基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测方法及装置

1.本发明涉及混凝土无损检测技术领域，更具体的说是涉及一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测方法及装置。


背景技术：

2.目前，老旧混凝土结构的退化成为一个全球性问题，因为它可能威胁到建筑物的结构完整性，导致财产和生命的巨大损失。因此，许多国家已拨出大量建设预算用于旧结构的维修和保养。在我国路基路面工程中对于大车流量、重荷载路段中出现的无法用肉眼观察到的混凝土隐蔽缺陷，常采用截断开挖等方式进行检测，因此对于隐蔽缺陷的准确评估已经迫在眉睫。电阻层析成像技术(ert)作为一种新兴的无损检测技术，具有低成本、非侵入、可视化、安全性能好等特点，多应用于地球物理勘探领域、地下水检测与勘探和混凝土无损检测等方面。由于常用的ert无损检测系统无法正常检测作为绝缘体的混凝土电导率变化，使得目前国际上没能形成一套应用于混凝土绝缘体中的电阻层析成像技术(ert)无损检测系统。因此，对本领域技术人员来说，如何在无需破坏路面结构的情况下观测路基路面隐蔽缺陷，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测方法及装置，以解决背景技术中存在的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测方法，具体步骤包括如下：
5.采用复合薄膜电传感肌肤作为混凝土绝缘体的导电涂层，预置混凝土电极布置装置于所监测混凝土结构中；
6.向所述混凝土电极布置装置中注入持续电流，采集所述混凝土电极布置装置的电压数据；
7.将所述电压数据利用电阻层析成像技术对所述复合薄膜电传感肌肤进行图像重构，得到所监测混凝土结构破坏前后电导率变化的差分图像；
8.通过所述差分图像，观测路基路面隐蔽缺陷。可选的，将所述混凝土电极布置装置埋至混凝土内部，具体布置方法为：当混凝土浇筑一半厚度时，将所配置的水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉混合溶液喷涂至混凝土上表面形成下半部分水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤，达到一定厚度时阵列排布格栅铜片电极在所述水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤上，采用导电银膏将银丝导线一端粘贴在每个所述格栅铜片电极表面，将所述银丝导线按照设计路径引出后再采用高压喷枪将所配置水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉混合溶液喷涂至所述格栅铜片电极、导电银膏、银丝导线所在表面完成上半部分水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤，最后浇筑剩余预制混凝土。
9.可选的，所述复合薄膜电传感肌肤为水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感
肌肤，水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤采用碳纳米管粉末与水性聚氨酯混合制备分散液组分，散装硅粉与硅粉混合磨制得到固体粉体组分，按比例将所述分散液组分与所述固体粉体组分混合搅拌，采用高压喷枪将所制混合液均匀喷涂于所测混凝土表面得到所述水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤。
10.另一方面，提供一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测装置，包括预制混凝土电极布置模块、电压采集仪、交流电电源、数据处理计算机；其中，所述预制混凝土电极布置模块埋至混凝土内部，所述预制混凝土电极布置模块与所述电压采集仪相连，所述交流电电源与所述电压采集仪相连，所述电压采集仪与所述数据处理计算机相连。
11.可选的，所述预制混凝土电极布置模块包括水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤、格栅铜片电极、导电银膏、银丝导线；其中，所述水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤置于所测混凝土内部，所述银丝导线通过所述导电银膏贴在所述格栅铜片电极上。
12.可选的，还包括电极转换器，所述电极转换器的一端与所述银丝导线相连，所述电极转换器的另一端与所述电压采集仪相连。
13.可选的，还包括杜邦线接头，所述杜邦线接头分为公头与母头，杜邦线接头公头与所述银丝导线连接，杜邦线接头母头与电极转换器相连。
14.可选的，所述杜邦线接头公头与所述杜邦线接头母头可拆卸安装。
15.可选的，所述格栅铜片电极以阵列形式或环绕形式排布在所述预制混凝土电极布置模块内部。
