机敏混凝土结构的电阻率层析成像研究

论文摘要

电阻率层析成像(Electric Resistance Tomography，简称ERT)由于具有非侵入性、在线、无放射性、结构简单、设备成本低廉、设备搬运灵活、响应快速、监测结果直观、监测信息量大等优点，在医学、地球物理勘探、水文结构探测等领域得到了广泛应用。但在混凝土结构中的应用尚未见有报道，其主要原因是混凝土本身的电阻率太大且不稳定。在混凝土中加入少量碳纤维形成的机敏混凝土(Carbon Fiber Reinfored Concrete，简称CFRC)具有导电性和压敏性，由此使得ERT技术应用于混凝土结构成像监测成为可能。本文提出了用ERT技术对CFRC结构进行成像监测的新方法。该方法通过对CFRC结构表面电流、电压的施加和测量来获得携带其内部电阻率分布信息的投影数据，再利用反演计算方法重建出反映结构内部物质构成和状态的电阻率分布图，从而实现对CFRC结构的状态监测。在对ERT基本原理和相关理论进行全面系统分析的基础上，深入研究了ERT技术在CFRC结构监测中应用的相关问题。主要创新工作如下：1．提出了一种ERT测量(投影)方法。与其它投影方法不同，该方法测量的所有测量参考点都选在低电势的激励电极上，测量系统采集时将所有激励和测量电极的电位(参考点为0V)都采集到计算机内，并按编号记录各电极测量值。这种测量方法简化了测量系统结构，用较简单的存储结构实现了电压激励条件和响应结果数据的完备记录。2．开发设计了一种复杂电阻率分布的ERT数值投影方法，实现了CFRC结构ERT的测量模拟。通过参数化孔洞模型的建立、计算机辅助建模软件开发和程序自动生成技术研究，实现了在ANSYS中的任意复杂电阻率分布的有限元模型建立、载荷变换、求解和投影数据记录等数值投影操作的自动处理功能，解决了在ANSYS中进行交互方式ERT测量数值模拟的工作量庞大、投影周期长和容易出错等问题。3．提出了一种基于物理模型的ERT图像重建算法—等位线修正算法。该方法通过将等位线划分区域的各单元未知量组合为一个整体处理，实现了未知量的降维，使得单次激励的ERT不适定反问题转化为ERT适定反问题，提高解的稳定性。当换用另一次激励时，由于等位线划分区域不同，因而各单元未知量的组合方法也不同，这种动态降维方法允许ERT有限元单元个数超过独立测量数据个数，实现了较高空间分辨率的ERT图像稳定重建。与非反投影类算法相比，该方法不需要求解Jacobi矩阵和Hessian矩阵，不需要正则化方法，具有算法原理直观、速度快、求解稳定和精度高等特点；与一般反投影类算法相比，该方法由于可进行多次等位线修正的迭代，因而图像重建精度较高。4．研制了CFRC结构的ERT软硬件系统。本文在对ERT基本原理和关键理论进行全面系统研究的基础上，首次研制了一套应用于CFRC结构监测的ERT软硬件系统。该系统由ERT投影测量软硬件子系统、ERT系统配置模块、ERT投影模型定义模块、ERT重建模型定义模块、ERT图像重建模块和图像显示处理模块等组成。该系统的研制为进一步的CFRC结构ERT研究提供了一个独立且完整的平台。5．进行了多种截面形状结构和非均匀电极布置的ERT研究。目前ERT的研究对象截面形状往往比较确定，其ERT电极一般都采用均匀布置方式。如地球物理勘探的ERT测试对象为大地，截面形状为半无限空间，ERT电极采用等间距布置；工业流型监测的ERT测试对象为工业管道，截面形状为圆形，ERT电极采用均匀布置在管道圆周上。本文利用所研制的ERT系统进行了多种截面形状(包括方形截面ERT、长条形路面ERT和几种异形截面ERT)和不同电极布置方式的ERT仿真研究。研究结果表明：各种截面形状ERT成像效果良好，恰当地布置ERT电极可以提高局部成像分辨率。此外，本文还通过CFRC试件的ERT实验对ERT技术应用于CFRC结构监测的可行性和所做的ERT研究的正确性进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 混凝土结构健康监测研究进展
• 1.2.1 混凝土结构健康监测研究概述
• 1.2.2 混凝土结构健康监测的典型方法简介
