1、本文在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助下開展了機(jī)敏混凝土結(jié)構(gòu)的電阻率層析成像研究。 電阻率層析成像(簡(jiǎn)稱ERT)由于具有非侵入性、在線、無放射性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低廉、設(shè)備搬運(yùn)靈活、響應(yīng)快速、監(jiān)測(cè)結(jié)果直觀、監(jiān)測(cè)信息量大等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、地球物理勘探、水文結(jié)構(gòu)探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用尚未見有報(bào)道，其主要原因是混凝土本身的電阻率太大且不穩(wěn)定。在混凝土中加入少量碳纖維形成的機(jī)敏混凝土(簡(jiǎn)稱CFRC)具有導(dǎo)電性和壓

2、敏性，由此使得ERT技術(shù)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)成像監(jiān)測(cè)成為可能。 本文提出了用ERT技術(shù)對(duì)CFRC結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像監(jiān)測(cè)的新方法。該方法通過對(duì)CFRC結(jié)構(gòu)表面電流、電壓的施加和測(cè)量來獲得攜帶其內(nèi)部電阻率分布信息的投影數(shù)據(jù)，再利用反演計(jì)算方法重建出反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部物質(zhì)構(gòu)成和狀態(tài)的電阻率分布圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CFRC結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。 在對(duì)ERT基本原理和相關(guān)理論進(jìn)行全面系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，深入研究了ERT技術(shù)在CFRC結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的相關(guān)問題。主

3、要?jiǎng)?chuàng)新工作如下： 1.提出了一種ERT測(cè)量(投影)方法。與其它投影方法不同，該方法測(cè)量的所有測(cè)量參考點(diǎn)都選在低電勢(shì)的激勵(lì)電極上，測(cè)量系統(tǒng)采集時(shí)將所有激勵(lì)和測(cè)量電極的電位(參考點(diǎn)為 OV)都采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，并按編號(hào)記錄各電極測(cè)量值。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用較簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電壓激勵(lì)條件和響應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)的完備記錄。 2．開發(fā)設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜電阻率分布的ERT數(shù)值投影方法，實(shí)現(xiàn)了CFRC結(jié)構(gòu)ERT的測(cè)量模擬。通過參數(shù)

4、化孔洞模型的建立、計(jì)算機(jī)輔助建模軟件開發(fā)和程序自動(dòng)生成技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了在ANSYS中的任意復(fù)雜電阻率分布的有限元模型建立、載荷變換、求解和投影數(shù)據(jù)記錄等數(shù)值投影操作的自動(dòng)處理功能，解決了在ANSYS中進(jìn)行交互方式ERT測(cè)量數(shù)值模擬的工作量龐大、投影周期長(zhǎng)和容易出錯(cuò)等問題。 3．提出了一種基于物理模型的ERT圖像重建算法一等位線修正算法。該方法通過將等位線劃分區(qū)域的各單元未知量組合為一個(gè)整體處理，實(shí)現(xiàn)了未知量的降維，使得單次激勵(lì)的

5、ERT不適定反問題轉(zhuǎn)化為ERT適定反問題，提高解的穩(wěn)定性。當(dāng)換用另一次激勵(lì)時(shí)，由于等位線劃分區(qū)域不同，因而各單元未知量的組合方法也不同，這種動(dòng)態(tài)降維方法允許ERT有限元單元個(gè)數(shù)超過獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高空間分辨率的ERT圖像穩(wěn)定重建。與非反投影類算法相比，該方法不需要求解Jacobi矩陣和Hessian矩陣，不需要正則化方法，具有算法原理直觀、速度快、求解穩(wěn)定和精度高等特點(diǎn)；與一般反投影類算法相比，該方法由于可進(jìn)行多次等位線修正的

6、迭代，因而圖像重建精度較高。 4．研制了CFRC結(jié)構(gòu)的ERT軟硬件系統(tǒng)。本文在對(duì)ERT基本原理和關(guān)鍵理論進(jìn)行全面系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，首次研制了一套應(yīng)用于CFRC結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的ERT軟硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ERT投影測(cè)量軟硬件子系統(tǒng)、ERT系統(tǒng)配置模塊、ERT投影模型定義模塊、ERT重建模型定義模塊、ERT圖像重建模塊和圖像顯示處理模塊等組成。該系統(tǒng)的研制為進(jìn)一步的CFRC結(jié)構(gòu)ERT研究提供了一個(gè)獨(dú)立且完整的平臺(tái)。 5．進(jìn)行了多種截

7、面形狀結(jié)構(gòu)和非均勻電極布置的ERT研究。目前ERT的研究對(duì)象截面形狀往往比較確定，其ERT電極一般都采用均勻布置方式。如地球物理勘探的ERT測(cè)試對(duì)象為大地，截面形狀為半無限空間，ERT電極采用等間距布置；工業(yè)流型監(jiān)測(cè)的ERT測(cè)試對(duì)象為工業(yè)管道，截面形狀為圓形，ERT電極采用均勻布置在管道圓周上。本文利用所研制的ERT系統(tǒng)進(jìn)行了多種截面形狀(包括方形截面ERT、長(zhǎng)條形路面ERT和幾種異形截面ERT)和不同電極布置方式的ERT仿真研究。研究