拍攝角度對紅外熱成像裂縫檢測的影響分析

陶駿杰 TAO Jun-jie；王宇晨 WANG Yu-chen；姚正軍 YAO Zheng-jun

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，揚(yáng)州 225200）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，大量的混凝土構(gòu)件被運(yùn)用到各種形式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，如基礎(chǔ)梁、板等，由于基礎(chǔ)設(shè)施所處的服役環(huán)境比較復(fù)雜，且混凝土徐變周期較長，因此導(dǎo)致混凝土構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的表面裂縫，如不及時發(fā)現(xiàn)和處置，所產(chǎn)生的后果不堪設(shè)想，所以，對混凝土裂縫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的檢測具有十分重要的工程實踐意義。

紅外熱成像作為一種新型的非接觸式無損檢測技術(shù)[1]，主要是利用外部的熱激勵源對待檢測的物體進(jìn)行加熱，使得物體存在的病害以表面溫度場異常的形式表現(xiàn)出來，并可以通過數(shù)字圖像來定位病害的位置、形狀以及大小，具有快速、非接觸等優(yōu)點(diǎn)[2]，使得其在建筑、水利等行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛[3]。既有的紅外熱成像研究主要集中于熱激勵源與材料之間的相互作用機(jī)理[4-5]、紅外熱像圖的處理分析[6-7]、和紅外熱成像圖中缺陷的定量化檢測[8-9]等方面，對于紅外熱像設(shè)備及測試中拍攝角度的討論較少，這無疑不利于工程實踐應(yīng)用。

本文利用實驗室模型試驗的方法，通過選用兩種不同規(guī)格的紅外熱成像設(shè)備，討論了拍攝角度對于混凝土裂縫檢測的影響，確定了混凝土裂縫紅外熱成像的使用條件。

1 紅外熱成像設(shè)備

紅外熱像儀根據(jù)其探測器類型可分為兩種類型：非制冷型和制冷型。盡管非制冷型的響應(yīng)速度比制冷型紅外熱像儀慢且熱靈敏度低，但非制冷型紅外熱像儀具有較低的成本和更廣泛的光譜響應(yīng)的特點(diǎn)，因此得到了較為普遍的應(yīng)用。

本文采用了兩種規(guī)格的紅外熱成像儀（TESTO，Inc.生產(chǎn)的TESTO869 和FLUKE，Inc.生產(chǎn)的TIX620），對混凝土裂縫檢測進(jìn)行比較，考慮到兩種設(shè)備價格相差巨大，若價格較低的TESTO869 與價格昂貴的TIX620 檢測效果均滿足工程實踐要求，則無疑為后期紅外成像的工程應(yīng)用提供了一種有效的途徑，這也是本文的主要出發(fā)點(diǎn)之一。兩種設(shè)備的具體規(guī)格參數(shù)如表1 所示。從表1 可知，TIX620 的成像分辨率、熱靈敏度和測溫精度均優(yōu)于TESTO869。

表1 兩種紅外相機(jī)及其主要規(guī)格

2 實驗方案

混凝土試塊的尺寸為150*150*150mm，采用分層澆筑方法，在第一層混凝土澆筑完畢之后放入一塊電熱片，隨后繼續(xù)澆筑第二層混凝土，待整個混凝土試塊澆筑完畢之后，對試塊表面進(jìn)行抹平，插入表面涂有凡士林的鐵塊來模擬表面裂縫，最后對澆筑完成的混凝土試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并在養(yǎng)護(hù)完成之后對試塊表面的鐵塊進(jìn)行拆除（圖1）。因整個實驗在實驗室內(nèi)進(jìn)行，所以采用電熱片這種主動加熱方式來模擬自然環(huán)境下的太陽輻射加熱。

在實驗過程中，紅外熱像圖是由兩個不同的紅外熱像儀同時以0°、30°和45°（其中0°為紅外熱像儀垂直于試塊表面）的角度從40cm 的距離來拍攝的。在實驗過程中選擇不同的拍攝日期來對試塊進(jìn)行不同角度的拍攝，以保證試塊在每次拍攝開始之前可以保持相同的溫度狀態(tài)。實驗過程中的拍攝條件如下：

條件1：紅外熱像儀與試塊表面法線之間的夾角為0°（圖2（a））；

圖2 試驗條件示意圖

條件2：紅外熱像儀與試塊表面法線之間的夾角為30°（圖2（b））；

條件3：紅外熱像儀與試塊表面法線之間的夾角為45°（圖2（c））。

本次為實驗室內(nèi)試驗，試塊的熱源僅為電熱片，設(shè)置在兩層混凝土材料之間，由于室內(nèi)使用空調(diào)，室溫基本保持穩(wěn)定，對試塊加熱時間為8 分鐘。

