电子技术论文红外无损检测技术在建筑工程中的应用研究

　　建筑工程质量直接关系到人民群众的切身利益，如何对建筑工程质量进行监督检验成为工程质量监督部门的一大难题。目前红外检测技术对建筑结构工程中的应用还不广泛，故红外热像技术在建筑工程中用来无损探测，分析和掌握结构内部状态的便成了一项新技术。本文将具体介绍目前红外无损检测技术在我国建筑工程中各个领域的应用，并对其未来发展做了进一步的探讨。

　　《今日电子》(月刊)创刊于1993年，由信息产业部下属的电子工业出版社与美国国际数据集团(IDG)主办，美国赫斯特(Hearst)出版公司协办。杂志面向电子工程师和工程经理，涵盖集成电路、元器件、电源、仪器、通信、测试、设计及软件等方面，包括最新技术发展动态，热点问题讨论、新产品、新技术及其应用等内容，侧重报道产品、技术、应用和市场趋势，积极促进电子技术的交流与发展，是业界很有影响的刊物。

　　1 引言

　　红外检测技术是近年新兴的建筑物无损检测方法,其红外成像技术是集先进的光电子技术、红外探测器技术和红外图像处理技术于一身的高科技产品，随着电子计算机和信息处理技术的飞速发展，这一技术在近年来得到了前所未有的发展。由于它具有独特的优点,能补充传统检测手段的不足,正日益受到人们的重视和应用。

　　红外无损检测技术已经在建筑诊断学中取得了许多显著效果。对于建筑结构我们可用热像仪进行观测，利用红外图像的异常点来检测其内部及表面缺陷，并及时采取措施检修，防止事故发生。

　　与常规的超声、射线、电磁等无损检测技术相比,红外无损检测技术具有如下突出特点：

　　(1)是一种非接触式的检测技术，对被测物体没有任何影响。

　　(2)远距离、空间分辨率高、检测范围广，对其它检测技术有互补作用。

　　(3)安全可靠，对人体无害。

　　(4)灵敏度高，检测速度快。

　　(5)只要被测目标与周围环境表现出不同的热力学特征,就能被探测到。

　　本文将详细介绍红外无损检测技术的技术原理以及在建筑工程各个领域中的具体应用。

　　2 红外热像仪的基本工作原理

　　任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。很多信息可以通过红外图像进行有效反映。红外成像是唯一一种可以将热信息瞬间可视化，并加以验证的诊断技术。红外辐射是由原子或分子的振动或转动引起的自然界中任何温度高于绝对零度的物体都能辐射红外线,红外辐射功能率与物体的表面温度密切相关,而其表面温度场的分布直接反应传热时材料的热工性质、内部结构及表面状况对热分布的影响,一般材料的温度与红外辐射功率的关系可表示为下式:

　　M=(1)

　　式中,M是物体表面单位面积辐射的红外辐射功能();T是物体表面的绝对温度(K);是斯蒂芬-波尔兹曼常数,=5.673();是物体的发射率(),它随物体的种类、性质和表面状况不同而异。因此,红外热成像就是把来自目标的红外辐射转变成可见的热图像,通过直观地分析物体表面的温度分布,推定物体表面的结构状态和缺陷,并以此判断材料性质和受损情况的一种无损检测方法。

　　物体内部出现缺陷时,其表面的热场会发生变化。因此,通过接收来自物体表面的热波,就可以对物体内部的状态作出判断。一般材料的热传导方程为：

　　(2)

　　式中:

　　t—温度(℃或K);λ—导热系数[W/(m.K)];τ—时间(s或h);ρ—密度(kg/);

　　α—热扩散率(导温系数:/s);c—比热(J/kg.K)。

　　材料的λ、ρ和c不同，使物体表面的温度和辐射率不同，从而影响红外辐射的数量，并形成各种不同特征的红外热像图。当物体内部存在裂缝和缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度分布产生差别，利用红外热像的检测仪测量它的不同热辐射，可以查出物体的缺陷位置。在进行具体计算时此式还可以做进一步的简化。

