技术领域
[0001] 本
发明涉及物质检测技术领域，尤其涉及一种基于
电阻抗成像技术的检测系统和方法。
背景技术
[0002] 表面裂缝和内部损伤是
混凝土结构中常见的
缺陷，实际工程中由于各种原因(如
干燥收缩、
温度应
力、外荷载作用、
基础变形等)结构损伤很难避免。这些损伤会危害结构的整体性和
稳定性,对结构的安全运行产生影响。因此，为确定裂缝或内部损伤的状态、发展和成因，以及合理评价这些缺陷对结构物的影响，选择适当的修补方案和时机，掌握其深度与其长度、宽度这些基本信息都是非常重要的。
[0003] 电阻抗成像技术(EIT)是通过在物体表面设置一定数量的
电极，在
选定的电极上施加
电流，然后测量各电极的
电压，再将这些已知的电流、电压数据，依据图像重建逆运
算法，构造出物体内部的未知阻抗图像，实现
可视化无损检测目的。EIT用于
土木工程检测时，常用的基体材料(如混凝土，有机玻璃、
岩石等)自身
导电性较差，电学数据的采集
精度较低，导致成像效果差，限制了EIT的运用，难以推广到土木工程领域。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，针对
现有技术的上述不足，提出一种无损的、可操作性强的基于电阻抗成像技术的检测系统和方法。
[0005] 本发明的一种基于电阻抗成像技术的检测系统，包括涂设在待检测基材上的导电涂层、均匀分布在所述导电涂层上的多个接收电极、与任意两个接收电极通过
导线连接的电源、与剩下所述接收电极通过导线连接的
数据采集装置、与所述数据采集装置和电源电连接的
中央处理器。
[0006] 优选的，所述导电涂层包括如下
质量份数的组分：环
氧丙烯酸酯
树脂40-80份，稀释剂16-56份，光引发剂0.5-2.5份，
光敏剂0.5-2.5份，
光稳定剂0.1-1份，消泡剂0.1-1份，
流平剂0.1-1份，增韧剂4-24份，
硅烷
偶联剂1-5份，导电填料80-300份。
[0007] 优选的，所述稀释剂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、N-乙烯基吡咯烷
酮和1，4-丁二醇二缩
水甘油醚中的一种或多种。
[0008] 优选的，所述光引发剂为1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗琳基-1-丙酮和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮其中的一种或多种；所述光敏剂为二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮和米蚩酮其中的一种或多种。
[0009] 优选的，所述增韧剂为液体聚硫
橡胶、液体硅橡胶和聚醚其中的一种或多种。
[0010] 优选的，所述硅烷偶联剂为γ-
氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷其中的一种或多种。
[0011] 优选的，所述导电填料为
银包
铜粉、
碳纳米管和
石墨烯其中的一种或多种。
[0012] 一种基于电阻抗成像技术的检测方法，使用上述的检测系统，具体步骤如下：
[0013] S1：将预先配制好的导电涂层用刷子均匀地涂抹在基体材料表面，然后将2n个接收电极均匀的分布在所述导电涂层上；其中任意两个接收电极通过导线连接的电源，剩下的2n－2个所述接收电极通过导线与数据采集装置连接，接收电极分别标为1、2、3.......2n；
[0014] S2：打开电源，并通过中央处理器控制电源输出参数，数据采集装置采集与其相连接的电极之间的电压，使用相邻激励模式进行测量当电源通过(1，2)电极向导电涂层中输入恒定电流，在(2，3)、(3，4)……(2n，1)等电极来采集各组电压，然后再通过(2，3)电极输入恒定电流，同样采集剩余各组电极上的电压，以此类推直至循环采集完成，每个数据0.02～2s的速率进行数据采集，当采用2n个电极时，一组数据包含2n×2n＝4n2个电压；
[0015] S3：外力对基体材料进行缓慢加载后，待基体材料侧面出现微裂缝，重复步骤S2，测得一组数据；
[0016] S4：中央处理器将加载前后收集的两组数据对导电涂层电势差分布进行EIT逆问题计算，利用
软件MATLAB结合修正的Gauss-Newton
迭代算法，寻找最合适参数，实现电阻抗成像。
[0017] 优选的，修正的Gauss-Newton迭代算法为：
[0018] 假设基体材料损伤前后导电涂层的电导率分别为σref和σ，测量电压分别为Vref和V，则
[0019] Vref＝U(σref)+nref (1)
[0020] 式中U(σref)是基体材料损伤前导电涂层电导率分布σref和电极电位的可观测量V之间的计算模型，nref是基体材料损伤前的测量噪声；
