電子技術(shù)論文紅外無損檢測(cè)技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用研究

　　建筑工程質(zhì)量直接關(guān)系到人民群眾的切身利益，如何對(duì)建筑工程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)成為工程質(zhì)量監(jiān)督部門的一大難題。目前紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用還不廣泛，故紅外熱像技術(shù)在建筑工程中用來無損探測(cè)，分析和掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的便成了一項(xiàng)新技術(shù)。本文將具體介紹目前紅外無損檢測(cè)技術(shù)在我國建筑工程中各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)其未來發(fā)展做了進(jìn)一步的探討。

　　《今日電子》(月刊)創(chuàng)刊于1993年，由信息產(chǎn)業(yè)部下屬的電子工業(yè)出版社與美國國際數(shù)據(jù)集團(tuán)(IDG)主辦，美國赫斯特(Hearst)出版公司協(xié)辦。雜志面向電子工程師和工程經(jīng)理，涵蓋集成電路、元器件、電源、儀器、通信、測(cè)試、設(shè)計(jì)及軟件等方面，包括最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，熱點(diǎn)問題討論、新產(chǎn)品、新技術(shù)及其應(yīng)用等內(nèi)容，側(cè)重報(bào)道產(chǎn)品、技術(shù)、應(yīng)用和市場(chǎng)趨勢(shì)，積極促進(jìn)電子技術(shù)的交流與發(fā)展，是業(yè)界很有影響的刊物。

　　1 引言

　　紅外檢測(cè)技術(shù)是近年新興的建筑物無損檢測(cè)方法,其紅外成像技術(shù)是集先進(jìn)的光電子技術(shù)、紅外探測(cè)器技術(shù)和紅外圖像處理技術(shù)于一身的高科技產(chǎn)品，隨著電子計(jì)算機(jī)和信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，這一技術(shù)在近年來得到了前所未有的發(fā)展。由于它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),能補(bǔ)充傳統(tǒng)檢測(cè)手段的不足,正日益受到人們的重視和應(yīng)用。

　　紅外無損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在建筑診斷學(xué)中取得了許多顯著效果。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)我們可用熱像儀進(jìn)行觀測(cè)，利用紅外圖像的異常點(diǎn)來檢測(cè)其內(nèi)部及表面缺陷，并及時(shí)采取措施檢修，防止事故發(fā)生。

　　與常規(guī)的超聲、射線、電磁等無損檢測(cè)技術(shù)相比,紅外無損檢測(cè)技術(shù)具有如下突出特點(diǎn)：

　　(1)是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)被測(cè)物體沒有任何影響。

　　(2)遠(yuǎn)距離、空間分辨率高、檢測(cè)范圍廣，對(duì)其它檢測(cè)技術(shù)有互補(bǔ)作用。

　　(3)安全可靠，對(duì)人體無害。

　　(4)靈敏度高，檢測(cè)速度快。

　　(5)只要被測(cè)目標(biāo)與周圍環(huán)境表現(xiàn)出不同的熱力學(xué)特征,就能被探測(cè)到。

　　本文將詳細(xì)介紹紅外無損檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)原理以及在建筑工程各個(gè)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。

　　2 紅外熱像儀的基本工作原理

　　任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng)，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng)，俗稱“熱像”。很多信息可以通過紅外圖像進(jìn)行有效反映。紅外成像是唯一一種可以將熱信息瞬間可視化，并加以驗(yàn)證的診斷技術(shù)。紅外輻射是由原子或分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起的自然界中任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都能輻射紅外線,紅外輻射功能率與物體的表面溫度密切相關(guān),而其表面溫度場(chǎng)的分布直接反應(yīng)傳熱時(shí)材料的熱工性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面狀況對(duì)熱分布的影響,一般材料的溫度與紅外輻射功率的關(guān)系可表示為下式:

　　M=(1)