　　红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断能检测出混凝土细微的热状态变化，准确反映其内部、外部的异常情况，可靠性高，对发现质量隐患非常有效。红外热像仪就是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统(目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统)接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。工作原理如图1所示.这种热像图与物体表面的热分布场相对应。

　　图1热成像系统的工作原理

　　3在建筑工程中的应用领域

　　3.1火灾后钢筋混凝土结构损伤程度的检测

　　混凝土材料遭受火灾高温作用后,将发生一系列的物理化学变化:诸如水泥石、骨料的相变,裂纹增多,结构疏松多孔,水泥石-骨料界面的开裂、脱节等。使混凝土由表及里逐渐疏松开裂。不同的受火温度、持续时间，将造成不同深度和程度的损伤，使混凝土导温系数发生变化。从而引起材料热传导性能的变化，导致红外辐射随受损情况不同而各异，并可形成不同特征的红外热图谱像。混凝土试件受不同温度作用后的红外热像特征及其力学性能变化规律的基本趋势是：火烧温度越高，损伤越严重，红外热像温度越高。受灾温度低于400°C时混凝土损伤不明显，热像平均温升变化很小，强度略有反弹。500°C以上的高温对混凝土有较严重的损伤,强度下降迅速，热像温度也明显升高。为此建立了红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失的检测模型

　　根据数学原理,红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失的两个线性关系可表达如下：

　　，(3)

　　线性相关系数。

　　，(4)

　　线性相关系数。

　　式中：为混凝土的红外热像平均温升，;T为混凝土的受火温度，;为混凝土的强度损失，%。

　　通过分析便可识别和鉴定火烧混凝土的受灾温度及损伤情况。为火灾建筑物的修复加固提供科学依据。

　　3.2.建筑物外墙饰面贴砖(面层)的检测

　　经过几年的研究工作和实际工程应用，红外热像法对建筑物外墙饰面施工质量检测技术已趋成熟，相应的技术标准已通过中国建筑科学研究院组织的技术审查。

　　当外墙饰面材料粘结质量有问题的时候，在外墙饰面材料之间或与主体结构材料之间就会形成很薄的空气层，由于这个空气层有很好的隔热性能，所以饰面材料的空鼓部分使外墙饰面和建筑结构材料之间的热传递就变得很小。混凝土或钢筋混凝土墙体的热容量很大，在正常情况下，外墙表面的温度比结构材料的温度高时，热量会由外墙饰面传递给结构墙体材料;当外墙温度低时，则热量会翻向传递。由于饰面材料空鼓部分与结构材料之间的热传递很少，因此，有空鼓的外墙在日照或外气温发生变化时，比正常墙面的温度变化大。一般来说，日照时外墙表面温度升高，此时，由于空鼓部位的热量未及时传递给饰面基底，所以温度比正常部位的温度低。红外根据这个原理，通过外墙表面温度场的变化来判断饰面工程的质量。

　　其理论基础是饰面砖在升温过程中,其吸收热量与温度的关系为

　　(5)

　　式中H—外部热源传至饰面砖的热量;B—饰贴面砖上单位面积的热容量;K—饰面砖与墙之间的导热率;—饰面砖的表面温度;—墙的温度。

　　由(1)式解得

　　(6)

　　若想红外热像中的缺陷分布明显易辨，需要外部热源比较强烈，如日照较强时，有利于缺陷的分辨;而日照不强或阴天时，较难准确辨别缺陷。故红外热像检测外墙饰面应在无雨、低风速、强日光的环境条件下进行，检测时应考虑建筑物的方位、周边环境有无遮挡等因素，选择最佳拍摄时间，对红外图像进行处理分析，判断外墙饰面损坏情况。

　　类似的在加固工程中混凝土构件粘钢质量也可以利用红外热像技术检测。

　　3.3墙体、管道渗漏检测

　　屋面防水层失效和墙面微裂，造成雨水渗漏，红外热像检测技术可以检出水分渗入隐匿部位。由于室内热扩散，阳光被吸收和传导均可使渗漏部位与周边正常部位温度分布的有所差异，因而可采用红外热像技术加以检测、分析判断。

