面向CFRP層壓板的貼片式EIT檢測方法

中國民航大學電子信息與自動化學院 張汝超 陳 龍 張祺岳 霍昱呈 范文茹

對于碳纖維增強層合板（Carbon fiber reinforced ploymer,CFRP）在生產和使用過程中可能存在的損傷問題，提出了一種將電極片貼在CFRP四周的電阻抗層析成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）檢測方法。與嵌入式EIT方法相比，該方法不會對CFRP結構造成進一步傷害，有更加廣泛的應用場景?；贑OMSOL與MATLAB研究了貼片式與嵌入式電阻抗層析成像方法的靈敏度矩陣與圖像重建效果。研究結果表明，所提出的貼片式EIT不僅不會對待測材料造成二次傷害，其靈敏度分布與圖像重建效果也達到了嵌入式EIT的相近水平。

碳纖維增強層合板（Carbon fiber reinforced ploymer,CFRP）因其高強度質量比、耐腐蝕等優點在航空航天、國防軍事及民用領域都被廣泛地應用。在CFRP的生產和使用中不可避免地發生分層、沖擊、裂紋等損傷，因此對CFRP的無損損傷檢測十分重要。常用的CFRP無損檢測方法包括超聲、渦流、熱成像、X射線等方法。上述的檢測方法雖然能夠對CFRP損傷進行檢測，但是需要昂貴的設備以及大量的人力投入并可能存在輻射。近年來，電學成像技術（Electrical Tomography，ET）因其無輻射、成本低、速度快等優點逐漸在人體檢測、多相流檢測、流化床檢測等方面取得了較大的進展。

碳纖維材料作為一種自感知復合材料，損傷會對其介電常數與電導率的空間分布造成影響。ET能夠對被測物質的電導率、介電常數等電學屬性進行檢測。在CFRP表面覆蓋的絕緣的樹脂材料，對CFRP研究電導率屬性帶來不便。因此CFRP復合材料檢測的電阻抗檢測常采用嵌入式電阻抗層析成像（Electrical Impedance Tomography,EIT），剝除表面絕緣材料從而將電極置于剝離除EIT方法及平面電容層析成像方法（Planar Electrical Capacitance Tomography,PECT）等。

由于測量電極個數與位置的限制，PECT的圖像重建問題是一個病態、欠定的問題。L1正則化方法因其能夠降低上述問題帶來的影響、減少重建的圖像的偽影、獲得更清晰地邊緣而被廣泛研究，本文中采用逆問題求解常用的正則化方法（Tikhonov），共軛梯度最小二乘方法（Conjugate Gradient Least Squares,CGLS）及L1正則化對損傷CFRP圖像進行重建。

1 EIT圖像重建原理

EIT方法包括正問題與逆問題兩個方面。正問題是通過給定測試區域幾何形狀、邊界條件及電導率分布來獲取被測場域的電場分布，其有限元模型可以描述為：

EIT逆問題是通過逐步縮小計算得到的值與實際觀測到的邊界電壓信號的值之間的差值來逼近的，由于電極個數，電極分布位置及系統方程欠定的限制，EIT圖像重建問題是一個病態問題。由于正則化方法在一定程度上能夠緩解病態問題，正則化方法廣泛應用于EIT圖像重建中。常用正則化方法可以表述為：

2 仿真設置

已見報道的嵌入式EIT電極結構如圖1(b)所示，采用鉚釘作為嵌入式電極分布在CFRP層壓板四周，適用于采用鉚釘固定的場景。本文所提出的貼片式電極結構如圖1(a)所示，電極貼在CFRP層壓板板材四周的邊緣，不會對CFRP結構造成進一步的損傷。仿真環境設置如圖2所示，電極及CFRP層壓板置于中心，四周為空氣域，最外側邊緣為無限元域。CFRP層壓板按其鋪設方式可分為單向鋪設，[0o/90o]交叉鋪設及[-45o/0o/45o/90o]交叉鋪設三種。本文所涉及的板材為[0o/90o]5交叉鋪設的CFRP板材，板材長寬高分別為100mm，100mm，2mm。板材共10層，每層0.2mm。由于碳纖維軸向與徑向電導率呈現各向異性，因此軸向、徑向仿真介電常數分別設置為1000S/m與10S/m。

