紅外熱像技術(shù)在建筑中的應(yīng)用與分析

師建平

（甘肅恒達(dá)誠(chéng)鑫工程建筑檢測(cè)有限公司天水分公司，甘肅 天水 741000）

在建筑工程無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，基于聲、光、電、磁等物理原理的方法眾多，諸如超聲波檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)、電磁檢測(cè)和紅外熱像檢測(cè)等，這些無(wú)損檢測(cè)的本質(zhì)均是利用物質(zhì)之間的物性差異而進(jìn)行[1]。其中，紅外熱像檢測(cè)是利用測(cè)試物體散發(fā)紅外線(xiàn)波場(chǎng)，反演物體的其他參數(shù)，諸如熱分布場(chǎng)、結(jié)構(gòu)均勻性、熱傳導(dǎo)率等，獲得的熱像圖可以便捷地識(shí)別建筑結(jié)構(gòu)物的缺陷[2]。因此，與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法相比，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在建筑工程檢測(cè)中的得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

1 紅外熱像技術(shù)的基本原理

在現(xiàn)實(shí)物理世界中，任何物體只要具備一定的溫度且比絕對(duì)溫度高，它在任意時(shí)刻都會(huì)散發(fā)紅外線(xiàn)輻射，這種光線(xiàn)的光譜位于可見(jiàn)光的紅色光外側(cè)，波長(zhǎng)約0.80～1000μm，因此叫做紅外線(xiàn)[4]。紅外線(xiàn)含有物體大量的特征信息，如熱力溫度場(chǎng)可以反映結(jié)構(gòu)物的熱傳導(dǎo)特性，通過(guò)熱力溫度場(chǎng)中的異常值來(lái)推測(cè)物體的某種特性，如建筑物的外墻缺陷、結(jié)構(gòu)物中的局部滲水以及建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量損傷等[5]。紅外線(xiàn)在遵循一般的可見(jiàn)光傳播規(guī)律之外，也存在著自身特有的規(guī)律，如遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律、維恩位移定律和普朗克定律等[6]。一般而言，衡量紅外線(xiàn)輻射的功率的物理指標(biāo)為光譜輻射率PλT，如公式（1）所示。

式中：λ為紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)；T為物體的溫度；e為自然底數(shù)；C1為第一輻射系數(shù)，其數(shù)值為C1=3.74209×10-16w·m2；C2為第二輻射系數(shù)，其數(shù)值為C1=1.4390×10-2m·K。

紅外熱像檢測(cè)時(shí)，使用紅外熱像儀對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行掃描，物體產(chǎn)生的紅外線(xiàn)輻射穿過(guò)探測(cè)設(shè)備的光學(xué)成像物鏡，被紅外探測(cè)器中的光學(xué)敏感元件采集到輻射紅外線(xiàn)光子，并將光子的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，記錄的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信號(hào)放大、濾波等處理轉(zhuǎn)化為紅外熱像圖，使得不可見(jiàn)的紅外線(xiàn)能量以可見(jiàn)的紅外熱像圖形式在電視屏幕或者監(jiān)視器中顯示[7]。

2 建筑結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)對(duì)紅外熱像檢 測(cè)結(jié)果的影響分析

紅外熱像檢測(cè)技術(shù)利用的是物體輻射的紅外線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)反演建筑結(jié)構(gòu)物的物理性質(zhì)，屬于非接觸性、無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)設(shè)備與被測(cè)物體之間存在一定的距離，檢測(cè)過(guò)程也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，但是紅外熱像的解譯精度獲得的熱力參數(shù)受到被測(cè)物體的諸多熱力參數(shù)和物理參數(shù)的影響，在實(shí)際工程中紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用存在一定程度的阻礙[8]。為此，以建筑物表面結(jié)構(gòu)缺陷為例，利用數(shù)值模擬方法設(shè)置不同的建筑結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)，研究其對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響。建筑結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)共有3種，分別為熱流密度、缺陷深度、缺陷尺寸。