16.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测方法及装置，具有以下有益的技术效果：
17.1、研究和制备了高电导性能、载流能力与力学特性的水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤，并将其应用于路基路面隐蔽缺陷检测的电阻层析成像(ert)无损检测系统，可以通过监测电传感肌肤的电导率变化反演表征出混凝土绝缘体的电导率变化，最后基于数据处理软件重建混凝土的电导率分布图，以反映混凝土中存在的的无法用肉眼观察到的隐蔽缺陷，解决了常规的电阻析成像(ert)无损检测系统无法准确测量混凝土电导率变化的问题；
18.2、制备了可埋入预制混凝土电极布置装置，极大减小了对被测混凝土结构施工过程的影响；
19.3、优化了电极导线在混凝土内部的布置方式，采用了格栅铜片电极使得电极能与水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤紧密接触，对电压采集误差的减小具有一定的提升；
20.4、建立了高精度表征隐蔽缺陷重建图像的反演公式，揭示了混凝土隐蔽缺陷重建图像的反演规律；研发了混凝土隐蔽缺陷实时监测系统，对重大工程实施检测预警控制提供了解决的新方案。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为本发明的装置结构示意图；
23.图2为本发明的格栅铜片电极阵列排布示意图；
24.图3为本发明的格栅铜片电极环绕排布示意图；
25.图4为本发明的格栅铜片电极排布侧视图；
26.图5为本发明的装置与被测混凝土位置关系图；
27.其中：1为预制混凝土电极布置模块、2为水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤、3为格栅铜片电极、4为导电银膏、5为银丝导线、6为杜邦线接头、7为交流电电源、8为电压采集仪、9为电极转换器、10为数据处理计算机、11为数据处理软件、12为路基路面混凝土结构。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明实施例1公开了一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测方法，具体步骤包括如下：
30.采用水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤作为混凝土绝缘体的导电涂层，预置混凝土电极布置装置；
31.向混凝土电极布置装置中注入持续电流，采集混凝土电极布置装置的电压数据；
32.将电压数据利用电阻抗成像技术对水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤进行图像重构，
33.通过水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤电导率变化情况得到混凝土实时监控图像，观测路基路面隐蔽缺陷。
34.电阻抗成像技术(electrical resistance tomography，ert)与其他传统无损检测方法的主要区别在于ert技术是一种电学手段，ert技术主要针对被测物体的电学特性(主要是电阻率和电导率)进行研究和图像重建。其通过在被测物体表面布置电极，然后在电极位置处注入一定的电流(一般情况下是低频交流电流)，并在其余电极处采集相应的电压数据，最后利用一定的图像重建算法，从电压数据中反算出被测物体电学参数的分布情况，并用可视化图像的形式展现出来。
35.根据图像重建方式的不同，可以将ert技术分为绝对ert成像和差分ert成像两大类(以下简称绝对成像和差分成像)。其中，差分成像是全局线性化的，它的计算过程相对简单，需要至少两组对应于同一目标两种状态下的电压数据。本发明方法旨在重建被测物体在初始状态(损伤前)和最终状态(损伤后)下的电导率分布的变化，通过对两个状态下的被测物体进行ert测量，利用特定的差分成像算法来计算被测物体在这两个状态下的电导率分布的差值，最终重建出能够反映被测物体破坏前后电导率变化的差分图像。因此，当被测物体的初始电导率分布可用时，线性化的差分可以提供一种快速定位到电导率变化位置的
有效方法。
36.在电传感肌肤变形前后可分别测得电传感肌肤初始状态(变形前)与最终状态(变形后)下的电压数据，并利用特定的差分成像算法来计算电传感肌肤初始状态与最终状态下的电导率分布的差值，重建出能够反映被测物体破坏前后电导率变化情况的差分图像，该差分图像可反映电传感肌肤的变形或缺陷分布情况。而所述水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤与混凝土紧密接触、协同变形，即可通过电传感肌肤的变形或缺陷分布情况来反映混凝土内部的隐蔽缺陷分布情况。
