红外热像技术及其在建筑工程无损检测中的应用

解国梁，申向东，杨忠国

（1.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018；2.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319）

红外热像技术及其在建筑工程无损检测中的应用

解国梁1,2，申向东1，杨忠国2

（1.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018；2.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319）

介绍了红外热像技术的基本原理及影响红外热像技术测试精度的主要因素和相应解决办法，讨论了其在建筑工程领域中的若干应用.实践证明，红外热像技术在建筑工程无损检测中有其独到的优越性.

红外热像技术；建筑工程；无损检测；应用

无损检测与传统的破坏性检测相比，经济效益十分显著，因此从第二次世界大战以后，发展非常迅速[1].其应用范围不断扩大，检测方法也不断更新，其中红外热像技术法就是近年来新兴的一种无损检测方法，相对于军事、电气、航空和医疗等领域，红外热像技术在建筑工程的应用起步较晚.但是，随着红外热像技术及其仪器设备的不断完善，特别是近代电子智能仪器与电脑软件数据处理技术相结合，使得红外热像技术在建筑工程中的研究和应用日益广泛.尤其在我国北方地区，红外热像技术用于无损检测仍处于摸索阶段，应用前景十分广阔[2].

1 基本原理

1.1 红外热像技术原理

自然界中任何高于绝对温度（-273℃）的物体，都向外连续发射红外线，但不同物体的表面温度和辐射量均不同.红外无损检测就是测量通过物体的热量和热流来鉴定该物体质量的一种方法，红外热像的理论基于热辐射定律和热传导微分方程.

根据热辐射定律，一个物体的红外辐射能可表达如下：

式中:p——辐射能，w·cm2

c——斯蒂芬—波尔兹曼常数，5.67x 10-8w·m-2·k-4

ε——物体表面发射率，0<ε<1

热传导方程：

式中：T——温度,℃或K

λ——导热系数，w/(m·k)；

t——时间，s；

ρ——密度,k g/m3；

α——导温系数；

c——比热，J/k g·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.利用红外热像仪将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面热分布相应的热像图.运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态成像和测温，并对被测物体的状态进行分析判断.

1.2 影响因素

1.2.1 表面发射率的影响

由斯蒂芬—波尔兹曼定律可知，物体的红外辐射功率除了与物体表面温度有关外，还与物体的辐射率有关，不同物质的辐射率是不同的，并随物体的表面状况而变，不同的温度和不同的波长有不同的值.实践证明，物体的辐射率对波长最敏感，其次是被测物体的表面状态，再次是温度，根据这个次序选择与仪器测量范围相适应的红外测温仪器类型及参数，在使用中对被测物体的辐射率设定尽量准确.

1.2.2 大气吸收的影响

红外辐射在大气中传播时总要受到气体的吸收，悬浮微粒的散射以及大气某些特性剧烈变化的影响.红外辐射通过大气所导致的衰减，主要是因为大气分子的吸收、散射，以及云、雾、雨、雪等微粒的散射作用所造成的.大气吸收程度虽空气湿度而变化.被测物体的距离越远，大气透射对温度测量的影响就越大.因此，在室外进行红外测温诊断时，应在天气晴朗，空气湿度低于75%的环境下进行，否则应进行大气模式补偿以降低测量误差，才能取得好的检测结果.

1.2.3 背景辐射的影响

在对被测物体进行红外检测时，除了目标本身的红外辐射，还存在目标对太阳和环境的反射，以及设备其他部位、周围环境的辐射.两个物体必定进行直接的红外辐射传递.除此之外，还会有两个物体之间通过另一物体的反射作用而引起的辐射间接传递.除去检测设备本身，产生辐射的还可以是天空、大气、大地或操作人员等，以上所述的各种情景交错并存，就构成了背景辐射.

2 红外热像技术的应用实例

2.1 节能检测

目前，国内外评价建筑节能是否达标，大多采用建筑热工法现场检测.建筑热工法现场检测中关键的指标是建筑围护结构的传热系数.在一维稳态传热条件下，围护结构的传热系数可以用下式表达[3]：

式中:R0为围护结构总热阻，(m2·℃)/w；

Rw为围护结构外表面换热阻，(m2·℃)/w.按照《民用建筑热工设计规范》（G B 50176-1993）的规定取值；

ti为室内空气温度为，℃；

t0为室外空气温度，℃；

two为围护结构外表面温度，℃；通过红外热像技术即可获得围护结构外表面温度two，再由（1）式计算确定传热系数K，参照《采暖居住建筑节能检验标准》（JFJ 132-2001）即可知该建筑是否达到节能标准.