　　式中,M是物體表面單位面積輻射的紅外輻射功能();T是物體表面的絕對(duì)溫度(K);是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),=5.673();是物體的發(fā)射率(),它隨物體的種類、性質(zhì)和表面狀況不同而異。因此,紅外熱成像就是把來自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成可見的熱圖像,通過直觀地分析物體表面的溫度分布,推定物體表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷,并以此判斷材料性質(zhì)和受損情況的一種無損檢測(cè)方法。

　　物體內(nèi)部出現(xiàn)缺陷時(shí),其表面的熱場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。因此,通過接收來自物體表面的熱波,就可以對(duì)物體內(nèi)部的狀態(tài)作出判斷。一般材料的熱傳導(dǎo)方程為：

　　(2)

　　式中:

　　t—溫度(℃或K);λ—導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m.K)];τ—時(shí)間(s或h);ρ—密度(kg/);

　　α—熱擴(kuò)散率(導(dǎo)溫系數(shù):/s);c—比熱(J/kg.K)。

　　材料的λ、ρ和c不同，使物體表面的溫度和輻射率不同，從而影響紅外輻射的數(shù)量，并形成各種不同特征的紅外熱像圖。當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫和缺陷時(shí)，它將改變物體的熱傳導(dǎo)，使物體表面溫度分布產(chǎn)生差別，利用紅外熱像的檢測(cè)儀測(cè)量它的不同熱輻射，可以查出物體的缺陷位置。在進(jìn)行具體計(jì)算時(shí)此式還可以做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。

　　紅外診斷技術(shù)正是通過吸收這種紅外輻射能量，測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布，從而判斷能檢測(cè)出混凝土細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映其內(nèi)部、外部的異常情況，可靠性高，對(duì)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患非常有效。紅外熱像儀就是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)(目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng))接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)(焦平面熱像儀無此機(jī)構(gòu))對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。工作原理如圖1所示.這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。

　　圖1熱成像系統(tǒng)的工作原理

　　3在建筑工程中的應(yīng)用領(lǐng)域

　　3.1火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度的檢測(cè)

　　混凝土材料遭受火災(zāi)高溫作用后,將發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化:諸如水泥石、骨料的相變,裂紋增多,結(jié)構(gòu)疏松多孔,水泥石-骨料界面的開裂、脫節(jié)等。使混凝土由表及里逐漸疏松開裂。不同的受火溫度、持續(xù)時(shí)間，將造成不同深度和程度的損傷，使混凝土導(dǎo)溫系數(shù)發(fā)生變化。從而引起材料熱傳導(dǎo)性能的變化，導(dǎo)致紅外輻射隨受損情況不同而各異，并可形成不同特征的紅外熱圖譜像。混凝土試件受不同溫度作用后的紅外熱像特征及其力學(xué)性能變化規(guī)律的基本趨勢(shì)是：火燒溫度越高，損傷越嚴(yán)重，紅外熱像溫度越高。受災(zāi)溫度低于400°C時(shí)混凝土損傷不明顯，熱像平均溫升變化很小，強(qiáng)度略有反彈。500°C以上的高溫對(duì)混凝土有較嚴(yán)重的損傷,強(qiáng)度下降迅速，熱像溫度也明顯升高。為此建立了紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強(qiáng)度損失的檢測(cè)模型

　　根據(jù)數(shù)學(xué)原理,紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強(qiáng)度損失的兩個(gè)線性關(guān)系可表達(dá)如下：

　　，(3)

　　線性相關(guān)系數(shù)。

　　，(4)

　　線性相關(guān)系數(shù)。

　　式中：為混凝土的紅外熱像平均溫升，;T為混凝土的受火溫度，;為混凝土的強(qiáng)度損失，%。

　　通過分析便可識(shí)別和鑒定火燒混凝土的受災(zāi)溫度及損傷情況。為火災(zāi)建筑物的修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)。

　　3.2.建筑物外墻飾面貼磚(面層)的檢測(cè)

　　經(jīng)過幾年的研究工作和實(shí)際工程應(yīng)用，紅外熱像法對(duì)建筑物外墻飾面施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)已趨成熟，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已通過中國建筑科學(xué)研究院組織的技術(shù)審查。

