红外热像检测技术在土木工程中的应用

红外热像检测技术在土木工程中的应用

摘要

经济的快速发展，使得我国的基础设施不断完善，许多已经建成并且投入运营的工程在运行过程中可能会出现各种各样的缺陷和问题，传统故障排查方法存在着低效率、高成本和一定的安全问题，并不能真正满足工程项目的检测需求。尤其是现代钢混结构工程，属于多种材料的复合，不仅结构复杂，在性质方面也存在很大的分散性，使得红外热像检测技术在土木工程中并没有得到非常广泛的应用。基于此，本文从国内外的研究现状出发，对红外热像检测技术进行了全面分析，并就其在土木工程中的应用进行了研究和探讨。

关键词：红外热像检测技术；土木工程；混凝土缺陷；应用

引言：结合大量的工程实践分析，在施工及运行过程中，受材料、工艺、环境等因素的影响，不可能完全不出问题。即使是非常轻微的质量缺陷，如果无法及时发现和处理，经过一段时间的发展后都可能会对结构整体的稳定性和耐久性造成影响，严重的甚至会引发工程事故。现阶段，我国对于桥梁、高架、堤防等土木工程构筑物的常用检测方法包括了雷达法、超声波法、冲击回波法等，这些方法各自都有着自身的优势，同样也存在一定缺陷，限制性较强，检测结果的准确性和可靠性也无法保障。基于此，应该在土木工程领域引入红外热像检测技术。第1章:国内外研究现状

如何在不破坏混凝土结构的情况下，实现对其结构缺陷的准确检测，是国内外一致研究的问题。虽然目前存在许多能够实现混凝土无损检测的方法，但是无论哪种方法都存在一定的缺陷和不足，并不能真正满足土木工程事业发展的实际需求。从国内外的研究现状出发，对几种常见技术进行分析：

首先是超声检测，主要是用相应的超声波仪器产生超声波，然后将超声波引导进试件中，通过与试件材料的相互作用，超声波的波长和方向会出现一定的变化，形成反射、透射或者散射等，然后被预先设置好的检测设备接收，检测人员根据接收到的超声波特征信息，对试件的性能进行评估，对其内部是否存在缺陷做出准确判断，具有适用性强、穿透力强、定位准确、灵敏度高、成本低廉等优势，不过其在应用中采用的是穿透测试的方法，需要构建两个相对的测试面，因此难以在路面、墙体、护坡以及衬砌结构中得到有效应用，缺陷的位置和形状会在一定程度上影响检测的结果[1]。

其次是雷达检测，其基本原理是依照雷达波在混凝土中传播的速度受介质介电常数影响，如果遇到缺陷等介电常数变化相对加大的目标，雷达波会出现发射或者散射的情况，依照接收到的反射波形以及传输时间内，能够准确判断混凝土内部状况。雷达检测法采用的是单面检测模式，结果呈现出断面图，检测速度快且成果直观。但是，混凝土雷达仪的雷达虽然具备较高的分辨率，但是穿透能力不足，无法穿透金属，也就无法实现对钢筋结构下混凝土缺陷的有效检测，加上以进口为主的设备来源使得检测成本偏高。

然后是声发射检测，声发射指应力松弛过程中释放的以应力波形式传播的应变能，受荷载影响，混凝土结构会发生形变，若形变超出本身弹性极限，则会引发开裂问题，释放应变能，形式包括光能、声能、热能等。可以在混凝土表面设置发射传感器，通过对不同位置接收声能到达的时间差，可以对声发射源也就是

缺陷的位置进行准确判断，帮助技术人员了解混凝土结构的内部状况。不过，声发射信号容易受到噪音的干扰，测试精度难以保证[2]。

最后是冲击回波检测，基本原理是利用专业仪器设备，向物体表面发送周期较短的应力脉冲波，压缩波在物体内部传输，遇到无法穿透的缺陷会反射，遇到表面边界同样会反射，在波速确定的情况，配合单面测试，能够得到缺陷的具体位置和深度，具有直观、快速、方便等优势，在单面结构中有着良好的适用性。同样，单点检测的方式导致其检测结果不够全面，无法对构件缺陷进行全面反映。

第2章:红外热像检测技术

2.1检测技术简述

红外热像检测技术指利用红外热像仪针对物体不同部位辐射的红外线进行测量，依照温度分布构件红外热像图，从而实现对材料和结构内部缺陷的有效检测。红外热像检测技术属于一种非接触无损检测技术，可以通过连续扫描的方式进行检测，因此也称红外扫描检测技术。红外热像检测技术有着非常显著的特征，首先，从理论上，探测器焦距最小为20cm ，最大无上限，可以实现非接触广视域的无损检测；其次，探测器只会对红外线产生相应，无论是白天还是晚上都能够正常工作；然后，红外热像仪能够测量的温度发展在-50℃～2000℃，因此适用范围相当广泛；最后，红外热像检测技术适用于静态目标和动态目标的常规检测与跟踪检测，能够保证良好的检测效果[3]。