圖1 極結構示意圖

圖2 EIT仿真環境圖

激勵測量模式如圖3所示，采用相鄰激勵相鄰測量的激勵測量策略，當1-2電極對作為激勵電極時，分別由電極對3-4,4-5，……，15-16執行邊緣電壓測量；當2-3電極對作為激勵電極時，分別由電極對4-5,5-6，……，16-1執行邊緣電壓測量。以此類推，當電極對16-1作為激勵電極時，分別由電極對2-3,3-4，……，14-15執行邊緣電壓測量。完成測量時共可獲得208個邊緣電壓觀測數據。

圖3 激勵測量策略示意圖

靈敏度矩陣可由公式(5)計算得到。

由圖4可知，貼片式電極與嵌入式電極靈敏度分布規律較為一致，并且由于貼片式電極極片距離成像區域略遠于嵌入式電極，因此貼片式電極結構靈敏度分布更加平滑。這也就意味著，貼片式電極在邊緣對損傷圖像重建的影響要小于嵌入式電極。其中，Si,j為電極i激勵時，電極j對電極i的靈敏度；Ei，Ej分別為第i個電極與第j個電極作為激勵電極時的電場分布，Ω為場域內選定的成像平面。

圖4 兩電極結構靈敏度分布圖

圖4(a)(b)分別為1-2電極對激勵時，貼片式與嵌入式電極的其他電極對測量時的靈敏度分布。

CFRP層壓板的損傷可大致分為沖擊損傷、夾雜脫粘等帶來的分層損傷及裂紋損傷三類，其中沖擊損傷較其他兩種損傷更加常見。因此，如圖5設置了單一沖擊D1、雙沖擊D2、分層D3與裂紋D4這四類損傷模型。D1損傷的半徑為4mm，高2mm，貫穿整個CFRP板材，損傷位于板材中心，位置為（0,0）mm；D2損傷的半徑分別為3mm，5mm，高均為2mm，貫穿CFRP板材，損傷位置分別為（-20，-20）mm與（20，20）mm；D3損傷的半徑為6mm，高0.4mm，居于中間層，位置為（-25，-25）mm；D4損傷的長寬高分別為20mm，0.5mm，0.6mm，裂紋長方向與x軸夾角為135o，位于CFRP板材頂層。

圖5 損傷設置

3 結果與討論

貼片式EIT電極與嵌入式EIT電極損傷重建圖像分別如圖6、圖7所示，各方法重建圖像相關系數如圖8所示。對于沖擊損傷D1、D2，損傷重建圖像較為接近，均與真實損傷分布較為接近，L1圖像重建算法重建圖像與真實分布較為接近。對于分層損傷D3，由于損傷面積較大，且較接近電極所在位置，因此損傷重建圖像形狀發生扭曲，且重建圖像的大小大于真實損傷。對于裂紋損傷D4，由于裂紋寬度僅有0.5mm，因此無法提取真實電導率分布，故而未對D4計算相關系數。受限于重建圖像分辨率，兩電極重建裂紋圖像的寬度均遠大于真實分布。由于所提出的貼片式電極相較于嵌入式電極極片距離成像區域較遠，受電極分布帶來的影響相對較小。因此，從視覺角度看，貼片式電極對D3及D4損傷的成像效果優于嵌入式電極。

圖6 貼片式電極損傷重建圖像

圖7 嵌入式電極損傷重建圖像

圖8 兩電極重建圖像相關系數

本文提出了一種貼片式EIT電極，該電極分布于CFRP板材四周。與嵌入式EIT電極相比，該電極由于不會對CFRP層壓板造成二次傷害，因而具有更加廣泛的應用背景。對比了貼片式EIT電極與嵌入式EIT電極的靈敏度分布，并設計了單一、對角沖擊、分層與裂紋這四個損傷，并采用Tikh、CGLS與L1這三種圖像重建算法分別對貼片式EIT電極及嵌入式EIT電極進行損傷圖像重建。結果表明，對于遠離電極的損傷，貼片式EIT電極與嵌入式EIT電極圖像重建結果相近，對于靠近電極的損傷重建結果，貼片式EIT電極的重建結果略優于嵌入式EIT圖像重建結果。綜上所述，所提出的貼片式EIT電極在性能上與嵌入式電極相近，并且不會對被測材料造成二次傷害，因而更具實用價值。