談電阻層析成像系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：針對傳統(tǒng)電阻層析成像系統(tǒng)中的激勵模式以及電極的布置方式，介紹了相關(guān)研究，同時改進(jìn)設(shè)計了一種新的ERT系統(tǒng)裝置，采用了新的電極設(shè)置方式，有效減弱了同等條件下電極本身對測試結(jié)果的影響；同時基于該裝置，對電極的受力情況在ERT系統(tǒng)中對檢測結(jié)果的影響進(jìn)行了初步研究。

關(guān)鍵詞：電阻層析成像；電極布置方式；電極受力；硬件系統(tǒng)

引言

電層析成像技術(shù)（ElectricalTomography，簡稱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)（ElectricalResistanceTomography，簡稱ERT），根據(jù)不同被測對象的電導(dǎo)率分布，可以推知被測對象的介質(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。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，隨著我國航空業(yè)的快速發(fā)展，對于飛機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)和定檢等工作也要求更加快速、簡單、可靠，而ERT技術(shù)作為一種簡便、高效、非侵入式的檢測方式，其在航空材料上的應(yīng)用值得研究。該文中筆者主要針對ERT技術(shù)中電極相關(guān)的研究進(jìn)行了部分總結(jié)，同時為了對電極的布置方式進(jìn)行某些改進(jìn)以及研究電極的受力情況對測試結(jié)果的影響，設(shè)計了一種新的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。

1ERT技術(shù)及其電極激勵模式介紹

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。控制部分用來控制激勵電極和測量電極的選擇與通斷；數(shù)據(jù)采集處理部分會采集測量電極對的電信號并進(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，就可得到被測對象中的電導(dǎo)率分布圖像，根據(jù)該圖像的分布情況即可進(jìn)一步分析出被測對象的狀態(tài)。在激勵模式上，不同的側(cè)重點(diǎn)有不同的分類方法。從激勵源的角度來說，目前常用的是電流激勵-電壓測量模式，除此之外還有電壓激勵方式，但該方式受到電極與被測對象之間的接觸阻抗影響較大。而在激勵電極位置的方面來說，主要分為相鄰激勵-測量方式、對角激勵-測量方式、相對激勵-測量方式三種，這幾種方式的主要區(qū)別在于激勵電極對和測量電極對的選取上存在差別。典型的相鄰激勵-測量方式是以任意相鄰兩電極作為激勵電極對，在該激勵電極對上施加激勵信號，依次測量除激勵電極對之外的其他相鄰電極對上的電壓；然后，選取下一相鄰電極對輸入激勵信號，重復(fù)此過程直至所有相鄰電極對被激勵并獲取所有的測量數(shù)據(jù)，這樣才是一個完整的測量過程。對于對角激勵-測量方式而言，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電流，并測量非激勵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)立測量數(shù)據(jù)，且成像質(zhì)量更高，但是測量方式相對復(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。相對激勵-測量方式是將激勵信號施加于相對位置的兩個電極上，并選取與激勵電極相鄰的一個電極作為參考電極，將該參考電極依次與其他非激勵電極構(gòu)成測量電極對并進(jìn)行測量，該種方式相比于相鄰方式來說，獨(dú)立測量數(shù)據(jù)的個數(shù)較少，且被測對象邊界的靈敏度較低，因此實(shí)際也較少應(yīng)用。

2ERT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，除了激勵模式之外主要就是電極以及電極與被測對象之間的接觸形式。就目前的研究來看，涉及到工業(yè)多相流檢測時，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的研究中，由于實(shí)驗用試塊的特殊性，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，也同樣會在圖像邊緣形成明顯的變化。

3ERT系統(tǒng)硬件裝置的改進(jìn)設(shè)計

為了避免對被測對象產(chǎn)生附加損傷、盡可能減少對檢測結(jié)果的影響，設(shè)計了一種簡易的檢測裝置，該裝置的設(shè)計初衷主要用于航空材料損傷的檢測，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。在該裝置中，升降架可以采用人工手動調(diào)節(jié)（如圖4），也可以采用導(dǎo)軌或絲杠等裝置自動調(diào)節(jié)（如圖3所示，便是采用絲杠調(diào)節(jié)），極大地簡化了工作程序。被測樣品放置于底座之上，電極位于電極固定板上，在測試開始時將電極固定板下降至電極與被測樣品良好接觸，采用此種方式可以減小嵌入式電極對測試結(jié)果的影響；同時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。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測試結(jié)果的影響，只需要根據(jù)不同的受力條件對應(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)驗設(shè)備，以便更好地調(diào)節(jié)受力情況或其他實(shí)驗條件。在該裝置中，當(dāng)需要更換被測件時，只需要升起電極固定板更換被測樣品、調(diào)節(jié)電極即可，省去了重復(fù)制備被測樣品的過程，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)計的改進(jìn)裝置中，進(jìn)行了簡單的實(shí)驗驗證，結(jié)果表明，在該裝置中，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對材料損傷的檢測，同時有效減弱了電極周圍的電導(dǎo)率分布對整體結(jié)果的影響。在添加安裝壓力傳感器及其變送器之后，對于電極受力的影響研究也能夠開展，驗證了該裝置的實(shí)用性。本文的不足之處在于，當(dāng)實(shí)驗條件對電極的位置要求較高時，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，受力的變化范圍還不夠?qū)?，后續(xù)針對此問題的研究可從電極的結(jié)構(gòu)方面入手。

作者：何建 于海州 吳玉簫 單位：中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院