3 實驗結(jié)果分析

為了研究拍攝角度對于紅外熱成像法表面裂縫檢測效果的影響，本次室內(nèi)實驗比較了試塊降溫過程中兩種紅外熱像儀所拍攝的試塊表面溫度數(shù)據(jù)。在這個紅外熱像儀讀取數(shù)據(jù)的對比當(dāng)中，從每個紅外熱像圖中讀取了如圖3所示的兩個標(biāo)記點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，即裂縫區(qū)域和非裂縫區(qū)域。在通過紅外熱像儀讀取每幅紅外熱像圖中兩個標(biāo)記點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)的同時，利用測溫儀對試塊表面非裂縫區(qū)域進(jìn)行同步的記錄。

圖3 通過紅外熱像圖進(jìn)行溫度比較的標(biāo)記點(diǎn)

圖4給出了每種拍攝條件下每個標(biāo)記點(diǎn)在不同時刻下通過兩種紅外熱像儀所讀取的溫度數(shù)據(jù)。由圖可知，拍攝條件1 下兩種紅外熱像儀所獲取的非裂縫區(qū)域溫度數(shù)據(jù)都與測溫計數(shù)據(jù)更加接近，盡管FLUKE TIX620 所獲取的非裂縫區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)要略高于TESTO869。對比拍攝條件2 和3 下裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在不同的拍攝角度下，兩種紅外熱像儀所獲取的裂縫區(qū)及非裂縫區(qū)域溫度數(shù)據(jù)都各自以相似的速率下降，但同一時刻不同拍攝角度下同一種類型的紅外熱像儀因拍攝角度而獲取的同一標(biāo)記點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)會相差大約0.5 到1.5℃。通過Nishikawa[10]等人的研究發(fā)現(xiàn)，這些溫度差異可能是由于目標(biāo)物體的紅外輻射在紅外熱像儀的發(fā)射角上的反射所引起的。盡管在三種拍攝條件下因拍攝角度的差異使得兩個紅外熱像儀讀取的標(biāo)記點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)不同，但在三種情況下每個紅外熱像儀都可以看到裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域之間的溫度差異，而不管其他紅外熱像儀的溫度讀數(shù)如何。

圖4 不同拍攝條件下的裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的紅外溫度數(shù)據(jù)

對于紅外熱成像無損檢測來說，雖然混凝土表面溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是最重要的，但是裂縫與非裂縫區(qū)溫度差才是實現(xiàn)裂縫檢測的關(guān)鍵。圖5 給出了三種拍攝條件下的溫差計算結(jié)果，可知雖然因拍攝角度的差異、紅外熱像儀的規(guī)格差異使得獲取的試塊表面溫度值發(fā)生變化，但若裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域之間的溫度差異達(dá)到紅外熱像儀的熱靈敏度、測溫精度的要求，裂縫區(qū)域依舊可以通過紅外熱成像法進(jìn)行檢測。

圖5 三種拍攝條件下試塊表面裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的溫差

紅外熱成像儀除了能給出區(qū)域溫度值外，還可以通過紅外熱像圖的方式對測試結(jié)果進(jìn)行直觀展示，如圖6 為拍攝角度為0 度的情況下兩種紅外熱像儀獲取的紅外熱像圖。

圖6 拍攝角度為0 度的情況下兩種紅外熱像儀獲取的紅外熱像圖

由圖6 可知，TIX620 所拍攝的紅外熱像圖可以清晰地展現(xiàn)試塊邊緣和裂縫邊緣，并且因為TIX620 在熱靈敏度和分辨率上比TESTO869 更加具有優(yōu)勢，使得TIX620所拍攝的紅外圖像中可以清晰地以不同的顏色來區(qū)分試塊表面不同的溫度梯度，同時對于裂縫區(qū)域和非裂縫區(qū)域在紅外熱像圖上的可見性來說，TIX620 所拍攝的紅外熱像圖更具有優(yōu)勢。這些結(jié)果表明，紅外熱像儀的性能參數(shù)會對紅外熱像圖上的表面裂縫病害的指示可見性具有明顯的影響。

綜上分析可知，從垂直于目標(biāo)物體表面的角度進(jìn)行檢測時所獲取的測試數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確，雖然測溫精度會導(dǎo)致測試結(jié)果精度有差別，但拍攝角度對于紅外熱像儀的測溫準(zhǔn)確性的影響更大，特別是在裂縫檢測僅考慮溫差的情況下，只要工程條件滿足了紅外熱像儀的熱靈敏度，便可以應(yīng)用符合條件的設(shè)備進(jìn)行檢測，價格昂貴的設(shè)備不是符合工程應(yīng)用的唯一選擇。

4 結(jié)論與建議

①紅外熱成像設(shè)備在滿足熱靈敏度的條件下，可以實現(xiàn)混凝土表面裂縫的有效檢測。

②垂直于目標(biāo)物體的角度進(jìn)行檢測時所得到的溫度測量數(shù)據(jù)較其他角度而言更為準(zhǔn)確。

③與設(shè)備的測溫精度相比較，拍攝角度對于紅外熱像儀的測溫準(zhǔn)確性的影響更大。

④建議在滿足工程精度的條件下，推廣使用非接觸式的紅外熱成像裂縫檢測技術(shù)。