混凝土结构缺陷的红外无损检测研究

张慧慧

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳 110122）

混凝土结构缺陷的红外无损检测研究

张慧慧

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳 110122）

针对目前无损检测方法的不足，提出混凝土结构缺陷的红外热成像无损检测技术，分析应用红外热像仪检测混凝土结构缺陷的原理及影响因素，并提出适用于混凝土结构缺陷的红外分析方法。

混凝土；结构缺陷；无损检测

近年来，随着我国公路、隧道、地铁、高铁和桥梁等公共交通土建工程的陆续开展，对于混凝土结构缺陷的检测关注度逐渐提高，尤其是大规模交通量的运营过程中暴露出来的问题越发严重，导致混凝土结构表面的裂缝、起鼓、渗水等现象不断出现，使得公路的使用寿命达不到预期的设计寿命［1］。

对于大量的混凝土桥梁、高架公路、堤防等混凝土结构物的质量无损检测等，传统的检测方法主要包括超声波法、雷达法、声发射法、冲击回波法及目视检查等，但这些方法各自存在无法弥补的缺点，成本高、效率低，尤其是检测过程当中并不能做到安全检测。因此，亟需寻找一种无损、快速、大范围的检测方法来进行交通土建方面的安全检测。

红外检测技术具有快速、大面积扫测、非接触性等特点，已经在很多领域进行了广泛应用，比如电力设备、石油化工设备、冶炼温度和炉衬损伤、金属材料与构件、复合材料与构件及医疗诊断等，但应用于混凝土结构质量检测，在我国尚处于起步阶段。本文从可行性角度出发，主要分析应用热像仪检测混凝土结构缺陷的原理及影响因素，并提出适用于混凝土结构缺陷的红外分析方法。

1 红外热像仪测温技术原理

自然界中，任何物体都可以辐射红外线，红外热像仪就是利用该原理获取目标的红外图像，并利用所测目标与背景目标的温差，进行缺陷检测的辐射测量设备。该设备是一种窄谱辐射测量测温系统，同时该设备监测目标表面时，其发射率、反射率，温度、距离和大气衰减等多种因素都会对其测温结果产生影响，如何提高测温的准确性就显得尤关重要。红外热像仪通过区别出物体接收发射的来源最终确定目标温度，如图1所示，热像仪接收到的有效辐射主要来源于3个途径：目标自身辐射、环境反射辐射（下行辐射）和大气辐射（上行辐射）［1］。

图1 有效辐射途径

其中，被测物体表面的辐射亮度为：

式（1）主要由两部分组成：地物自身辐射亮度和环境反射亮度。T0为被测物体表面温度，Tu为环境温度，ελ为表面发射率，ρλ为表面反射率，aλ为表面吸收率。

另外，热像仪并不完全遵从式（1）来确定辐射亮度，因为传输过程中还存在大气辐射造成的衰减部分，这就必须在温度转换时进行大气修正。于是热像仪接收的辐射照度为：

式（2）中，A0是在对应最小空间张角时，热像仪的目标可视面积；d为该目标到测量仪器之间的距离，通常一定条件下，A0d-2为一常值；τaλ为大气的光谱透射率；εaλ为大气发射率。通常使用的热像仪工作波段为8～12μm，使用的HgCdTe（8～13μm）探测器，经过理论推导可以得出被测地物表面真实温度为：

2 红外测温影响因素

2.1 检测目标的发射率

红外测温过程中，目标的发射率直接影响测温的温度。影响目标发射率的因素很多，其大小主要取决于其材料的性质，同时检测目标的温度和表面状态也对其产生影响。一般可得出这样的结果：目标发射率对波长最敏感，其表面状态次之，温度排在最后。红外热像仪选取最敏感的波长，而人为可改变的是状态和温度。当进行目标检测时，一般采取相对温差法或者绝对温差法，也就是只要知道温度的变化幅度，就可以进行红外分析，而不是一定要知道目标辐射的真实温度，也就不需了解目标的准确发射率。当然如果在有实际要求时，若需要目标表面的准确温度，就须知道准确的发射率，否则目标的温度值会误差很大。