數(shù)值模擬計(jì)算采用邁達(dá)斯MIADAS GTS有限元分析軟件建立二維平面模型進(jìn)行運(yùn)算，基本模型尺寸長(zhǎng)度為50cm，寬度為25cm，材料屬性為C40混凝土，其密度為25kg/cm3，比熱容為835J/kg·K；在模型中設(shè)置有一個(gè)邊長(zhǎng)為4cm的正方形缺陷，缺陷距離結(jié)構(gòu)物表面的距離為2cm，缺陷屬性為空氣，其密度為0kg/cm3，比熱容為1J/kg·K。計(jì)算過(guò)程中，模擬的表面加熱的熱流密度為700w/m2。為比較熱流密度對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響，將缺陷的熱流密度分別設(shè)置為70、700、7000w/m2；為比較缺陷深度對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響，將缺陷的深度分別設(shè)置為1.0、2.0、4.0cm；為比較缺陷尺寸對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響，將正方形缺陷的邊長(zhǎng)分別設(shè)置為2.0、4.0、8.0cm。

圖1為不同缺陷熱流密度對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當(dāng)熱流密度為70w/m2時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，物體表面與缺陷之間的溫度差基本沒(méi)有變化，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較難獲得缺陷異常；當(dāng)熱流密度為700w/m2時(shí)，物體表面與缺陷之間的熱流密度一致，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，初始階段物體表面與缺陷之間的溫度差存在非線(xiàn)性段，但時(shí)間大于300s后，物體表面與缺陷之間的溫度差呈現(xiàn)近線(xiàn)性增加，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較容易獲得缺陷異常；當(dāng)熱流密度為7000w/m2時(shí)，缺陷的熱流密度遠(yuǎn)大于物體表面的熱流密度，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，初始階段物體表面與缺陷之間的溫度差存在非線(xiàn)性段，但時(shí)間大于300s后，物體表面與缺陷之間的溫度差呈現(xiàn)近線(xiàn)性增加，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)容易獲得缺陷異常。綜合可知，物體表面與缺陷之間的熱流密度越大，紅外熱像越容易獲得缺陷異常。

圖1 不同缺陷熱流密度對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響曲線(xiàn)

圖2為不同缺陷深度對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當(dāng)缺陷深度為4.0cm時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，物體表面與缺陷之間的溫度差增加幅度基本可以忽略不計(jì)，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較難獲得缺陷異常；當(dāng)缺陷深度為2.0cm，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，初始階段物體表面與缺陷之間的溫度差存在非線(xiàn)性段，但時(shí)間大于300s后，物體表面與缺陷之間的溫度差呈現(xiàn)近線(xiàn)性增加，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較容易獲得缺陷異常；當(dāng)缺陷深度為1.0cm，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，物體表面與缺陷之間的溫度差呈現(xiàn)近線(xiàn)性增加，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)容易獲得缺陷異常。綜上可知，缺陷的深度越小，物體表面與缺陷之間的溫度差越大，紅外熱像越容易獲得缺陷異常，缺陷深度大于一定深度后，紅外熱像就無(wú)法識(shí)別缺陷的位置。

圖2 不同缺陷深度對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響曲線(xiàn)

圖3為不同缺陷尺寸對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當(dāng)缺陷邊長(zhǎng)為2.0cm時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，物體表面與缺陷之間的溫度差增加幅度基本可以忽略不計(jì)，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較難獲得缺陷異常；當(dāng)缺陷邊長(zhǎng)為2.0cm，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，初始階段物體表面與缺陷之間的溫度差存在非線(xiàn)性段，但時(shí)間大于300s后，物體表面與缺陷之間的溫度差呈現(xiàn)近線(xiàn)性增加，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較容易獲得缺陷異常；當(dāng)缺陷邊長(zhǎng)為8.0cm，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，初始階段物體表面與缺陷之間的溫度差存在非線(xiàn)性段，但時(shí)間大于300s后，物體表面與缺陷之間的溫度差呈現(xiàn)近線(xiàn)性增加，因此在紅外熱像檢測(cè)時(shí)較容易獲得缺陷異常。綜合可知，缺陷的尺寸越大，物體表面與缺陷之間的溫度差越大，紅外熱像越容易獲得缺陷異常，缺陷邊長(zhǎng)小于一定尺寸后，紅外熱像就無(wú)法識(shí)別缺陷的大小。