[0021] 基体材料损伤前导电涂层的最佳均匀估计值
[0022]
[0023] 基体材料损伤前测量中获取的一个近似误差项ε：
[0024]
[0025] 则
[0026]
[0027] 式中n是基体材料损伤后测量噪声δn＝n-nref；
[0028] 基体材料损伤后导电涂层的最佳均匀估计值
[0029]
[0030] 式中L是关于量测噪声统计特性的一个已知矩阵，pσ(σ)是总变差函数的可微近似，pσ(σ)可由式(6)获得：
[0031]
[0032] 式中(▽σ)|Ωk是在有限元网格Ωk单元中σ的梯度，Ne是计算域中的元素数，α是一个控制惩罚因子权重的参数，β是一个调节最大后验估计计算中pσ(σ)梯度的参数。
[0033] 优选的，中央处理系统控制电源，使其输出0.1-100mA、
频率为10-100000Hz的正弦交流电。
[0034] 发明可以验证电阻抗成像技术应用到工业检测中的合理性，对基体材料进行无创检测。在基体材料表面涂抹合适配比的导电涂层，用仪器对基体材料进行阻抗的测量。再利用MATLAB计算软件进行成像和计算，我们可以得到其内部的情况，根据阻抗的不同，可以通过导电涂层随着基体材料加载受力拉伸导致电阻发生变化的情况，检测出其内部裂缝情况，可以实时检测和监测基体材料损坏程度，为结构质量监测做出贡献，真正达到无损检测的目的，该方法新颖、简便、低成本、可操作性强。
附图说明
[0035] 图1为本发明的一种基于电阻抗成像技术的检测系统的结构示意图；
[0036] 图2为
实施例1检测的基体材料的电阻抗成像图。
[0037] 1-导电涂层；2-基体材料；3-接收电极；4-电源；5-数据采集装置；6-中央处理器。
具体实施方式
[0038] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0039] 本发明的一种基于电阻抗成像技术的检测系统的导电涂层，按照如下方法制备：
[0040] 实施例1
[0041] 按照下列质量称取原材料：环氧丙烯酸酯树脂40份，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯16份，1-羟基环己基苯基甲酮0.5份，二苯甲酮0.5份，光稳定剂0.1份，消泡剂0.1份，流平剂0.1份，液体聚硫橡胶4份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷1份，
石墨烯80份。
[0042] 导电涂层制备方法如下：
[0043] 步骤1、按配方量将环氧丙烯酸树脂和稀释剂充分混合均匀后得到混合溶液。
[0044] 步骤2、按配方量将光引发剂和光敏剂两者充分混合，然后将其添加到步骤1的混合溶液中得到光
固化混合体系。
[0045] 步骤3、按配方量将消泡剂、流平剂和硅烷偶联剂添加到步骤2得到的光固化混合体系中，充分搅拌均匀后即可得到有机载体。
[0046] 步骤4、按配方量将导电填料分两次添加到步骤3的有机载体中搅拌一段时间，然后添加增韧剂，使用强力
搅拌机1200r/min，60min，充分搅拌均匀后即可得到导电填料混合体系。在第一次添加的导电填料充分混合搅拌均匀后才可添加第二次。
[0047] 步骤5、将步骤4中得到的银包铜粉混合体系均匀涂覆在基体材料上，膜厚约为300μm，静置30min后再平放于紫外光固机中固化60min，即可得到UV固化环氧丙烯酸树脂柔软导电涂层。
[0048] 上述制备的UV导电涂层相关宏观性性能测试方法如下：
[0049] (1)剪切强度：将图层均匀地涂在40mm×20mm的聚酰亚胺
薄膜上，在室温条件下剪切试验机以5mm/min的加载速度测试其剪切性能。
[0050] (2)伸长率：将图层均匀地涂在40mm×20mm的聚酰亚胺薄膜上，在室温条件下拉力试验机以500±30mm/min的加载速度加载并计算伸长率。
[0051] (3)硬度：将图层均匀地涂抹在40mm×20mm×5mm的长方体玻璃片上，在室温条件下用邵氏A硬度计测试其硬度。
[0052] (4)
附着力：将图层均匀地涂抹在40mm×20mm×5mm的长方体玻璃片上，在室温条件下用
胶带法测试其附着力。
[0053] (5)
电阻率：将图层均匀地涂抹在40mm×20mm×5mm的长方体玻璃片上，在室温条件下用精密电阻测试仪测量电阻并计算电阻率。
[0054] 按照上述测试方法测试出本实例制得的基于UV工艺的柔软导电涂层的主要性能指标为：剪切强度为5.32MPa，伸长率为29.7％，硬度为42A，附着力为4B，电阻率为1.435×10-3Ω·cm。
[0055] 采用如图1所示的本发明的系统，和如下方法检测基体材料的损伤情况：
