紅外熱像技術及其在建筑工程無損檢測中的應用

解國梁，申向東，楊忠國

（1.內蒙古農業(yè)大學，內蒙古 呼和浩特 010018；2.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶163319）

紅外熱像技術及其在建筑工程無損檢測中的應用

解國梁1,2，申向東1，楊忠國2

（1.內蒙古農業(yè)大學，內蒙古 呼和浩特 010018；2.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶163319）

介紹了紅外熱像技術的基本原理及影響紅外熱像技術測試精度的主要因素和相應解決辦法，討論了其在建筑工程領域中的若干應用.實踐證明，紅外熱像技術在建筑工程無損檢測中有其獨到的優(yōu)越性.

紅外熱像技術；建筑工程；無損檢測；應用

無損檢測與傳統(tǒng)的破壞性檢測相比，經濟效益十分顯著，因此從第二次世界大戰(zhàn)以后，發(fā)展非常迅速[1].其應用范圍不斷擴大，檢測方法也不斷更新，其中紅外熱像技術法就是近年來新興的一種無損檢測方法，相對于軍事、電氣、航空和醫(yī)療等領域，紅外熱像技術在建筑工程的應用起步較晚.但是，隨著紅外熱像技術及其儀器設備的不斷完善，特別是近代電子智能儀器與電腦軟件數(shù)據(jù)處理技術相結合，使得紅外熱像技術在建筑工程中的研究和應用日益廣泛.尤其在我國北方地區(qū)，紅外熱像技術用于無損檢測仍處于摸索階段，應用前景十分廣闊[2].

1 基本原理

1.1 紅外熱像技術原理

自然界中任何高于絕對溫度（-273℃）的物體，都向外連續(xù)發(fā)射紅外線，但不同物體的表面溫度和輻射量均不同.紅外無損檢測就是測量通過物體的熱量和熱流來鑒定該物體質量的一種方法，紅外熱像的理論基于熱輻射定律和熱傳導微分方程.

根據(jù)熱輻射定律，一個物體的紅外輻射能可表達如下：

式中:p——輻射能，w·cm2

c——斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，5.67x 10-8w·m-2·k-4

ε——物體表面發(fā)射率，0<ε<1

熱傳導方程：

式中：T——溫度,℃或K

λ——導熱系數(shù)，w/(m·k)；

t——時間，s；

ρ——密度,k g/m3；

α——導溫系數(shù)；

c——比熱，J/k g·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.利用紅外熱像儀將物體輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面熱分布相應的熱像圖.運用這一方法，便能實現(xiàn)對目標進行遠距離熱狀態(tài)成像和測溫，并對被測物體的狀態(tài)進行分析判斷.

1.2 影響因素

1.2.1 表面發(fā)射率的影響

由斯蒂芬—波爾茲曼定律可知，物體的紅外輻射功率除了與物體表面溫度有關外，還與物體的輻射率有關，不同物質的輻射率是不同的，并隨物體的表面狀況而變，不同的溫度和不同的波長有不同的值.實踐證明，物體的輻射率對波長最敏感，其次是被測物體的表面狀態(tài)，再次是溫度，根據(jù)這個次序選擇與儀器測量范圍相適應的紅外測溫儀器類型及參數(shù)，在使用中對被測物體的輻射率設定盡量準確.

1.2.2 大氣吸收的影響

紅外輻射在大氣中傳播時總要受到氣體的吸收，懸浮微粒的散射以及大氣某些特性劇烈變化的影響.紅外輻射通過大氣所導致的衰減，主要是因為大氣分子的吸收、散射，以及云、霧、雨、雪等微粒的散射作用所造成的.大氣吸收程度雖空氣濕度而變化.被測物體的距離越遠，大氣透射對溫度測量的影響就越大.因此，在室外進行紅外測溫診斷時，應在天氣晴朗，空氣濕度低于75%的環(huán)境下進行，否則應進行大氣模式補償以降低測量誤差，才能取得好的檢測結果.

1.2.3 背景輻射的影響

在對被測物體進行紅外檢測時，除了目標本身的紅外輻射，還存在目標對太陽和環(huán)境的反射，以及設備其他部位、周圍環(huán)境的輻射.兩個物體必定進行直接的紅外輻射傳遞.除此之外，還會有兩個物體之間通過另一物體的反射作用而引起的輻射間接傳遞.除去檢測設備本身，產生輻射的還可以是天空、大氣、大地或操作人員等，以上所述的各種情景交錯并存，就構成了背景輻射.

2 紅外熱像技術的應用實例

2.1 節(jié)能檢測

目前，國內外評價建筑節(jié)能是否達標，大多采用建筑熱工法現(xiàn)場檢測.建筑熱工法現(xiàn)場檢測中關鍵的指標是建筑圍護結構的傳熱系數(shù).在一維穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，圍護結構的傳熱系數(shù)可以用下式表達[3]：

式中:R0為圍護結構總熱阻，(m2·℃)/w；

Rw為圍護結構外表面換熱阻，(m2·℃)/w.按照《民用建筑熱工設計規(guī)范》（G B 50176-1993）的規(guī)定取值；

ti為室內空氣溫度為，℃；

t0為室外空氣溫度，℃；

two為圍護結構外表面溫度，℃；通過紅外熱像技術即可獲得圍護結構外表面溫度two，再由（1）式計算確定傳熱系數(shù)K，參照《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標準》（JFJ 132-2001）即可知該建筑是否達到節(jié)能標準.