　　當(dāng)外墻飾面材料粘結(jié)質(zhì)量有問題的時(shí)候，在外墻飾面材料之間或與主體結(jié)構(gòu)材料之間就會(huì)形成很薄的空氣層，由于這個(gè)空氣層有很好的隔熱性能，所以飾面材料的空鼓部分使外墻飾面和建筑結(jié)構(gòu)材料之間的熱傳遞就變得很小。混凝土或鋼筋混凝土墻體的熱容量很大，在正常情況下，外墻表面的溫度比結(jié)構(gòu)材料的溫度高時(shí)，熱量會(huì)由外墻飾面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)墻體材料;當(dāng)外墻溫度低時(shí)，則熱量會(huì)翻向傳遞。由于飾面材料空鼓部分與結(jié)構(gòu)材料之間的熱傳遞很少，因此，有空鼓的外墻在日照或外氣溫發(fā)生變化時(shí)，比正常墻面的溫度變化大。一般來說，日照時(shí)外墻表面溫度升高，此時(shí)，由于空鼓部位的熱量未及時(shí)傳遞給飾面基底，所以溫度比正常部位的溫度低。紅外根據(jù)這個(gè)原理，通過外墻表面溫度場(chǎng)的變化來判斷飾面工程的質(zhì)量。

　　其理論基礎(chǔ)是飾面磚在升溫過程中,其吸收熱量與溫度的關(guān)系為

　　(5)

　　式中H—外部熱源傳至飾面磚的熱量;B—飾貼面磚上單位面積的熱容量;K—飾面磚與墻之間的導(dǎo)熱率;—飾面磚的表面溫度;—墻的溫度。

　　由(1)式解得

　　(6)

　　若想紅外熱像中的缺陷分布明顯易辨，需要外部熱源比較強(qiáng)烈，如日照較強(qiáng)時(shí)，有利于缺陷的分辨;而日照不強(qiáng)或陰天時(shí)，較難準(zhǔn)確辨別缺陷。故紅外熱像檢測(cè)外墻飾面應(yīng)在無雨、低風(fēng)速、強(qiáng)日光的環(huán)境條件下進(jìn)行，檢測(cè)時(shí)應(yīng)考慮建筑物的方位、周邊環(huán)境有無遮擋等因素，選擇最佳拍攝時(shí)間，對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理分析，判斷外墻飾面損壞情況。

　　類似的在加固工程中混凝土構(gòu)件粘鋼質(zhì)量也可以利用紅外熱像技術(shù)檢測(cè)。

　　3.3墻體、管道滲漏檢測(cè)

　　屋面防水層失效和墻面微裂，造成雨水滲漏，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)可以檢出水分滲入隱匿部位。由于室內(nèi)熱擴(kuò)散，陽光被吸收和傳導(dǎo)均可使?jié)B漏部位與周邊正常部位溫度分布的有所差異，因而可采用紅外熱像技術(shù)加以檢測(cè)、分析判斷。

　　如果建筑物表面深層相對(duì)于周圍的材料表現(xiàn)出熱或涼，則其表面的溫度也相應(yīng)地表現(xiàn)出熱或涼，借助紅外熱像儀可探測(cè)出這一深層熱或涼的位置。通常稱之為熱源法。利用這種方法，可以方便地探測(cè)出地下管道的位置，如果地下管道隔熱層斷裂，那么在表面將會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，此類故障可用熱像儀直接測(cè)得。管道熱水泄漏浸透周圍區(qū)域，使區(qū)域?qū)嵝栽黾樱瑥亩怪車鷾囟缺葻o泄漏干燥區(qū)溫度高，據(jù)此可探測(cè)泄漏部位。

　　3.4鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷檢測(cè)

　　鋼材的熱傳導(dǎo)性很好，在自然光的照射下，鋼結(jié)構(gòu)表面溫度相差很小。如果對(duì)鋼結(jié)構(gòu)通以電流，電流流經(jīng)鋼材時(shí)做功而使之發(fā)熱，當(dāng)鋼材內(nèi)部存在缺陷時(shí)，缺陷部位就會(huì)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，電流通過時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)出溫度異常，根據(jù)這種異常就能存在缺陷存在的位置。