[0056] S1：将实施例1制备的导电涂层1，导电涂层1用刷子均匀地涂抹在10*10cm的基体材料2表面，然后将16个接收电极3均匀的分布在所述导电涂层1上，16个接收电极3可以沿基体材料2的周长等间距设置，其中任意两个接收电极3通过导线连接的电源4，剩下的14个所述接收电极3通过导线与数据采集装置5连接，接收电极3分别标为1、2、3.......16；
[0057] S2：打开电源，并通过中央处理器6控制电源输出0.1-100mA、频率为10-100000Hz的正弦交流电，数据采集装置5采集与其相连接的电极之间的电压，使用相邻激励模式进行测量当电源通过(1，2)接收电极3向导电涂层1中输入恒定电流，在(2，3)、(3，4)……(16，1)等电极来采集各组电压，然后再通过(2，3)电极输入恒定电流，同样采集剩余各组接收电极3上的电压，以此类推直至循环采集完成，每个数据0.02～2s的速率进行数据采集，当采用
16个电极时，一组数据包含16×16＝256个电压；
[0058] S3：用万能试验机对基体材料2进行缓慢加载后，待基体材料2侧面出现微裂缝，重复步骤S2，测得一组数据；
[0059] S4：中央处理器6将加载前后收集的两组数据对导电涂层1电势差分布进行EIT逆问题计算，利用软件MATLAB结合修正的Gauss-Newton迭代算法，寻找最合适参数，实现电阻抗成像，图2为改基体材料2的电阻抗成像图，如图2所示，阴影部分区为基体材料2的损坏区。
[0060] 其中软件MATLAB结合修正的Gauss-Newton迭代算法的过程是：
[0061] 假设基体材料损伤前后导电涂层的电导率分别为σref和σ，测量电压分别为Vref和V，则
[0062] Vref＝U(σref)+nref (1)
[0063] 式中U(σref)是基体材料损伤前导电涂层电导率分布σref和电极电位的可观测量V之间的计算模型，nref是基体材料损伤前的测量噪声；
[0064] 基体材料损伤前导电涂层的最佳均匀估计值
[0065]
[0066] 基体材料损伤前测量中获取的一个近似误差项ε：
[0067]
[0068] 则
[0069]
[0070] 式中n是基体材料损伤后测量噪声δn＝n-nref；
[0071] 基体材料损伤后导电涂层的最佳均匀估计值
[0072]
[0073] 式中L是关于量测噪声统计特性的一个已知矩阵，pσ(σ)是总变差函数的可微近似，pσ(σ)可由式(6)获得：
[0074]
[0075] 式中(▽σ)|Ωk是在有限元网格Ωk单元中σ的梯度，Ne是计算域中的元素数，α是一个控制惩罚因子权重的参数，β是一个调节最大后验估计计算中pσ(σ)梯度的参数。
[0076] 其中本发明采用的电源可以为KEITHLEY公司生产的6221型交流和直流电流源。
[0077] 本发明采用的数据采集系统可以为Keithley公司生产的3706A型插卡式数据集系统。
[0078] 实施例2
[0079] 按照下列质量称取原材料：环氧丙烯酸酯树脂(EA)60份，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和N-乙烯基吡咯烷酮30份，1-羟基环己基苯基甲酮和2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗琳基-1-丙酮1.2份，2,4-二羟基二苯甲酮1.2份，光稳定剂0.3份，消泡剂0.3份，流平剂0.3份，液体聚硫橡胶和液体硅橡胶12份，乙烯基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷1.8份，银包铜粉150份。按照实施例1中的制备方法，在室温下制得导电涂层。
[0080] 按照实施例1中的测试方法测试出本实例制得的基于UV工艺的柔软导电涂层的主要性能指标为：剪切强度为5.66MPa，伸长率为20.3％，硬度为48A，附着力为4B，电阻率为1.366×10-3Ω·cm。
[0081] 实施例3
[0082] 按照下列质量称取原材料：环氧丙烯酸酯树脂(EA)80份，N-乙烯基吡咯烷酮56份，2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮2.5份，米蚩酮2.5份，UV-5311份，消泡剂1份，流平剂1份，聚醚24份，乙烯基三乙氧基硅烷5份，银包铜粉300份。按照实施例1中的制备方法，在室温下制得导电涂层。
[0083] 按照实施例1中的测试方法测试出本实例制得的基于UV工艺的柔软导电涂层的主要性能指标为：剪切强度为5.78MPa，伸长率为21.3％，硬度为53A，附着力为4B，电阻率为1.140×10-3Ω·cm。
[0084] 以上未涉及之处，适用于现有技术。
[0085] 虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附
权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
