不同拍攝條件對紅外熱像圖溫差的影響

■ 梅正君 Mei Zhengjun

不同拍攝條件對紅外熱像圖溫差的影響

■ 梅正君 Mei Zhengjun

采用現場測量、軟件處理、歸納總結等手段，研究在不同拍攝條件下（包括不同拍攝距離、拍攝仰角等），熱像圖溫差的變化規律，從而優化紅外熱像檢測方法，以更好地指導現場檢測工作。

紅外熱像；熱像圖；無損檢測；陽光強度

0 引言

由于紅外熱像檢測是建立在無接觸溫度測量和熱狀態分析基礎上，因此，熱像圖能否準確、清晰地反映物體表面溫度差別是檢測技術的關鍵。嚴格按照紅外熱像法檢測技術規程進行現場測量，是準確拍攝紅外熱像圖的技術保證，例如對拍攝距離、拍攝時間、拍攝仰角等方面的操作要求[1-3]。但在實際工程中，往往因為現場條件和檢測設備的限制，無法完全按照技術規程操作[4、5]。本文將采用現場測量、軟件處理、統計歸納等手段，研究在不同拍攝條件下，熱像圖中物體表面溫差的變化規律，從而優化紅外熱像檢測方法，以更好地指導現場檢測工作。

1 理論基礎

熱像圖是一種利用紅外熱像儀拍攝的，能反映物體表面溫度的照片。紅外熱像儀可以捕捉人眼看不見的紅外線，主要由紅外透視目鏡、傳輸線、探測器組成。探測器將紅外輻射轉化為電子信號，經過信號處理后，可在熱像儀的顯示器上顯示出熱像圖[6]。

自然界中,所有絕對零度(-273℃)以上的物體都連續不斷地輻射紅外能,而紅外能與溫度具有對應的關系。根據斯蒂芬-波爾茨曼定律，物體在某一溫度T時所輻射的總能量E為：

式中，E—物體輻射能,K/m2；

σ=5.673×10-8W/m2K4；

ε—物體表面的發射率；

T—物體表面溫度，K。

從公式（1）可以看出，物體輻射的總能量隨著溫度的4次冪非線性關系而迅速增加。紅外熱像儀不是直接測量物體表面溫度，而是測量物體的紅外輻射信號，然后對輻射信號進行線性化，根據所測得的能量計算出溫度值[7]。

2 在不同拍攝條件下的紅外熱像

上海某13層的框架結構建筑，建于2006年，外墻采用灰白色的陶瓷外墻面磚，面磚局部存在不同顏色區域。采用TH9100 WRI8.5紅外熱像儀對其進行檢測。該紅外熱像儀采用氧化釩晶體材料探測器，圖像細膩穩定；可同時拍攝紅外熱圖像和可見光圖像，獲得紅外/可見光組合圖像，便于找出熱點位置；自動糾正熱圖像和可見光圖像的視差，適合在明亮或較暗的光線下使用；自帶IEEE1394接口，可由計算機實時控制儀器并采集圖像，曝光時間亦可以延長，最多達64倍。其主要技術參數如下：①溫度分辨率=0.03℃；②空間分辨率=1.2mrad；③視場角/最小對焦距離為21.70×16.40/0.3m。

2.1 測試點的布置

為了研究不同拍攝仰角、不同距離對建筑物熱像圖溫差的影響，在建筑物東面的不同距離布置熱像儀拍攝點（A~I），具體如圖1所示。

2.2 不同距離拍攝

在6月30日10:00~20:00，在A~I拍攝點對建筑物一層墻面的測點a~d，每隔2～3h進行熱像圖拍攝，其中，測點a、b選擇在窗臺的角上，測點c、d選擇在移動窗框的中點和頂部（圖2）。

選取4個時間段，觀測測點溫差在不同拍攝距離的變化（圖3~6）。其中,10:00和13:00時陽光強度較大，16:00時陽光強度弱，20:00時沒有陽光。從圖中可以看出，溫差隨著拍攝距離呈波動變化，且溫差變化在1℃以內。由于每拍一張熱像圖需要一定操作時間，因此，每個時間段內的熱像圖本身包含由時間差產生的一定溫差。