　　3.5建筑節(jié)能檢測(cè)

　　在我國隨著對(duì)建筑節(jié)能要求的提高，建筑物的節(jié)能檢測(cè)勢(shì)在必行，那擺在我們面前的就是怎樣知道建筑保溫絕熱效果，采用紅外熱像可檢測(cè)出建筑物的能量損失程度，就能準(zhǔn)確地得到建筑保溫絕熱效果，對(duì)建筑物的隔熱保溫性能的評(píng)價(jià)具有很大的借鑒意義。但目前我國紅外熱像技術(shù)在節(jié)能檢測(cè)領(lǐng)域的研究尚屬起步階段，還沒有確定的指標(biāo)對(duì)建筑物的熱像圖進(jìn)行節(jié)能定量評(píng)價(jià)。

　　3.6其他領(lǐng)域

　　利用紅外成像技術(shù)，晚上在高處用熱像儀掃描白天經(jīng)過太陽暴曬的機(jī)場(chǎng)跑道,可以檢查出厚度為(30至40)cm水泥板與土層的粘接缺陷。此外紅外熱像檢測(cè)技術(shù),可初步評(píng)估混凝土的缺陷程度，包括混凝土的內(nèi)部空鼓和裂縫狀態(tài)，為建筑物的修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)。作者曾參與的對(duì)某工程的檢測(cè)圖像之一如下：

　　圖2某混凝土結(jié)構(gòu)表面的紅外熱像圖譜

　　熱像圖譜中所圈出的部位，經(jīng)過進(jìn)一步的檢測(cè)，在保護(hù)層的20mm下面發(fā)現(xiàn)此兩處結(jié)構(gòu)確實(shí)存在內(nèi)部缺陷，有空洞現(xiàn)象，混凝土澆筑不密實(shí)。圖片來源于[5]。

　　4 結(jié)論及展望

　　房屋熱診斷學(xué)是近年來從土木工程學(xué)科中演變分化出來的一門新學(xué)科.而紅外無損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在房屋熱診斷學(xué)中取得了顯著的效果，但其在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還處于形成和發(fā)展階段，從理論到實(shí)際應(yīng)用還有很多基礎(chǔ)性和技術(shù)性的工作需要深入研究。未來的發(fā)展方向如下：

　　(1)與其它檢測(cè)方法綜合利用

　　紅外成像檢測(cè)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),但也有自身的局限性,例如,它局限于建筑物表層和淺層的檢測(cè),未能涉及結(jié)構(gòu)材料的深層內(nèi)部。因此它需要與其它檢測(cè)手段互補(bǔ)組合,如,與聲發(fā)射及超聲波檢測(cè)手段匹配組合,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),方能比較全面地鑒定建筑物的質(zhì)量。

　　(2)檢測(cè)由定性化向定量化發(fā)展

　　紅外技術(shù)在建筑物質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用近年來才起步，對(duì)于建筑物許多方面的紅外檢測(cè)多停留在定性判斷水平階段，其研究現(xiàn)狀和工程檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)尚不足以建立比較成熟的定量化模型。但隨著各國的研究者對(duì)其技術(shù)定量化的研究以及大量的實(shí)驗(yàn)室模擬,相信不久在建筑工程領(lǐng)域中紅外無損檢測(cè)技術(shù)必定成為定量化的檢測(cè)技術(shù)。

　　(3)檢測(cè)方法的系統(tǒng)化和規(guī)范化

　　目前對(duì)紅外無損檢測(cè)技術(shù)缺乏相應(yīng)的操作規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，故對(duì)其的系統(tǒng)化、規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化研究也是今后發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。

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　　[5]劉守亮.紅外熱像技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的應(yīng)用.第六屆全國土木工程研究生學(xué)術(shù)論文集.2008