2.2原理及影响因素

2.2.1原理

热辐射是电磁波传递热能的一种方式，任何温度超过绝对零度的物体内部会持续激发电磁波，产生交变电磁场，将热能转换为电磁波。物体温度与内部电子的激动程度呈正比，其热辐射是由面而发，向平面上半球体的所有方向发射，物体法向辐射功率与同等温度黑体的法向辐射功能比称为辐射率，这里的黑体指能够吸收所有波长入射光且不发生反射的物体，吸收系数1，反射系数0[4]。依照普朗克辐射定律，当黑体绝对温度为T （K ）时，在波长λ的单位波长内，能量功率密度计算公式为

]/)[1(),(251

2m cm W e C T W r c μλλλ⋅-=

公式中，表示波长，单位μm ，T 表示黑体绝对温度，C1和C2指第一、第二辐射常数，为固定值，可以直接查得，h 表示普朗克常数，k 表示波尔茨曼常数，c 指光速。依照普朗克定律可知，当物体绝对温度不为0时，其必然存在能量辐射。

红外线在到达一个物体时，会被物体吸收一部分，经表面反射一部分，其余则会穿过物体，三种的关系为

1=++T βα

这里的、和T 分别表示吸收系数、反射系数和透射系数。理论上，物体吸收系数与辐射率相等，存在εα=，对于红外线无法穿透的物体，有1=+βε。λαβ

虽然黑体能够将全部入射能量吸收，但是在现实生活中存在的物体很多时候不可能具备完全为零的反射系数，在吸收系数不同的情况下，辐射能量也存在较大差异，想要保证测量结果准确，想要对辐射率进行修正，确保其尽可能接近1[5]。

2.2.2影响因素

会对红外线辐射造成影响的因素有很多，首先是大气衰减作用，在经过大气时，由于大气分组的吸收和散射作用，红外线辐射会出现一定程度的衰减，在运用红外热像仪进行红外成像检测时，应该尽可能避免烟尘、水汽等的存在，以保证测量精度；其次是物体辐射率，其与很多因素有关，一是材料性质，非金属材料以及金属氧化物具备较高的红外辐射率，纯金属的红外辐射率则相对较低；二是温度，研究表明，随着温度的升高，多数非金属材料的辐射率会有所下降，金属材料的辐射率与温度近似成比例关系，电阻率决定了比例系数；三是表面状态，如果物体表面相对粗糙，则反射率会有所下降，辐射率也会大大提高，不过这种对应关系常见于金属材料，非金属材料表面状态与辐射率的关系不大[6]。而在实际操作中发现，通过在物体表面覆盖薄层，如涂料、氧化膜、润滑油等，能够对物体的辐射率造成显著影响；四是颜色，物体颜色主要影响其本身对于可见光的发射和吸收，虽然同样会影响红外线，不过影响较小；然后是背景辐射，红外检测过程中，检测结构不仅需要考虑被检测物体本身的红外辐射，还应该关注其对于太阳及环境辐射的反射。相关研究表明，当仰角接近地平线时，大气辐射与环境温度下的黑体辐射基本等同，而如果水汽较重，如下雨前或者在森林等潮湿区域，水蒸气发射带光谱范围内会存在较高的天空背景辐射。

2.2.3红外热像仪

红外热像仪的基本结构包括了光学透镜、传感器、信号处理电路以及图像显示单元，传感器一般会选择氩气、氮气等冷却传感器，以确保能够在极短低温环境下正常运行。如果是应用于土木工程领域，可以选择电子冷却的方式[7]。红外热像仪能够在规定时间内完成对温度分布情况的检测，以人工偏光板对图像进行记录，如果需要进行空洞或者剥落等的检测，需要配合图像处理装置来保证结果的准确性。红外热像仪在实际应用中具备几个显著的特点，一是其本身的非接触性保证了检测的远距离和大范围，二是实用性强，能够实现快速准确检测，三是可以利用图像对物体表面温度分布进行确认，四是可以实现对信号的连续操作。

红外热像仪采用的是红外线扫描的原理，可以对被测物体产生的红外辐射量进行收集，得到物体整体的红外辐射量分布图，即通常所说的红外热像图，图中包含了被测物体各部分的温度，因此在很多时候也称温度图[8]。

2.2.4理论依据及检测方式

1、理论依据

从红外线辐射的基本原理出发，发现其本身具备一些特殊的规律性，对红外线辐射的本质特性进行了揭示。红外检测的理论依据有很多，一是普雷夫定则，在单位时间内，两个吸收不同能量的物体也会发射不同的能量；二是基尔霍夫定律，物体本身发射与吸收本领的比值不受其性质的影响，属于波长与温度的普适函数，该函数是绝对黑体的发射本领；三是维恩位移定律，在黑体发射本领中，温度与辐射频率的关系呈现为比值方式。在热流和光照均匀注入的情况下，若物体本身不存在缺陷，则其正面与背面温度适中保持均匀分布，反之温度的分布则会呈现不均匀性，缺陷位置会发生热量堆积。如果物体本身存在导热性缺陷，则在热传导过程中，会得到截然相反的结果，也使得红外热像检测技术能够有效检测材料的均匀性和内部缺陷。