圖1 拍攝布置點圖

圖2 一層墻面a~d點(可見圖)

圖3 10:10時間段測點（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖4 13:15時間段測點（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖5 16:00時間段測點（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖6 20:00時間段測點（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖7 四層墻面a1~f1點(可見圖)

根據熱像圖的溫差分析結果，熱像圖測點溫差在5~70m拍攝距離變化時較平穩，說明這段距離變化對溫差影響較?。坏S著拍攝距離越大，熱像圖中物體的輪廓邊緣越模糊，判斷空鼓區域的準確性越低。根據《紅外熱像法檢測建筑外墻飾面層黏結缺陷技術規程》（CECS 2004：2006）規定，拍攝距離宜控制在10~50m以內，拍攝距離越大，熱像圖中越不容易分辨面積小的空鼓區域。

一般來講，紅外熱像儀檢測空鼓在所測墻面能分辨的最小測點直徑在50mm左右[7]。TH9100 WRI8.5紅外熱像儀的空間分辨率是1.2mrad, 為了滿足能分辨直徑50mm的目標，其拍攝距離宜控制在40m左右。

2.3 不同仰角拍攝

在建筑的四層墻面位置選擇典型測點a1~f1（圖7）。根據已知的四層墻面測點高度和拍攝點(A~I)距離，利用三角函數關系，可以計算出熱像儀與墻面測點形成的不同拍攝仰角，從而研究不同拍攝仰角對墻面選擇點溫差的影響。拍攝點和仰角的對應關系見表1。

在4個時間段中，a1~f1溫差與拍攝仰角的變化關系如圖8~10所示。其中，10:00和13:00時陽光強度較大，16:00時陽光強度弱，20:00時沒有陽光?？梢钥闯?，熱像圖測點溫差隨拍攝角度的變化較平穩，溫差變化在1℃以內；在20:00沒有陽光的時間段，測點溫差基本為0℃；當拍攝仰角大于45°時，易造成熱像圖溫度場范圍大，而忽略局部大于標準溫差的區域。由于傾斜拍攝，在熱像圖中，建筑物易產生變形而導致位置偏差。

3 結語

綜合上述試驗結果，筆者認為，選擇合適的拍攝距離和拍攝角度，對熱像圖的清晰度及后期圖片的處理工作非常重要。同時，增大紅外熱像儀的分辨率及視場角，將會使紅外熱像儀更好地應用于工程實際。

[1]周云,趙為民,趙鴻.紅外熱像技術在房屋檢測中的應用[J].住宅科技,2008(2):42-45.

[2]王靖.紅外熱像技術在建筑中的檢測與分析[D]:[碩士學位論文].遼寧：遼寧工程技術大學,2013.

[3]袁仁續,趙鳴.紅外熱像技術在無損檢測中的應用進展研究[J].福州大學學報（自然科學版）增刊,2005.

表1 拍攝距離與拍攝仰角

圖8 10:10時間段測點（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

圖9 13:15時間段測點（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

圖10 16:00時間段測點（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

圖11 20:00時間段測點（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

[4]杜紅秀,張雄,韓繼紅.混凝土火災損傷的紅外熱像檢測與評估.同濟大學學報,2002,30(9).

[5]代博洋.紅外熱成像技術在震后房屋損壞快速鑒定中的應用研究[D]: [碩士學位論文].中國地震局地質研究所,2009.

[6]Walter Wild. Application of infrared thermography in civil engineering. Proc.Estonian Acad.Sci.Eng.,2007,13(4):436-444.

[7]Silvia Mart?n Oca?a, Ignacio Ca?as Guerrero, Ignacio González Requena. Thermographic survey of two rural buildings in Spain. Energy and Buildings, 2004(36):515-523.

Effect of Different Shooting Conditions on Temperature Difference of Infrared Thermal Image

By using such methods as on-the-spot measurement, software processing and induction, the paper studied the change rules of thermal image temperature variation under different shooting conditions (including different shooting distance, shooting elevation etc.), so as to optimize the infrared detection method and better guide the inspection work at site.

infrared thermography, thermal image, nondestructive testing, sunlight intensity

2016-10-18）

梅正君，上海巖土工程勘察設計研究院有限公司房屋質量檢測站項目負責人，工程師。