圖3 不同缺陷尺寸對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的影響曲線(xiàn)

3 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)表 面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用效果

甘肅省蘭州市某建筑修建于2006年，為混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，由主樓和裙樓組成，主樓結(jié)構(gòu)層高21層，裙樓結(jié)構(gòu)層高5層，建筑總面積約22000m2。建筑外墻采用白色釉面瓷磚裝飾，尺寸的為7.5cm×1.5cm，厚度為0.5cm，裝飾瓷磚采用水泥砂漿與建筑混凝土結(jié)構(gòu)外墻進(jìn)行粘貼。由于建筑物長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，白色釉面裝飾瓷磚出現(xiàn)不同程度的剝落、空鼓、破損等現(xiàn)象，極大地影響建筑物的美觀(guān)，也存在安全隱患。為此，借助紅外熱像技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)物的白色釉面裝飾瓷磚進(jìn)行掃描檢測(cè)，以為缺陷的整治提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

工程測(cè)試時(shí)采用的檢測(cè)設(shè)備為NEC TH5102紅外熱像儀，其可測(cè)試溫度范圍大，能夠測(cè)試物體表面的熱場(chǎng)分布范圍為-20～200℃，最小溫度分辨率達(dá)到0.03℃，測(cè)量精度可達(dá)到±0.5%，可檢測(cè)紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)范圍從8～12μm不等，成像范圍在水平方向?yàn)?0°，縱向方向?yàn)?8°，水平方向上的圖像像素為225點(diǎn)，垂直方向上的圖像像素為233點(diǎn)，聚焦范圍大于等于30cm。

對(duì)整棟建筑物的外表面進(jìn)行紅外線(xiàn)掃描，獲得的紅外熱像如圖4所示。從圖中可以看出，在白色釉面裝飾瓷磚存在缺陷的位置，紅外熱像可以容易地進(jìn)行識(shí)別和確定，為了進(jìn)一步驗(yàn)證紅外熱像檢測(cè)結(jié)果的可靠性，采用敲擊法進(jìn)行驗(yàn)證，兩者的對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，不同缺陷邊長(zhǎng)等級(jí)的紅外熱像檢測(cè)結(jié)果與敲擊法驗(yàn)證結(jié)果基本一致，準(zhǔn)確率均大于85%，表明采用紅外熱像技術(shù)可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的缺陷得到可靠的分析結(jié)果。

圖4 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)表面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

表1 紅外熱像技術(shù)與敲擊法對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

以甘肅省蘭州市某建筑為紅外熱像檢測(cè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究手段，分析了缺陷熱流密度、缺陷深度和缺陷尺寸對(duì)紅外熱像檢測(cè)效果的影響，并應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）物體表面與缺陷之間的熱流密度越大，物體表面與缺陷之間的溫度差越大，紅外熱像越容易獲得缺陷異常；

（2）缺陷的深度越小，物體表面與缺陷之間的溫度差越大，紅外熱像越容易獲得缺陷異常，缺陷深度大于一定深度后，紅外熱像就無(wú)法識(shí)別缺陷的位置；

（3）缺陷的尺寸越大，物體表面與缺陷之間的溫度差越大，紅外熱像越容易獲得缺陷異常，缺陷邊長(zhǎng)小于一定尺寸后，紅外熱像就無(wú)法識(shí)別缺陷的大??；

（4）不同缺陷邊長(zhǎng)等級(jí)的紅外熱像檢測(cè)結(jié)果與敲擊法驗(yàn)證結(jié)果基本一致，準(zhǔn)確率均大于85%，表明采用紅外熱像技術(shù)可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的缺陷得到可靠的分析結(jié)果。