2.2 传输时大气的影响

大气在红外辐射传输中会起到一定作用，主要来源于大气的吸收作用。大气的吸收功能会造成辐射能量的衰减。虽然热像仪选取的是“大气窗口”的范围，但由于大气吸收作用、大气的尘埃、大气悬浮颗粒的影响，仍会造成一定程度的衰减。因此，目标的辐射传输应选择合理的大气环境，最佳的大气环境是晴天且湿度不宜太大，不能大于75%，这样大气环境下进行红外传输，大气的影响才会减小。

2.3 目标检测时受风力的影响

当进行目标红外检测时，如果风力特别大，就会对测温结果产生影响。这是因为当风速较大时，检测目标缺陷部位的热量就会快速散发出去，导致缺陷部位的温度降低，影响目标的温度准确度。这就要求对目标进行红外检测时，应在风力比较小或无风的天气下进行。

2.4 背景辐射的影响

当对目标进行红外检测时，设备接收的红外辐射由多部分组成。除了自身辐射占主要部分以外，主要考虑的是背景辐射的影响。这些背景的辐射对测温精度有一定的影响。因此，检测时需要在待测物体附近设置屏避物，以减少外界因素对测温结果的影响。

2.5 检测距离系数的影响

当进行目标检测时，设备距离目标的距离起到了很重要的作用，需要距离系数来衡量。瞬时视场是可测量的最小目标，热像仪接收辐射亮度时受各种因素的影响，探测器接受包括目标及目标以外的辐射，所以要求目标远大于瞬时视场，一般要求大3～5倍。

2.6 附近物体热辐射的影响

在野外进行红外辐射时，除了检测目标，附近还会有很多不再测量范围的物体对其观测结果有影响。若两者温度或被测物体辐射率差异特别大，影响就会特别大。因此，在红外辐射时，要特别注意选择合理的测试角度，并且设置一些屏障，以避免附近物体的影响。

3 红外检测分析方法

混凝土结构缺陷经过红外检测后，热像图需进一步分析，常用方法有表面温度判断法、绝对温差判断法、相对温差判断法、同类比较法、热谱图分析法和档案分析法。其中，表面温度判断法可通过部位过热的表面判断是否出现故障，但是不能阐明其他问题，无法体现方法的优越性；相对温差法可通过不同点位的温度差异，温升比值来判断故障情况；同类比较法为了更准确地检测出缺陷问题，一般选取同类设备的对应部位来分析，两者温度值通过比较来判断缺陷；档案分析法通过档案记录情况综合分析当前的问题，来判断故障变化发展趋势，进而得出准确结论；热谱图分析法为了更准确地检测出缺陷问题，选取同类设备不同状态下的热像图，通过热像图分析异常与否；绝对温差法取被测对象附近的正常区域的平均温度为参考温度来判断缺陷情况，然后根据缺陷区域最高（最低）温度与正常区域温度差作为划分缺陷等级的指标，其表达式为：

式（4）中，正常区域的平均温度记为T1，缺陷区域最高（最低）温度记为T2。本文在分析混凝土结构缺陷时，根据实际情况，一般采取相对温差法或者绝对温差法来进行红外分析。因此，只需要知道红外辐射的变化幅度，并不需要知道准确的表面温度。

4 结论

红外热像仪是一种新型的无损检测工具，通过红外热像仪可以直观全面地表征温度分布情况。利用红外热像仪进行混凝土结构缺陷检测，虽然其测温精度受各因素影响，但在红外分析时不一定需要目标的真实温度，可通过温差法对温度变化进行评定，简单方便，这对于红外热成像法应用于交通土建检测具有重要的促进意义。

［1］杨立，寇蔚，刘慧开.热像仪测量物体表面辐射率及误差分析［J］.激光与红外，2002（1）：33-35.

Study on Infrared Nondestructive Testing of Concrete Structures Defects

Zhang Huihui
（Liaoning Provincial College of Communications，Shenyang Liaoning 110122）

Aiming at the shortcomings of non-destructive testing methods,the non-destructive testing technology of infrared thermography for concrete structure defect was put forward.The principle and influencing factors of concrete structure defect detection by infrared thermal imager were analyzed,and the infrared analysis method for concrete structure defect was proposed.

concrete；structure defect；nondestructive testing

TU755.7

A

1003-5168（2016）10-0129-02

2016-09-08

张慧慧（1982-），女，硕士，副教授，研究方向：测绘遥感方向。