37.将电压数据导入数据处理计算机中，利用数据处理软件中建立的ert正问题、逆问题计算模型，基于等位线反投影方法的电阻层析成像技术获得水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤初始状态(变形前)与最终状态(变形后)下电导率分布情况，重建出破坏前后电导率变化情况的差分图像，该图像可反映电传感肌肤变形或缺陷分布情况，而因为电传感肌肤与混凝土紧密接触、协同变形，即可电传感肌肤的变形或缺陷分布情况来反映混凝土内部的隐蔽缺陷分布情况，以获得混凝土内部实时监控图像。
38.进一步的，将混凝土电极布置装置埋至混凝土内部，具体布置方法为：当混凝土浇筑一半厚度时，将所配置的水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉混合溶液喷涂至混凝土上表面形成下半部分水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤，达到一定厚度时阵列排布格栅铜片电极在水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤上，采用导电银膏将银丝导线一端粘贴在每个格栅铜片电极表面，将银丝导线按照设计路径引出后再采用高压喷枪将所配置水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉混合溶液喷涂至格栅铜片电极、导电银膏、银丝导线所在表面完成上半部分水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤，最后浇筑剩余预制混凝土。
39.水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤采用碳纳米管粉末与水性聚氨酯混合制备分散液组分，散装硅粉与硅粉混合磨制得到固体粉体组分，按比例将分散液组分与固体粉体组分混合搅拌，采用高压喷枪将所制混合液均匀喷涂于所测混凝土表面得到所述水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤。
40.本发明实施例2公开了一种基于电传感肌肤的路基路面隐蔽缺陷检测装置，如图1所示，包括预制混凝土电极布置模块1、电压采集仪8、交流电电源7、数据处理计算机10；其中，预制混凝土电极布置模块1埋至混凝土内部，预制混凝土电极布置模块1与电压采集仪8相连，交流电电源7与电压采集仪8相连，电压采集仪8与数据处理计算机10相连。
41.交流电电源7采用美国吉时利公司的keithley 6221型交流和直流电流源，交流电电源7可为电压采集仪8提供连续稳定的恒流，交流电电源7与电压采集仪8相连接。
42.在本发明实施例中电压采集仪8采用美国是德科技公司的agilent34970a高性能数据采集和开关主机，电压采集仪十分适于数据记录、数据采集和一般的开关与控制应用。
43.进一步的，预制混凝土电极布置模块1包括水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤2、格栅铜片电极3、导电银膏4、银丝导线5；其中，水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤2置于所测混凝土内部，银丝导线5通过导电银膏4贴在格栅铜片电极3上。
44.在本实施例中，预制混凝土电极布置装置模块1的尺寸为50cm
×
50cm
×
10cm，可用于实现水性聚氨酯/硅粉/碳纳米管复合薄膜电传感肌肤2、格栅铜片电极3、导电银膏4、银
丝导线5安装布置与埋入一体化。
45.还包括电极转换器9，电极转换器9采用可编程电极切换模型实现电极切换，电极转换器9的一端与银丝导线5相连，电极转换器9的另一端与电压采集仪8相连。
46.还包括杜邦线接头6，杜邦线接头分为公头与母头，杜邦线接头公头与银丝导线连接，杜邦线接头母头与电极转换器相连。
47.杜邦线接头公头与所述杜邦线接头母头可拆卸安装。
48.如图2、图3、图4所示，格栅铜片电极3以阵列形式或环绕形式排布在预制混凝土电极布置模块内部。
49.数据处理软件11主要基于ert开源软件eidors和matlab，数据处理软件安装在数据处理计算机10内。
50.如图5所示为本发明装置与被测混凝土位置关系图，本发明通过采用一种将水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感肌肤作为混凝土绝缘体的导电涂层，预制了可埋入、易拼接预制混凝土电极布置装置，设计了电阻层析成像系统对路基路面工程中无法通过肉眼观测所发现的隐蔽缺陷进行了差分电阻层析成像，可以通过电传感肌肤的电导率变化反演表征出混凝土绝缘体的电导率变化，最后基于数据处理软件重建混凝土的电导率分布图，以反映混凝土中存在的的无法用肉眼观察到的隐蔽缺陷，解决了常规的电阻析成像(ert)无损检测系统无法准确测量混凝土电导率变化的问题，达到可以无需破坏路面结构即可观测到路基路面隐蔽缺陷的要求，以满足大车流量、大载重路段路基路面结构工程检测与预警的需要。
51.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
52.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。