• 1.3 机敏混凝土的研究进展
• 1.3.1 机敏混凝土的研究概述
• 1.3.2 机敏混凝土的主要特性及其研究简介
• 1.4 计算机层析成像研究进展
• 1.4.1 计算机层析成像研究概述
• 1.4.2 几类计算机电参数层析成像方法简介
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 ERT数学原理和测量理论方法的分析与研究
• 2.1 引言
• 2.2 ERT基本原理
• 2.3 ERT数学理论分析
• 2.3.1 ERT数学基础分析
• 2.3.2 ERT的正演方法
• 2.3.3 ERT的反演方法
• 2.4 ERT数据测量方法分析研究
• 2.4.1 ERT数据测量原理
• 2.4.2 常规ERT数据测量方法分析
• 2.4.3 CFRC结构ERT数据测量方法设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 机敏混凝土的ERT测量模拟系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 ERT测量模拟的实现方案设计
• 3.3 ERT测量模拟系统框架设计
• 3.4 ERT测试样本建模
• 3.4.1 ERT系统的模型定义
• 3.4.2 样本形体截面建模
• 3.4.3 样本电阻率分布建模
• 3.5 测量模拟系统流程设计
• 3.5.1 测量模拟系统总体流程设计
• 3.5.2 测量模拟系统的数据流程分析
• 3.5.3 测量模拟系统的关键程序流程设计
• 3.6 测量模拟系统实现
• 3.6.1 测量模拟系统辅助文件定义
• 3.6.2 测量模拟交互软件开发
• 3.6.3 测量模拟的数值运算软件确定
• 3.7 测量模拟算例和模拟测量结果分析
• 3.7.1 测量模拟算例及模拟测量结果信号总体分析
• 3.7.2 孔洞位置不同的模拟测量结果分析
• 3.7.3 孔洞大小不同的模拟测量结果分析
• 3.7.4 孔洞方位角不同的模拟测量结果分析
• 3.7.5 孔洞形状不同的模拟测量结果分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 等位线修正ERT重建算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 等位线修正ERT重建算法设计
• 4.2.1 等位线修正重建算法的投影数据测量方法
• 4.2.2 等位线修正重建算法推导
• 4.3 等位线修正重建算法实现
• 4.3.1 等位线修正重建算法的实现类型
• 4.3.2 等位线修正重建算法实现流程设计
• 4.4 算例分析研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 CFRC结构ERT软硬件系统研制
• 5.1 引言
• 5.2 ERT系统建模与总体设计
• 5.3 ERT测量系统设计
• 5.3.1 测量电极阵列设计
• 5.3.2 激励模块设计
• 5.3.3 ERT数据采集硬件设计
• 5.3.4 ERT数据采集软件设计
• 5.4 ERT正问题FEM模块设计
• 5.4.1 ERT正问题求解方法概述
• 5.4.2 ERT正问题FEM方法
• 5.4.3 FEM模型的建立、求解与软件设计
• 5.5 ERT重建模块设计
• 5.6 ERT系统其他设计
• 5.6.1 其他功能设计
• 5.6.2 ERT系统文件定义与说明
• 5.7 CFRC结构ERT系统研制结果
• 5.8 本章小结
• 第6章 CFRC结构ERT仿真与实验
• 6.1 引言
• 6.2 ERT数值仿真与结果分析
• 6.2.1 ERT数值仿真分析步骤
• 6.2.2 几种典型ERT数值仿真与结果分析
• 6.3 CFRC结构ERT实验与结果分析
• 6.3.1 试件制备
• 6.3.2 电极布置与粘贴
• 6.3.3 ERT实施
• 6.3.4 成像实验结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文及研究成果
• 致谢