基于电阻抗断层成像技术的传感皮肤在混凝土损伤检测中的应用研究

Aku SEPPÄNEN（芬兰），Milad HALLAJI（美国），Mohammad POUR-GHAZ（美国）（.东芬兰大学应用物理系；.北卡罗来纳州立大学土木施工及环境工程系）



基于电阻抗断层成像技术的传感皮肤在混凝土损伤检测中的应用研究

Aku SEPPÄNEN1（芬兰），Milad HALLAJI2（美国），Mohammad POUR-GHAZ2（美国）
（1.东芬兰大学应用物理系；2.北卡罗来纳州立大学土木施工及环境工程系）

提出了一种基于电的传感皮肤，可以应用于混凝土结构损伤检测。该传感皮肤由一层薄薄的导电性铜漆层构成，可以附着在混凝土表面，混凝土基体开裂会导致传感皮肤破裂，降低附近传感皮肤的电导率，通过电阻抗断层成像（EIT）技术可以检测到电导率的下降。文章总结了在聚合物基体和钢筋混凝土上进行试验的最新研究成果。此外，最新成果表明，重建图像的分辨率可以进一步提高。

传感皮肤；损伤检测；钢筋混凝土；电阻抗断层成像技术

0　前言

对于核废料储存设施等关键基础设施，设置混凝土结构缺陷预警系统至关重要。借助这样一个系统，可以在结构可能发生重大损伤前采取修复和维护公共安全的措施。

目前存在多种混凝土裂缝无损检测方法［1-3］。由于预警系统需要连续监测，基于电的方法比较快速、廉价，适用于预警系统，同时也可以应用于大规模监测。除提供混凝土开裂的信息外，电气测量还可以提供关于裂缝尺寸的信息［4］。其中，电阻抗断层成像（Electrical Impedance Tomography，简称EIT）技术有希望可以显示裂缝的三维几何形状。

裂缝检测的电气方法通常是在混凝土表面进行间接测量，检测由裂缝引起的混凝土电导率变化情况。另一种方法是使用导电表面传感器，即在混凝土结构表面上涂刷一层薄薄的导电材料，并监测该薄层电导率的变化情况，当混凝土表面产生裂缝时，会导致该薄层破裂，降低局部电导率。通过检测该薄层电导率的变化，可以确定混凝土表面裂缝。

目前已经开发了一维和二维的导电表面传感器。文献［8-10］中，狭窄、一维的导电银条涂料被应用于水泥基材表面，通过测量银条的电阻来检测裂缝。文献［11］中，利用铜基薄膜作为导电表面传感器，研究混凝土管道埋段在足尺试验下的失事模式。此外，最近也提出了使用纳米管复合材料的一维传感系统［12］。二维导电表面传感器也被称为传感皮肤。文献［13-15］中，碳纳米管薄膜被应用于胶凝材料表面，在基材承受荷载并开裂的过程中，监测这些薄膜的电导率变化。利用EIT来检测二维薄膜的裂缝。

最近，Hallaji和Pour-Ghaz［16］提出了一种基于EIT技术的新型传感皮肤，可以涂抹在基材表面。实验结果表明，涂抹的传感皮肤可以检测出基材表面裂缝的发生。文献［17］中，通过开发先进的图像重建算法，裂缝检测的精度和可靠性得到了改善。文章总结了文献［16］和［17］的研究成果，并讨论了该方法在混凝土结构损伤在线监测上的适用性。此外，笔者还进行了初步研究，以进一步改进基于EIT技术的传感皮肤的应用。

1　基于EIT技术的涂抹传感皮肤

文献［16］和［17］使用一组附着在基材表面的电极作为测量装置。传感皮肤涂抹在基材和电极的上方。文献［16］的传感皮肤使用银漆制成，文献［17］则是利用铜漆。在测量过程中，在各个电极对之间输入一组电流，对应每个输入的电流，测量所有电极上的电势。这组测量数据用于重建传感皮肤上电导率的空间分布。

上述成像方式被称为EIT技术。在大多数应用中，成像物体是三维的，需要三维电导率分布的成像。但是在传感皮肤应用中，成像物体基本上是二维的：传感皮肤的厚度是微米级的，而其他尺寸是以厘米为单位，因此，垂直于表面方向上的电流影响可以忽略不计。如文献［17］所述，这当然需要电流不进入基材。

