基于電阻層析成像技術(shù)的CFRP缺陷檢測研究進(jìn)展

何建，吳玉簫，于海州

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

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體、樹脂為基體形成的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的材料相比，CFRP具有多種優(yōu)良性能：低密度、耐腐蝕、抗疲勞、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、低熱膨脹系數(shù)等。CFRP作為一種新興的材料，被廣泛應(yīng)用于軍事以及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域之中。

CFRP制造工藝復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，在制造和使用過程中不可避免地會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷或損傷。典型的缺陷包括了在制造過程中產(chǎn)生的分層、孔隙、脫粘和表面損傷，在使用過程中產(chǎn)生的沖擊、裂紋、腐蝕坑、孔洞等[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對保證復(fù)合材料的完整性，提高使用安全性和可靠性，降低維護(hù)成本有著重要的作用。當(dāng)前現(xiàn)有的無損檢測方法都能達(dá)到對CFRP內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測的目的，但各個(gè)方法都存在著一定的局限性。紅外熱波檢測所需時(shí)間過長；超聲檢測法效率低，使用的耦合劑會對試件造成污染；滲透檢測只能檢測表面的開口缺陷；渦流和磁粉檢測都只適用于近表面的損傷；X射線檢測成本高且有放射性污染[2]。

而如今對檢測的要求已經(jīng)不僅僅是簡單地確定缺陷是否存在，還要進(jìn)一步確定缺陷的輪廓和位置信息，這對于評價(jià)材料的健康狀況至關(guān)重要。相對傳統(tǒng)的幾種檢測方法，電阻層析成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不侵入材料內(nèi)部、成本低（通常只需要電流源、數(shù)據(jù)采集裝置和適當(dāng)?shù)挠?jì)算能力）、適用的場合廣、方便現(xiàn)場部署、能夠?qū)崟r(shí)生成重建的電導(dǎo)率圖像[3]，并且電阻層析成像技術(shù)可以對厚部件的橫截面進(jìn)行成像。因此，電阻層析成像技術(shù)是一種具有很大潛力和研究價(jià)值的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

1 電阻層析成像技術(shù)概述

電阻層析成像技術(shù)根據(jù)測得的邊界電壓來估計(jì)材料內(nèi)部的空間變化的電導(dǎo)率分布。當(dāng)材料出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化，使用ERT技術(shù)就能夠得到材料內(nèi)部缺陷的大致輪廓和位置，為定性評估材料結(jié)構(gòu)健康狀況提供了可視化手段。

一個(gè)完整的ERT系統(tǒng)應(yīng)該包括電極陣列、激勵(lì)信號控制單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、圖像重建單元以及主控計(jì)算機(jī)[4]。典型的ERT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型ERT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)工作時(shí)，由激勵(lì)信號控制單元發(fā)出指令，給某個(gè)或多個(gè)電極施加激勵(lì)電流，在材料內(nèi)部建立電流敏感場。當(dāng)材料出現(xiàn)缺陷，場內(nèi)的電導(dǎo)率分布發(fā)生變化，數(shù)據(jù)采集處理單元采集到的場域邊界電壓也會隨之變化。利用邊界電壓，再通過合適的成像算法就可以重建出場內(nèi)的電導(dǎo)率分布，實(shí)現(xiàn)圖像重建功能[5]。

