電阻層析成像系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

何建，于海州，吳玉簫

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢，618307）

0 引言

電層析成像技術(shù)（Electrical Tomography，簡(jiǎn)稱ET）形成于上世紀(jì)80 年代，在其發(fā)展過程中，形成了一種基于電阻分布原理的分支--電阻層析成像技術(shù)（Electrical Resistance Tomography，簡(jiǎn)稱ERT），根據(jù)不同被測(cè)對(duì)象的電導(dǎo)率分布，可以推知被測(cè)對(duì)象的介質(zhì)分布情況。該技術(shù)在發(fā)展初期主要用途是檢測(cè)監(jiān)控工業(yè)上多相流的狀態(tài)，在之后的發(fā)展中逐步開始用于工程結(jié)構(gòu)或工業(yè)產(chǎn)品的內(nèi)部檢測(cè)。

由于近年來復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛使用，ERT技術(shù)在復(fù)合材料損傷缺陷檢測(cè)上的應(yīng)用成為新的研究方向之一。特別是在民用航空領(lǐng)域，隨著我國(guó)航空業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于飛機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)和定檢等工作也要求更加快速、簡(jiǎn)單、可靠，而ERT 技術(shù)作為一種簡(jiǎn)便、高效、非侵入式的檢測(cè)方式，其在航空材料上的應(yīng)用值得研究。

該文中筆者主要針對(duì)ERT 技術(shù)中電極相關(guān)的研究進(jìn)行了部分總結(jié)，同時(shí)為了對(duì)電極的布置方式進(jìn)行某些改進(jìn)以及研究電極的受力情況對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了一種新的ERT系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，以便于后期進(jìn)行更加深入和全面的研究。

1 ERT 技術(shù)及其電極激勵(lì)模式介紹

電阻層析成像（ERT）系統(tǒng)主要包括控制部分、數(shù)據(jù)采集處理部分以及圖像重建部分等，系統(tǒng)主要部分構(gòu)成如圖1所示。

圖1 ERT 系統(tǒng)主要部分簡(jiǎn)圖

控制部分用來控制激勵(lì)電極和測(cè)量電極的選擇與通斷；數(shù)據(jù)采集處理部分會(huì)采集測(cè)量電極對(duì)的電信號(hào)并進(jìn)行初步處理，并將獲取到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制計(jì)算機(jī)；圖像重建部分則利用獲得的數(shù)據(jù)，通過合適的圖像重建算法進(jìn)行處理，就可得到被測(cè)對(duì)象中的電導(dǎo)率分布圖像，根據(jù)該圖像的分布情況即可進(jìn)一步分析出被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)。

在激勵(lì)模式上，不同的側(cè)重點(diǎn)有不同的分類方法。從激勵(lì)源的角度來說，目前常用的是電流激勵(lì)-電壓測(cè)量模式，除此之外還有電壓激勵(lì)方式，但該方式受到電極與被測(cè)對(duì)象之間的接觸阻抗影響較大。而在激勵(lì)電極位置的方面來說，主要分為相鄰激勵(lì)-測(cè)量方式、對(duì)角激勵(lì)-測(cè)量方式、相對(duì)激勵(lì)-測(cè)量方式三種，這幾種方式的主要區(qū)別在于激勵(lì)電極對(duì)和測(cè)量電極對(duì)的選取上存在差別。

典型的相鄰激勵(lì)-測(cè)量方式是以任意相鄰兩電極作為激勵(lì)電極對(duì)，在該激勵(lì)電極對(duì)上施加激勵(lì)信號(hào)，依次測(cè)量除激勵(lì)電極對(duì)之外的其他相鄰電極對(duì)上的電壓；然后，選取下一相鄰電極對(duì)輸入激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)此過程直至所有相鄰電極對(duì)被激勵(lì)并獲取所有的測(cè)量數(shù)據(jù)，這樣才是一個(gè)完整的測(cè)量過程。

對(duì)于對(duì)角激勵(lì)-測(cè)量方式而言，則是確定參考電流和參考電壓電極，然后以間隔方式依次注入激勵(lì)電流，并測(cè)量非激勵(lì)電極和電壓參考電極的電壓值，該種方式能獲得更多的獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)，且成像質(zhì)量更高，但是測(cè)量方式相對(duì)復(fù)雜、硬件投入較大、降低了圖像重建的速度，故而實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。

相對(duì)激勵(lì)-測(cè)量方式是將激勵(lì)信號(hào)施加于相對(duì)位置的兩個(gè)電極上，并選取與激勵(lì)電極相鄰的一個(gè)電極作為參考電極，將該參考電極依次與其他非激勵(lì)電極構(gòu)成測(cè)量電極對(duì)并進(jìn)行測(cè)量，該種方式相比于相鄰方式來說，獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)較少，且被測(cè)對(duì)象邊界的靈敏度較低，因此實(shí)際也較少應(yīng)用。