EIT是一种扩散成像方式，即输入的电流以扩散的方式通过物体。在数学上，EIT及其他扩散方式的图像重建问题是一个不适定逆问题［18］。这意味着标准的解决方案（如最小二乘法或最大似然估计）是非唯一的，或对模型误差、测量误差的包容性很差。解决非唯一性和估值不稳定的一个办法通常是通过某种方法将其系统化。在贝叶斯反演框架中，电导率分布的先验信息包含在解中。常用的一般正则化方法或先验模型可以促进重建图像的空间平滑。这在一定程度上导致EIT常被认为是一个低分辨率的成像方式。但是，如果电导率的专用先验信息是可用的，有时可以提高重建空间的分辨率。

文献［17］注意到在应用传感皮肤时，对可用电导率特别有价值的先验信息有：（1）对一个完整的传感皮肤，可以进行基准EIT测量，这些测量成果可以用于受损传感皮肤的图像重建上；（2）裂缝或其他损伤导致的电导率分布不均匀性是尖锐的，针对这些特点的一个好模型是先验总变差；（3）当发生裂缝或其他损伤时，从初始状态开始的电导率变化总是非正定的，提供了一个电导率值的上限值。文献［17］中，估计值通过约束优化问题的解来计算：

其中，上限值σref是对应完整传感皮肤的基准电导率估计值；L是关于量测噪声统计特性的一个已知矩阵；U（σ）是未知电导率分布σ和电极电位的可观测量V之间的计算模型。采用有限元法来近似模型［5，17］。此外，ε是从基准测量中获取的一个近似误差项；A（σ）是总变差函数的可微近似。这种方法已被证明是可行的重建方法，可以可靠地揭示裂缝或其他损伤的位置。详细过程见文献［17］。

文献［16］中，采用差分成像方法来进行图像重建。差分成像也利用基准测量数据。然而，标准差分成像依赖于U（σ）模型的全局线性化。由于这种大量近似模型，重建图像通常不能提供非常准确的电导率空间属性信息，给出的结果是定性的性质。另一方面，差分成像可以很快地计算出来，适用于实时监控。

基于EIT技术的传感皮肤有一个明显的局限性，即它只能检测表面破裂的裂缝。但另一方面，它特别适用于干燥表面的裂缝检测，这是其他基于电的方法中最困难的部分。

2　实验和计算部分

图1为文献［17］中试验使用的2种传感皮肤的几何形状。图1中，左图的矩形传感皮肤应用在一个钢筋混凝土梁的一侧，传感皮肤的尺寸为45.7 cm× 10.2 cm，放置了32个电极。对梁进行四点弯曲加载试验，梁的中跨出现一个深3.5 cm的缺口，垂直于梁底部拉伸纤维（拉伸纤维有助于在剪切裂缝出现前形成弯曲裂缝）。梁侧面传感皮肤的EIT测量在加载不同阶段进行。通过目测也可以看出混凝土的裂缝，在整个试验过程中持续拍摄梁表面的照片，用于与EIT重建成果进行验证。图1所示的照片为试验结束时拍摄的，当时一条弯曲裂缝和剪切裂缝及其分支已经出现，并完全发展。

图1右图所示圆形传感皮肤涂刷在聚合物基材（有机玻璃）上，沿其周长范围布置了16个电极。在这些试验中，用锋利的刀划伤传感皮肤。同样地，在传感皮肤受损的不同状态下都进行了EIT测量。

在上一节中曾提到，解决EIT逆问题需要一个描述电导率分布σ和电极电位V之间关系的模型U（σ）。这一模型通常采用有限元法进行近似。在下面的部分中，笔者在圆形传感皮肤中初步研究了有限元近似的细化程度的影响：在文献［17］中，电导率通过一个有970个基的分段线性函数来表示。文中分段线性函数基的数量为1 897。同时，EIT模型有限元法对电位的近似网格也进一步细化。文献［17］中单元的数量为4 106，本文为7 300。

图1　试验中使用的2种传感皮肤几何形状（左图为应用在混凝土梁表面的矩形传感皮肤；右图为应用在聚合物基材上的圆形传感皮肤）Fig.1 Two sensing skin geometries used in the experiments（Left:A rectangular sensing skin applied to the surface of a concrete beam.Right:A circular sensing skin applied to a polymeric substrate）

图2　应用于四点弯曲加载试验的传感皮肤（5个加载阶段）Fig.2 Sensing skin applied to a beam in four-point bending（five different states of loading）