2 電阻層析成像技術(shù)在CFRP缺陷檢測中的應(yīng)用

2.1 CFRP的導(dǎo)電特性

CFRP的導(dǎo)電性受兩個(gè)因素的影響：碳纖維固有的導(dǎo)電性和纖維與纖維之間的連接。因此，纖維損傷、斷裂或是分層缺陷都可以通過電阻層析成像技術(shù)檢測出來[6]。內(nèi)部碳纖維的走向決定了CFRP的電導(dǎo)率的各向異性：順著纖維方向的電導(dǎo)率最高，厚度方向的電導(dǎo)率最低[7,8]。CFRP層合板的纖維體積分?jǐn)?shù)對電導(dǎo)率也有影響，電導(dǎo)率可以表示為纖維體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)[9]，橫向和厚度方向的電導(dǎo)率隨著纖維的體積分?jǐn)?shù)的增大而增加，且橫向和厚度方向的電導(dǎo)率的比率約為10:1[10]。這種過強(qiáng)的各向異性會對靈敏度矩陣造成影響，對ERT最終的圖像重建效果造成影響。因此，將電阻層析成像技術(shù)應(yīng)用于CFRP的缺陷檢測中時(shí)，主要需要考慮盡量減小CFRP電導(dǎo)率各向異性對成像結(jié)果造成的影響。

2.2 電阻層析成像技術(shù)在CFRP缺陷檢測中的發(fā)展

Schueler等人[11]于2001年首次將ERT技術(shù)應(yīng)用到單向CFRP的缺陷檢測中，簡單對矩形孔損傷進(jìn)行檢測，但使用的重建算法沒有考慮電阻率各向異性的影響，因此成像結(jié)果不佳。他們成功探索了將電阻層析成像技術(shù)應(yīng)用到CFRP缺陷檢測中的這一新的領(lǐng)域，但仍有較多問題需要解決。

Hou和Loh[12,13]使用具有不均勻電導(dǎo)率的碳納米管薄膜作為傳感皮膚，展現(xiàn)了電阻層析成像技術(shù)對不均勻區(qū)域的定位以及對多個(gè)損傷區(qū)域進(jìn)行區(qū)分的能力。

Baltopoulous等人[14]使用了三層碳纖維織物和環(huán)氧樹脂制成的層壓板，對鉆孔和沖擊損傷進(jìn)行了ERT檢測。但為了降低過高的各向異性電導(dǎo)率，假設(shè)層壓板電導(dǎo)率為各向同性，導(dǎo)致最終的成像結(jié)果較差。最終需要后處理來使缺陷部位定位更加準(zhǔn)確，處理之后的定位誤差為10%，且對不到監(jiān)測區(qū)域0.1%的小尺寸缺陷較為敏感。

Loyola等人[15]于2013年對具有正交各向異性的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料GFRP進(jìn)行檢測，比較了不同位置孔洞損傷的電導(dǎo)率圖像，研究了損傷的敏感性和分辨性，并利用ERT方法檢測低速撞擊導(dǎo)致的損傷位置和嚴(yán)重程度，檢驗(yàn)了該方法在檢測和定位損傷缺陷方面的準(zhǔn)確性，也對各向異性電導(dǎo)率帶來的測量方式以及圖像重建質(zhì)量上的問題進(jìn)行了解答。此時(shí)ERT檢測受限于圖像重建的速度，還無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2016年，Gschossmann[16]開發(fā)了適用于ERT技術(shù)的產(chǎn)生直流激勵(lì)電流和獲取電壓數(shù)據(jù)的硬件裝置，能在9秒內(nèi)對16電極空間區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。硬件的發(fā)展使得ERT監(jiān)測的實(shí)時(shí)性越來越高，目前先進(jìn)的高速ERT系統(tǒng)圖像重建速率可以達(dá)到3906幀/秒[17]。也有針對CFRP缺陷檢測研制的便攜式的ERT裝置，可以設(shè)定激勵(lì)電流大小，最大的穿透深度可以達(dá)到10mm[18]。ERT硬件的發(fā)展趨向于具有更高的精度、準(zhǔn)確度和速度，以及更低的功耗[19-21]。

