成像原理

设场域内电阻率ρ0分布均匀，在电流激励下，场域内电流的流向也是均匀分布的，如图3(a)所示。当被测场域内出现电阻率发生变化的目标物(图3中电导率为p的区域)时，场域内电流流向也会在相应区域发生变化，从而引起场域边界电极间的电势差发生变化；EIT动态成像利用这一变化，通过逆运算实现对目标物的成像。如图3所示,电阻抗成像原理就是利用场域电流变化引起的边界电势差(电压)变化值，代入麦克斯韦方程，反算出场域内的电阻抗分布和进行图像显示，以此判断渗水位置和范围的。

1.3.2 动态成像重建算法

EIT问题求解是从麦克斯韦电磁场方程入手,推导出电磁场问题的数学模型[16]的。

(1)

图3 电阻率不同的目标物附近的电流线分布对比

式(1)确定了模型参数σ与可测量参数φ之间的函数关系。已知φ得到电导率σ的分布即为EIT逆问题的求解。

根据高斯散度定理,可得出电导率分布和边界测量电压的敏感关系[17],式(2)为重构阻抗图像的理论基础。

(2)

式中：u为输入单位电流时所测量的电压；Ω为闭合的场域；ψ和φ是σ的函数。

笔者采用等位线反投影法[18]进行电阻抗成像图像重构。等位线反投影法利用两个不同时刻的测量数据，通过图像重构算法来获得这两个时刻场域电导率分布的差值，从而重构出一幅差分图像。

1.3.3 有限元网格划分

采用MATLAB软件结合开源程序Netgen[19]进行网格划分和显示，采用三角形单元，有限元模型中单元总数为1 318，节点总数为700，电极数为16。有限元网格划分的疏密度即为重建图像的分辨率。图像重建有限元网络划分如图4所示。

图4 图像重建有限元网格划分

2 试验结果及对比分析

滴水10 min后的EIT重建图像与红外热成像仪同步得到的图像如图5所示。图5(a)为红外热成像图像，其背景基本上是绿色，图中淡蓝色圆形区域即为渗水部分，显示表面温度约17.1 ℃。图5(b)为EIT动态成像图，其右侧颜色条表示变化电导率，红色表示增大，为正值；蓝色表示减小，为负值；没有变化用白色表示。图5(b)中颜色越浅表示电导率变化越小，其大部分区域颜色较浅；渗水区域呈现明显的深红色，且向外逐渐变淡，由此可直观地判断出渗水的中心位置和大概范围。

图5 试件的红外热成像与EIT成像结果对比

动态成像技术利用电导率变化进行成像，理论上在渗水的范围才会发生电阻变化，因为水的渗入会引起该区域的电阻降低，则电导率变化值Δp为正值，而没有渗水的区域电阻不变，电导率变化值Δρ为零。从图5(b)分析，对比试件的实际照片(见图1)，EIT成像结果可比较准确地检测出水泥基试件的渗水位置、大致形状；但因EIT逆运算中输入的有效电压数据有限，而求解的单元数远大于输入电压数据，使得雅可比矩阵条件数太少，而存在严重的病态性，故实际的成像图中会有较多的伪影和噪点，如图中红色区域外显示了较多的淡黄色和淡青色分布，而这些位置理论上应该都应显示为白色，即电导率变化Δρ为零。

将EIT逆运算结果进行二值化处理，成像结果呈现明显对比的视觉效果，如图6(c)所示，可见重影和伪影都已经消除，可以清晰地看到渗水的部位和范围。图中电极附近的重影是电极接触面的导电银胶溢出所致，此处并未对成像效果造成干扰，忽略不计。分别对试件实际照片、红外热成像图像及EIT成像图像建立同等坐标系如图6所示，并可计算出渗水区域的面积、周长和重心坐标。

图6 试件实际照片、红外热成像图像与EIT二值化处理后的成像结果对比

实际照片和EIT图像的渗水区域计算结果及误差见表2。

表2 渗水区域形状参数

表中误差为EIT成像与实际照片的对比，因实际图像的参数由人工处理，误差结果具有一定的主观性，但也可以验证EIT方法的可行性。其中形心误差为4.3%，其为两图形心坐标间距与试件直径的百分比。面积与周长的误差较大，而且EIT的计算值偏大；原因可能是经过10 min，水滴已经渗入水泥基体，而照片只能看到表面的渗水情况，EIT的结果反映了水的内部渗透情况，从图6(c)中红色区域外的重影可较为清楚地体现出来。

需要指出的是，目测方法和红外线成像方法都需要位于渗水面的一侧，才能进行有效检测。而采用EIT方法时，根据电学原理，电流注入时会流经整个区域，进而采集电压数据进行逆运算成像实现渗水的检测，克服了以上限制，可适用于无法直接目测的结构内部或背面的渗水检测。

由以上分析可知，EIT成像技术对水泥基材料渗水的位置、范围的检测是可行的。

3 结论

(1) 动态EIT成像技术可以实现水泥基材料的渗水检测，采用二值化处理图像后更加直观，便于图像质量评价。与红外热成像技术检测法相比，该方法受环境影响小，也适用于不适合肉眼观测的结构物渗水检测。

(2) EIT技术对水泥基材料渗水状况检测的重建图形与实际渗水形状存在一定的差异，但能够比较准确地检测出渗水的位置和大小。

(3) 动态EIT方法检测结构物渗水时，需采集两次电压才能进行一次图像重建，并需将电极预先置于结构物中以实现初始值的测量，从而实现渗水情况的实时监测，检测结果可为渗水处理提供持续可信的依据。

(4) 动态EIT方法检测结构物渗水时，如果预先未设置传感器(未埋设电极)，会遇到初始电压测量无法采集的情况，这时可采用静态成像算法，利用电阻抗的绝对值进行图像显示，一次测量即可成像，则EIT技术的实用性会更广。由于静态成像算法无法通过两次电压差值来有效减小测量误差，故对EIT系统的测量精度要求极高，但随着EIT硬件系统的优化和成像算法的改进，EIT方法用于混凝土结构工程渗水检测的可行性会进一步加强。

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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，讲师，主要研究方向为高性能复合材料及其工程应用，工程结构数值分析。

周小勇，E-mail:xyz@cug.edu.cn。

10.11973/wsjc201704006

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0026-05