3　结果和讨论

钢筋混凝土梁的试验结果如图2所示，这些成果转载自文献［17］。为了更清晰地展示，对照片（图2左侧）中的裂缝进行突出处理，在EIT重建图像中（图2右侧），深色区域对应低导电率，这是传感皮肤局部受损的表现。显然，可以在EIT图像中观察到裂缝的发生。此外，在开裂的大部分过程中，都可以可靠地获取裂缝的位置，甚至是形状。对试验成果更深入的探讨详见文献［17］。

图3为圆形传感皮肤的试验成果，表示了开裂的8个阶段的结果。为了便于观察，同样对照片中的裂缝进行突出处理。由图3可见，试验再次可靠地获得了裂缝信息。实际上，EIT图像（第2列和第4列）中的不导电条纹与相应照片（第1列和第3列）中裂缝的形状十分相似。

与文献［17］的成果相比，图3中EIT重建图像的精度有明显提高。为了验证这一点，图4将对应于开裂两个阶段的新重建图像与文献［17］得到的图像进行了对比，新的重建图像（第3列）明显优于之前的图像（第2列）。新的图像显示了几处之前图像漏掉的裂缝形状细节。例如，在图4第一行中，实际的裂纹是由三个连接在一起的线段组成，不同于之前的图像，新的图像十分清晰地显示了各分段的形状；在开裂的下一个阶段（图4第2行）中，在第2和第3条裂缝线段交叉点位置有一条小裂缝分支，在新的图像中这个分支的定位相对较好，而之前重建图像的定位则没有体现。

图3　应用于聚合物基材上的圆形传感皮肤（第1和第3列为传感皮肤发生损伤的8个不同状态，第2和第4列为相应的EIT重建图像）Fig.3 Circular sensing skin applied to a polymeric substrate（The first and third columns show photographs of the sensing skin with eight different states of damage.The corresponding EIT reconstructions are shown in the second and fourth columns）

如上文所述，图3和文献［17］的EIT重建图像的不同之处在于有限元网格的细化程度。图3和图4所示的裂缝形状细节的重现程度对笔者来说是个意外之喜：虽然使用更精确的有限元模型有可能可以产生更加精确的重建图像，但并不总是如此。笔者必须重申这一事实：EIT是一种扩散成像方式，由于不适定逆问题的存在，即使之前的模型是准确的，重建图像的分辨率一般也普遍较低。但是在这个特定应用中，电导率分布的非常详细的先验信息是可用的，这一信息加上细致的观测模型似乎可以得到极高精度的EIT重建图像。

图4　网格细化程度的影响Fig.4 The effect of mesh refinement

4　结语

笔者探讨了基于EIT的传感皮肤在钢筋混凝土构件损伤检测上的应用研究。该传感皮肤是由一层薄薄的导电性涂料组成，喷涂在基材表面。笔者已经证明，通过这样的方法可以检测到基材表面的裂缝和其他损伤。

除了总结最近两项研究的方法和成果外，在第二个试验案例中作了一个关于网格细化程度的初步试验，以研究传感皮肤应用过程中EIT的精度问题。结果表明精度得到了明显改善，这意味着基于EIT的传感皮肤的分辨率还可以得到进一步改善。图像的精度将决定该方法的使用范围：在某些应用中，时间精度比损伤定位（即空间分布）的精度更加重要；但在其他应用中，可能需要较高的空间分辨率。接下来的研究将集中在确定这种方法的空间分辨率上。

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文献来源：11th European Conference on Non-Destructive Testing

翻译：邱祥兴

校核：许传桂

Title:Electrical impedance tomography-based sensing skin for detection of damage in concrete//by

Aku SEPPÄNEN，Milad HALLAJI and Mohammad POUR-GHAZ//Department of Applied Physics，University of Eastern Finland

In this paper，an electrically-based sensing skin for damage detection in concrete structures is developed.The sensing skin consists of a thin layer of electrically conductive copper paint that is applied to the surface of the concrete.Cracking of the concrete substrate results in a rupture of the sensing skin，decreasing the electrical conductivity of the sensing skin locally.The decrease of the conductivity is detected with electrical impedance tomography（EIT）imaging.This paper summarizes our recent findings based on experimental studies with polymeric substrates and reinforced concrete.We also show new results which suggest that the resolution of the reconstructed images can potentially be further improved.

sensing skin；damage detection；reinforced concrete；electrical impedance tomography （EIT）imaging

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0077-06

2016-04-23