2.2 外墙饰面砖粘结质量检测

当建筑外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.当外墙饰面的温度比结构材料的温度低时，热量则会反向传递.若外墙饰面粘贴质量不良产生空鼓，则在其空鼓的位置就会形成很薄的空气层.由于密闭的空气具有很好的隔热性，因此有空鼓的外墙砖在日照或室外温度发生变化时，外墙表面与结构墙体材料之间的热传递就非常少，空鼓部位的温度就会比正常墙体的温度变化大.即当室外温度升高时，空鼓部位温度比正常部位的温度要高，形成热区域;当室外温度降低时，空鼓部位的温度会比正常部位的温度低，形成冷区域.此时，红外热像图片上反映的颜色非单一均匀，产生温度梯度.就可以直观地看到异常区在实际墙体的位置[4].如图1所示：该图是黑龙江省大庆市某高校教学楼部分外墙红外热像图（日落后拍摄，经分析软件Smart View(TM)处理后得到，各点标示为温度值，深色区域比正常区域温度偏低），该外墙外贴饰面转，深色区域有空气夹层，热像图表现出温度梯度，由此可判断空鼓区域，经敲击测试可证实.

图1 外墙饰面砖红外热像图

2.3 屋面、墙体的渗漏、受潮检测

屋面、墙体的渗漏、受潮会直接损及房屋的正常使用,污损室内装饰,影响美观舒适;如果长期渗漏、受潮还会腐蚀房屋的结构构件,危及房屋的使用安全,从而缩短房屋的使用寿命.因此,及时发现屋面渗漏、受潮位置具有普遍意义.通过常规办法寻找渗漏源、渗漏路径、受潮位置往往不能成功.因为有时肉眼看不到任何渗水痕迹，而借助于红外热像仪，就可以清楚的发现渗水并找到渗漏源.由于材料受潮后，热容、导热系数增大[5]，当室外空气温度和太阳辐射发生变化时，受潮材料和周围干燥部位就会产生明显温差，这种温差在红外热像图上则表现为不同颜色，从红外热像图上显示的温度分布状况,即可可推出渗漏位置.如图2所示：该图是黑龙江省大庆市某高校教学楼女儿墙发生渗漏红外热像图.

图2 女儿墙处外墙红外热像图

2.4 混凝土表面缺陷检测

当混凝土材料结构存在某种缺陷时,由于缺陷类型形态及分布不同造成材料导热系数、比热性能的局部变化而影响红外辐射量,直接导致表面温度变化,使热像图上出现温差等异样.当有缺陷的混凝土受到太阳辐射或温度升高时,由于缺陷的存在,大量的空气混入,与密实部位相比,热流的传入受到阻碍,造成表面温度升高.会在红外热像上出现“热斑”,其范围和程度反映了该部位的缺陷程度及范围;反之,在没有太阳辐射或夜晚时,其温度要低于正常部位的温度,此时用红外热像仪记录混凝土试件表面温度场的分布,即可达到检测的目的[6].如图3所示是混凝土试块在受力后不久产生的微小裂缝，在热像图上就能清晰显示出来.

图3 混凝土表面缺陷红外热像图

3 结论

红外热像技术使用红外热像仪摄取被测物体表面的温度场，再转化为图像信号，相比于传统的检测方法,具有非接触、远距离、实时、快速、全场测量等优点[7].热图像可用直接可视的方式进行记录、显示.可把检测到的物体表面温度分布情况作为图像进行分析处理.红外热像技术在建筑工程无损检测中的应用是一门较新的学科，在节能检测，墙面、屋面渗漏检查、混凝土表面缺陷检测、外墙饰面砖粘贴质量检测等许多领域具有广泛用途.

〔1〕曲志华，王立海.红外热像技术及其在木材无损检测中应用的可行性探讨.森林工程，2009（1）：21-24.

〔2〕田俊国.红外热像技术在建筑节能中的应用研究[D].内蒙古农业大学硕士学位论文，2009（5）：7-8.

〔3〕解国梁，申向东，郭敬红.红外热像仪用于建筑围护结构传热系数的现场检测.河北理工大学学报，2010（4）.

〔4〕朱斌，沈筛军.红外热像技术检测建筑外墙饰面砖粘结缺陷.施工技术 （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〕谢春霞.红热成像技术在水泥混凝土无损检测中的新发展.公路，2008（11）:161-164.

〔7〕陆燕飞.红外热像仪在建筑外墙饰面检测中的应用.江苏建材，2009（2）：39-40.

TU 111.2

A

1673-260X（2011）04-0089-03

内蒙古自治区自然科学基金资助项目（2009MS0705）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJ09046）