　　如果建筑物表面深层相对于周围的材料表现出热或凉，则其表面的温度也相应地表现出热或凉，借助红外热像仪可探测出这一深层热或凉的位置。通常称之为热源法。利用这种方法，可以方便地探测出地下管道的位置，如果地下管道隔热层断裂，那么在表面将会产生热点，此类故障可用热像仪直接测得。管道热水泄漏浸透周围区域，使区域导热性增加，从而使周围温度比无泄漏干燥区温度高，据此可探测泄漏部位。

　　3.4钢结构焊缝探伤检测

　　钢材的热传导性很好，在自然光的照射下，钢结构表面温度相差很小。如果对钢结构通以电流，电流流经钢材时做功而使之发热，当钢材内部存在缺陷时，缺陷部位就会呈现高阻状态，电流通过时，就会呈现出温度异常，根据这种异常就能存在缺陷存在的位置。

　　3.5建筑节能检测

　　在我国随着对建筑节能要求的提高，建筑物的节能检测势在必行，那摆在我们面前的就是怎样知道建筑保温绝热效果，采用红外热像可检测出建筑物的能量损失程度，就能准确地得到建筑保温绝热效果，对建筑物的隔热保温性能的评价具有很大的借鉴意义。但目前我国红外热像技术在节能检测领域的研究尚属起步阶段，还没有确定的指标对建筑物的热像图进行节能定量评价。

　　3.6其他领域

　　利用红外成像技术，晚上在高处用热像仪扫描白天经过太阳暴晒的机场跑道,可以检查出厚度为(30至40)cm水泥板与土层的粘接缺陷。此外红外热像检测技术,可初步评估混凝土的缺陷程度，包括混凝土的内部空鼓和裂缝状态，为建筑物的修复加固提供科学依据。作者曾参与的对某工程的检测图像之一如下：

　　图2某混凝土结构表面的红外热像图谱

　　热像图谱中所圈出的部位，经过进一步的检测，在保护层的20mm下面发现此两处结构确实存在内部缺陷，有空洞现象，混凝土浇筑不密实。图片来源于[5]。

　　4 结论及展望

　　房屋热诊断学是近年来从土木工程学科中演变分化出来的一门新学科.而红外无损检测技术已经在房屋热诊断学中取得了显著的效果，但其在建筑结构中的应用还处于形成和发展阶段，从理论到实际应用还有很多基础性和技术性的工作需要深入研究。未来的发展方向如下：

　　(1)与其它检测方法综合利用

　　红外成像检测技术具有独特的优点,但也有自身的局限性,例如,它局限于建筑物表层和浅层的检测,未能涉及结构材料的深层内部。因此它需要与其它检测手段互补组合,如,与声发射及超声波检测手段匹配组合,发挥各自的优势,方能比较全面地鉴定建筑物的质量。

　　(2)检测由定性化向定量化发展

　　红外技术在建筑物质量检测方面的应用近年来才起步，对于建筑物许多方面的红外检测多停留在定性判断水平阶段，其研究现状和工程检测经验尚不足以建立比较成熟的定量化模型。但随着各国的研究者对其技术定量化的研究以及大量的实验室模拟,相信不久在建筑工程领域中红外无损检测技术必定成为定量化的检测技术。

　　(3)检测方法的系统化和规范化

　　目前对红外无损检测技术缺乏相应的操作规范和标准，故对其的系统化、规范化标准化研究也是今后发展的一个重点。

　　参考文献：

　　[1]张建合,郭广平.国内外飞速发展的热像无损检测技术.[J].无损探伤,2005,29(1):1-4.

　　[2]杜红秀,张雄,韩继红.混凝土火灾损伤的红外热像检测与评估.[J].同济大学学报，2002，30(9):15-21.

　　[4]黄沛,谢慧才,袁昕.混凝土构件粘钢补强质量的红外热像检测方法.激光与红外,2004,34(5).

　　[5]刘守亮.红外热像技术在混凝土结构无损检测中的应用.第六届全国土木工程研究生学术论文集.2008