2.2 外墻飾面磚粘結質量檢測

當建筑外表面的溫度比結構材料的溫度高時，熱量會由外墻飾面?zhèn)鬟f給結構墻體材料.當外墻飾面的溫度比結構材料的溫度低時，熱量則會反向傳遞.若外墻飾面粘貼質量不良產生空鼓，則在其空鼓的位置就會形成很薄的空氣層.由于密閉的空氣具有很好的隔熱性，因此有空鼓的外墻磚在日照或室外溫度發(fā)生變化時，外墻表面與結構墻體材料之間的熱傳遞就非常少，空鼓部位的溫度就會比正常墻體的溫度變化大.即當室外溫度升高時，空鼓部位溫度比正常部位的溫度要高，形成熱區(qū)域;當室外溫度降低時，空鼓部位的溫度會比正常部位的溫度低，形成冷區(qū)域.此時，紅外熱像圖片上反映的顏色非單一均勻，產生溫度梯度.就可以直觀地看到異常區(qū)在實際墻體的位置[4].如圖1所示：該圖是黑龍江省大慶市某高校教學樓部分外墻紅外熱像圖（日落后拍攝，經分析軟件Smart View(TM)處理后得到，各點標示為溫度值，深色區(qū)域比正常區(qū)域溫度偏低），該外墻外貼飾面轉，深色區(qū)域有空氣夾層，熱像圖表現(xiàn)出溫度梯度，由此可判斷空鼓區(qū)域，經敲擊測試可證實.

圖1 外墻飾面磚紅外熱像圖

2.3 屋面、墻體的滲漏、受潮檢測

屋面、墻體的滲漏、受潮會直接損及房屋的正常使用,污損室內裝飾,影響美觀舒適;如果長期滲漏、受潮還會腐蝕房屋的結構構件,危及房屋的使用安全,從而縮短房屋的使用壽命.因此,及時發(fā)現(xiàn)屋面滲漏、受潮位置具有普遍意義.通過常規(guī)辦法尋找滲漏源、滲漏路徑、受潮位置往往不能成功.因為有時肉眼看不到任何滲水痕跡，而借助于紅外熱像儀，就可以清楚的發(fā)現(xiàn)滲水并找到滲漏源.由于材料受潮后，熱容、導熱系數(shù)增大[5]，當室外空氣溫度和太陽輻射發(fā)生變化時，受潮材料和周圍干燥部位就會產生明顯溫差，這種溫差在紅外熱像圖上則表現(xiàn)為不同顏色，從紅外熱像圖上顯示的溫度分布狀況,即可可推出滲漏位置.如圖2所示：該圖是黑龍江省大慶市某高校教學樓女兒墻發(fā)生滲漏紅外熱像圖.

圖2 女兒墻處外墻紅外熱像圖

2.4 混凝土表面缺陷檢測

當混凝土材料結構存在某種缺陷時,由于缺陷類型形態(tài)及分布不同造成材料導熱系數(shù)、比熱性能的局部變化而影響紅外輻射量,直接導致表面溫度變化,使熱像圖上出現(xiàn)溫差等異樣.當有缺陷的混凝土受到太陽輻射或溫度升高時,由于缺陷的存在,大量的空氣混入,與密實部位相比,熱流的傳入受到阻礙,造成表面溫度升高.會在紅外熱像上出現(xiàn)“熱斑”,其范圍和程度反映了該部位的缺陷程度及范圍;反之,在沒有太陽輻射或夜晚時,其溫度要低于正常部位的溫度,此時用紅外熱像儀記錄混凝土試件表面溫度場的分布,即可達到檢測的目的[6].如圖3所示是混凝土試塊在受力后不久產生的微小裂縫，在熱像圖上就能清晰顯示出來.

圖3 混凝土表面缺陷紅外熱像圖

3 結論

紅外熱像技術使用紅外熱像儀攝取被測物體表面的溫度場，再轉化為圖像信號，相比于傳統(tǒng)的檢測方法,具有非接觸、遠距離、實時、快速、全場測量等優(yōu)點[7].熱圖像可用直接可視的方式進行記錄、顯示.可把檢測到的物體表面溫度分布情況作為圖像進行分析處理.紅外熱像技術在建筑工程無損檢測中的應用是一門較新的學科，在節(jié)能檢測，墻面、屋面滲漏檢查、混凝土表面缺陷檢測、外墻飾面磚粘貼質量檢測等許多領域具有廣泛用途.

〔1〕曲志華，王立海.紅外熱像技術及其在木材無損檢測中應用的可行性探討.森林工程，2009（1）：21-24.

〔2〕田俊國.紅外熱像技術在建筑節(jié)能中的應用研究[D].內蒙古農業(yè)大學碩士學位論文，2009（5）：7-8.

〔3〕解國梁，申向東，郭敬紅.紅外熱像儀用于建筑圍護結構傳熱系數(shù)的現(xiàn)場檢測.河北理工大學學報，2010（4）.

〔4〕朱斌，沈篩軍.紅外熱像技術檢測建筑外墻飾面磚粘結缺陷.施工技術 （增刊），2009（6）:449-451.

〔5〕KW Childs.An Investigation of Factors Influencing Infra-red Roof Moisture Surveys Using a Mathematical Model[A].Proceedings of the SPIE-The InternationalSociety for OpticalEngineering,1984,446:82-94.

〔6〕謝春霞.紅熱成像技術在水泥混凝土無損檢測中的新發(fā)展.公路，2008（11）:161-164.

〔7〕陸燕飛.紅外熱像儀在建筑外墻飾面檢測中的應用.江蘇建材，2009（2）：39-40.

TU 111.2

A

1673-260X（2011）04-0089-03

內蒙古自治區(qū)自然科學基金資助項目（2009MS0705）；內蒙古自治區(qū)高等學校科學研究項目（NJ09046）