研究者們還考慮到了更多的細(xì)節(jié)問題，如激勵(lì)模式的設(shè)置。ERT最終成像結(jié)果的空間分辨率和精度與所使用的激勵(lì)模式密切相關(guān)。在2015年，F(xiàn)an等人[22]便對激勵(lì)模式進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)中建立了6×6陣列電極開放式ERT模型，并假設(shè)單個(gè)CFRP層壓板橫向和厚度方向電導(dǎo)率相等。采用奇異值譜、靈敏度圖均勻性、靈敏度測量值、電壓動(dòng)態(tài)范圍、重建圖像相關(guān)系數(shù)五種評估指標(biāo)對間隔不同數(shù)目電極的五種激勵(lì)方式進(jìn)行評估，結(jié)論為激勵(lì)間隔4個(gè)電極的模式表現(xiàn)出更好的圖像重建性能。進(jìn)一步的研究中，F(xiàn)an[23]采用了三層正交鋪層的CFRP層合板，對沖擊、分層、纖維斷裂以及橫向裂紋缺陷進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果表明了ERT具有檢測出多種常見的CFRP缺陷的能力。研究正交各向異性的CFRP在不同激勵(lì)模式下的成像效果的還有Gallo[24]，他采用了32電極，并且對比了傳統(tǒng)的相鄰、相反、對角三種電流激勵(lì)方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相鄰激勵(lì)模式對邊緣缺陷的檢測靈敏度更高，而位于中心的缺陷使用交叉和對角激勵(lì)模式更好。Nonn等人[25]于2018年使用16個(gè)鋁鉚釘作為嵌入式電極，評估了三種傳統(tǒng)的電流激勵(lì)方式對CFRP層壓板的ERT成像效果，發(fā)現(xiàn)對角電流激勵(lì)方式的效果最好，但由于使用的圖像重建算法沒有考慮各向異性的影響，最終成像結(jié)果也不佳。除了上述三種常見的激勵(lì)模式之外，還有研究者采用了新型的激勵(lì)測量模式——PP模式[26]，PP模式對于單個(gè)損傷目標(biāo)成像效果較差，但對于存在多個(gè)損傷目標(biāo)的情況成像效果佳。還有將多種間隔的激勵(lì)結(jié)合在一起的優(yōu)化激勵(lì)方式[27,28]，能夠得到更加均勻的電流場，獲得更多的獨(dú)立測量數(shù)。除此之外，還有對多個(gè)電極進(jìn)行激勵(lì)的激勵(lì)模式[29,30]，也能使電流場更加均勻，但多激勵(lì)模式的硬件設(shè)計(jì)尚不成熟，相應(yīng)的圖像重建算法也較少。

為了克服CFRP各向異性的影響，也有研究者從圖像重建算法方面著手研究。Schmidt等人[31]對CFRP的分層缺陷進(jìn)行ERT檢測研究，使用三種深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行圖像重建，其中k-NN算法性能最優(yōu)，并且材料越薄，各向異性對結(jié)果影響越小。Fan等人[32]利用修正殘差范數(shù)最速下降（MRNSD）算法進(jìn)行圖像重建，得到的圖像偽影少，定位質(zhì)量高。Cagan等人[33]利用高斯正則化方法來減小CFRP各向異性的影響。

3 總結(jié)與展望

雖然將電阻層析成像技術(shù)應(yīng)用到CFRP缺陷檢測領(lǐng)域之中已經(jīng)經(jīng)過了20年，也取得了較大進(jìn)展，但對這一領(lǐng)域的研究仍然處于早期階段。迄今為止的研究主要都局限于實(shí)驗(yàn)室中的小型平面樣品，并未應(yīng)用到實(shí)際的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)之中。近幾年也有研究者在朝著實(shí)際應(yīng)用中的大尺寸和非平面結(jié)構(gòu)方向進(jìn)行研究。若要真正地發(fā)揮ERT技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測能力，還有很多的工作需要做。例如對電極結(jié)構(gòu)和布置方式、激勵(lì)模式等方面可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，針對CFRP缺陷檢測的圖像重建算法上的研究目前仍處于基礎(chǔ)階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。將ERT技術(shù)應(yīng)用到CFRP缺陷檢測之中存在著巨大的潛力，對以上幾個(gè)方面的問題還可以進(jìn)行更多的探索研究。