圖2 幾種激勵(lì)模式示例

2 ERT 系統(tǒng)電極設(shè)置方式

電阻層析成像系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，除了激勵(lì)模式之外主要就是電極以及電極與被測(cè)對(duì)象之間的接觸形式。就目前的研究來看，涉及到工業(yè)多相流檢測(cè)時(shí)，電極的布置方式基本都是采用貼片式，即在管道外壁或者內(nèi)壁粘貼電極片，如在張明超關(guān)于ERT 系統(tǒng)的研究中所搭建的固液兩相流測(cè)量裝置以及袁全、楊道業(yè)等人以自來水為單一連續(xù)相進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)裝置中，均是采用內(nèi)壁粘貼嵌套電極片的方式。

而在關(guān)于材料損傷檢測(cè)方面則多采用嵌入的方式布置電極，例如范文茹、王勃等人在2019 年用于碳釬維復(fù)合材料的研究中就是采用嵌入式銅釘作為電極，將電極直接嵌入碳釬維復(fù)材板之中，該種方式克服了復(fù)合材料的各向異性，使采集到的電信號(hào)較強(qiáng)，也能夠保持接觸穩(wěn)定，但是嵌入的電極處由于材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化也對(duì)材料內(nèi)部的電導(dǎo)率分布產(chǎn)生了一定影響，從其初始的圖像重建結(jié)果上也能看到這一點(diǎn)。

除此之外，在孫世棟、秦磊等人將ERT 技術(shù)用于混凝土鋼筋銹蝕無損檢測(cè)的研究中，由于實(shí)驗(yàn)用試塊的特殊性，電極則采用了預(yù)先埋入式，即在制備混凝土鋼筋試塊時(shí)將電極一同埋入，該種方式在形式上可歸于嵌入式一類，在最終圖像重建時(shí)，也同樣會(huì)在圖像邊緣形成明顯的變化。

3 ERT 系統(tǒng)硬件裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了避免對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生附加損傷、盡可能減少對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的檢測(cè)裝置，該裝置的設(shè)計(jì)初衷主要用于航空材料損傷的檢測(cè)，例如航空上常用的鋁合金板材以及復(fù)合材料板材。

該結(jié)構(gòu)主要分為底座、升降架、電極固定板和蓋板，其三維模型如圖3-4 所示。

圖3 ERT 系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖一

在該裝置中，升降架可以采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)（如圖4），也可以采用導(dǎo)軌或絲杠等裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)（如圖3 所示，便是采用絲杠調(diào)節(jié)），極大地簡(jiǎn)化了工作程序。被測(cè)樣品放置于底座之上，電極位于電極固定板上，在測(cè)試開始時(shí)將電極固定板下降至電極與被測(cè)樣品良好接觸，采用此種方式可以減小嵌入式電極對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；同時(shí)電極還可以沿徑向調(diào)節(jié)，從而能夠良好適應(yīng)不同尺寸的樣品。

圖4 ERT 系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖二

圖5 電極固定板簡(jiǎn)圖

除此之外，該裝置的另一用途就是可以研究電極受力的不同對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，只需要根據(jù)不同的受力條件對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)電極固定板的下降程度，便可設(shè)定不同的力值。對(duì)于第二種裝置而言，電極蓋板的作用除了與電極固定板配合，更好的固定電極之外，還可以在該部分安裝壓力傳感器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以便更好地調(diào)節(jié)受力情況或其他實(shí)驗(yàn)條件。

圖6 ERT 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

在該裝置中，當(dāng)需要更換被測(cè)件時(shí)，只需要升起電極固定板更換被測(cè)樣品、調(diào)節(jié)電極即可，省去了重復(fù)制備被測(cè)樣品的過程，減輕了研究工作的工作量，加快研究過程。

4 結(jié)語與展望

在設(shè)計(jì)的改進(jìn)裝置中，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，在該裝置中，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料損傷的檢測(cè)，同時(shí)有效減弱了電極周圍的電導(dǎo)率分布對(duì)整體結(jié)果的影響。在添加安裝壓力傳感器及其變送器之后，對(duì)于電極受力的影響研究也能夠開展，驗(yàn)證了該裝置的實(shí)用性。

本文的不足之處在于，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)電極的位置要求較高時(shí)，該裝置的控制還不夠精確；另一方面，在進(jìn)行電極受力情況變化的研究時(shí)，受力的變化范圍還不夠?qū)?，后續(xù)針對(duì)此問題的研究可從電極的結(jié)構(gòu)方面入手。