電阻層析成像系統硬件系統設計研究

何建，于海州，吳玉簫

（中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川廣漢，618307）

0 引言

電層析成像技術（Electrical Tomography，簡稱ET）形成于上世紀80 年代，在其發展過程中，形成了一種基于電阻分布原理的分支--電阻層析成像技術（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT），根據不同被測對象的電導率分布，可以推知被測對象的介質分布情況。該技術在發展初期主要用途是檢測監控工業上多相流的狀態，在之后的發展中逐步開始用于工程結構或工業產品的內部檢測。

由于近年來復合材料技術的快速發展和廣泛使用，ERT技術在復合材料損傷缺陷檢測上的應用成為新的研究方向之一。特別是在民用航空領域，隨著我國航空業的快速發展，對于飛機的日常維護保養和定檢等工作也要求更加快速、簡單、可靠，而ERT 技術作為一種簡便、高效、非侵入式的檢測方式，其在航空材料上的應用值得研究。

該文中筆者主要針對ERT 技術中電極相關的研究進行了部分總結，同時為了對電極的布置方式進行某些改進以及研究電極的受力情況對測試結果的影響，設計了一種新的ERT系統硬件結構，以便于后期進行更加深入和全面的研究。

1 ERT 技術及其電極激勵模式介紹

電阻層析成像（ERT）系統主要包括控制部分、數據采集處理部分以及圖像重建部分等，系統主要部分構成如圖1所示。

圖1 ERT 系統主要部分簡圖

控制部分用來控制激勵電極和測量電極的選擇與通斷；數據采集處理部分會采集測量電極對的電信號并進行初步處理，并將獲取到的數據發送至控制計算機；圖像重建部分則利用獲得的數據，通過合適的圖像重建算法進行處理，就可得到被測對象中的電導率分布圖像，根據該圖像的分布情況即可進一步分析出被測對象的狀態。

在激勵模式上，不同的側重點有不同的分類方法。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，重復此過程直至所有相鄰電極對被激勵并獲取所有的測量數據，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立測量數據，且成像質量更高，但是測量方式相對復雜、硬件投入較大、降低了圖像重建的速度，故而實際應用并不廣泛。

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成測量電極對并進行測量，該種方式相比于相鄰方式來說，獨立測量數據的個數較少，且被測對象邊界的靈敏度較低，因此實際也較少應用。

圖2 幾種激勵模式示例

2 ERT 系統電極設置方式

電阻層析成像系統的硬件結構中，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壁粘貼電極片，如在張明超關于ERT 系統的研究中所搭建的固液兩相流測量裝置以及袁全、楊道業等人以自來水為單一連續相進行研究的實驗裝置中，均是采用內壁粘貼嵌套電極片的方式。

而在關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材板之中，該種方式克服了復合材料的各向異性，使采集到的電信號較強，也能夠保持接觸穩定，但是嵌入的電極處由于材料結構發生變化也對材料內部的電導率分布產生了一定影響，從其初始的圖像重建結果上也能看到這一點。

除此之外，在孫世棟、秦磊等人將ERT 技術用于混凝土鋼筋銹蝕無損檢測的研究中，由于實驗用試塊的特殊性，電極則采用了預先埋入式，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。

3 ERT 系統硬件裝置的改進設計

為了避免對被測對象產生附加損傷、盡可能減少對檢測結果的影響，設計了一種簡易的檢測裝置，該裝置的設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合材料板材。

該結構主要分為底座、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 系統裝置簡圖一

在該裝置中，升降架可以采用人工手動調節（如圖4），也可以采用導軌或絲杠等裝置自動調節（如圖3 所示，便是采用絲杠調節），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果的影響；同時電極還可以沿徑向調節，從而能夠良好適應不同尺寸的樣品。

圖4 ERT 系統裝置簡圖二

圖5 電極固定板簡圖

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測試結果的影響，只需要根據不同的受力條件對應調節電極固定板的下降程度，便可設定不同的力值。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驗設備，以便更好地調節受力情況或其他實驗條件。

圖6 ERT 系統實驗裝置

在該裝置中，當需要更換被測件時，只需要升起電極固定板更換被測樣品、調節電極即可，省去了重復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 結語與展望

在設計的改進裝置中，進行了簡單的實驗驗證，結果表明，在該裝置中，同樣能夠實現對材料損傷的檢測，同時有效減弱了電極周圍的電導率分布對整體結果的影響。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，驗證了該裝置的實用性。

本文的不足之處在于，當實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，在進行電極受力情況變化的研究時，受力的變化范圍還不夠寬，后續針對此問題的研究可從電極的結構方面入手。