混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的紅外無損檢測(cè)研究

張慧慧

（遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧沈陽 110122）

混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的紅外無損檢測(cè)研究

張慧慧

（遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧沈陽 110122）

針對(duì)目前無損檢測(cè)方法的不足，提出混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)，分析應(yīng)用紅外熱像儀檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的原理及影響因素，并提出適用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的紅外分析方法。

混凝土；結(jié)構(gòu)缺陷；無損檢測(cè)

近年來，隨著我國公路、隧道、地鐵、高鐵和橋梁等公共交通土建工程的陸續(xù)開展，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)關(guān)注度逐漸提高，尤其是大規(guī)模交通量的運(yùn)營過程中暴露出來的問題越發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂縫、起鼓、滲水等現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，使得公路的使用壽命達(dá)不到預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命［1］。

對(duì)于大量的混凝土橋梁、高架公路、堤防等混凝土結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量無損檢測(cè)等，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要包括超聲波法、雷達(dá)法、聲發(fā)射法、沖擊回波法及目視檢查等，但這些方法各自存在無法彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，成本高、效率低，尤其是檢測(cè)過程當(dāng)中并不能做到安全檢測(cè)。因此，亟需尋找一種無損、快速、大范圍的檢測(cè)方法來進(jìn)行交通土建方面的安全檢測(cè)。

紅外檢測(cè)技術(shù)具有快速、大面積掃測(cè)、非接觸性等特點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，比如電力設(shè)備、石油化工設(shè)備、冶煉溫度和爐襯損傷、金屬材料與構(gòu)件、復(fù)合材料與構(gòu)件及醫(yī)療診斷等，但應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)，在我國尚處于起步階段。本文從可行性角度出發(fā)，主要分析應(yīng)用熱像儀檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的原理及影響因素，并提出適用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的紅外分析方法。

1 紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)原理

自然界中，任何物體都可以輻射紅外線，紅外熱像儀就是利用該原理獲取目標(biāo)的紅外圖像，并利用所測(cè)目標(biāo)與背景目標(biāo)的溫差，進(jìn)行缺陷檢測(cè)的輻射測(cè)量設(shè)備。該設(shè)備是一種窄譜輻射測(cè)量測(cè)溫系統(tǒng)，同時(shí)該設(shè)備監(jiān)測(cè)目標(biāo)表面時(shí)，其發(fā)射率、反射率，溫度、距離和大氣衰減等多種因素都會(huì)對(duì)其測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生影響，如何提高測(cè)溫的準(zhǔn)確性就顯得尤關(guān)重要。紅外熱像儀通過區(qū)別出物體接收發(fā)射的來源最終確定目標(biāo)溫度，如圖1所示，熱像儀接收到的有效輻射主要來源于3個(gè)途徑：目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射（下行輻射）和大氣輻射（上行輻射）［1］。

圖1 有效輻射途徑

其中，被測(cè)物體表面的輻射亮度為：

式（1）主要由兩部分組成：地物自身輻射亮度和環(huán)境反射亮度。T0為被測(cè)物體表面溫度，Tu為環(huán)境溫度，ελ為表面發(fā)射率，ρλ為表面反射率，aλ為表面吸收率。

另外，熱像儀并不完全遵從式（1）來確定輻射亮度，因?yàn)閭鬏斶^程中還存在大氣輻射造成的衰減部分，這就必須在溫度轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行大氣修正。于是熱像儀接收的輻射照度為：

式（2）中，A0是在對(duì)應(yīng)最小空間張角時(shí)，熱像儀的目標(biāo)可視面積；d為該目標(biāo)到測(cè)量儀器之間的距離，通常一定條件下，A0d-2為一常值；τaλ為大氣的光譜透射率；εaλ為大氣發(fā)射率。通常使用的熱像儀工作波段為8～12μm，使用的HgCdTe（8～13μm）探測(cè)器，經(jīng)過理論推導(dǎo)可以得出被測(cè)地物表面真實(shí)溫度為：

2 紅外測(cè)溫影響因素

2.1 檢測(cè)目標(biāo)的發(fā)射率

紅外測(cè)溫過程中，目標(biāo)的發(fā)射率直接影響測(cè)溫的溫度。影響目標(biāo)發(fā)射率的因素很多，其大小主要取決于其材料的性質(zhì)，同時(shí)檢測(cè)目標(biāo)的溫度和表面狀態(tài)也對(duì)其產(chǎn)生影響。一般可得出這樣的結(jié)果：目標(biāo)發(fā)射率對(duì)波長最敏感，其表面狀態(tài)次之，溫度排在最后。紅外熱像儀選取最敏感的波長，而人為可改變的是狀態(tài)和溫度。當(dāng)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，一般采取相對(duì)溫差法或者絕對(duì)溫差法，也就是只要知道溫度的變化幅度，就可以進(jìn)行紅外分析，而不是一定要知道目標(biāo)輻射的真實(shí)溫度，也就不需了解目標(biāo)的準(zhǔn)確發(fā)射率。當(dāng)然如果在有實(shí)際要求時(shí)，若需要目標(biāo)表面的準(zhǔn)確溫度，就須知道準(zhǔn)確的發(fā)射率，否則目標(biāo)的溫度值會(huì)誤差很大。

2.2 傳輸時(shí)大氣的影響

大氣在紅外輻射傳輸中會(huì)起到一定作用，主要來源于大氣的吸收作用。大氣的吸收功能會(huì)造成輻射能量的衰減。雖然熱像儀選取的是“大氣窗口”的范圍，但由于大氣吸收作用、大氣的塵埃、大氣懸浮顆粒的影響，仍會(huì)造成一定程度的衰減。因此，目標(biāo)的輻射傳輸應(yīng)選擇合理的大氣環(huán)境，最佳的大氣環(huán)境是晴天且濕度不宜太大，不能大于75%，這樣大氣環(huán)境下進(jìn)行紅外傳輸，大氣的影響才會(huì)減小。

2.3 目標(biāo)檢測(cè)時(shí)受風(fēng)力的影響

當(dāng)進(jìn)行目標(biāo)紅外檢測(cè)時(shí)，如果風(fēng)力特別大，就會(huì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生影響。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較大時(shí)，檢測(cè)目標(biāo)缺陷部位的熱量就會(huì)快速散發(fā)出去，導(dǎo)致缺陷部位的溫度降低，影響目標(biāo)的溫度準(zhǔn)確度。這就要求對(duì)目標(biāo)進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，應(yīng)在風(fēng)力比較小或無風(fēng)的天氣下進(jìn)行。

2.4 背景輻射的影響

當(dāng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，設(shè)備接收的紅外輻射由多部分組成。除了自身輻射占主要部分以外，主要考慮的是背景輻射的影響。這些背景的輻射對(duì)測(cè)溫精度有一定的影響。因此，檢測(cè)時(shí)需要在待測(cè)物體附近設(shè)置屏避物，以減少外界因素對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。

2.5 檢測(cè)距離系數(shù)的影響

當(dāng)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，設(shè)備距離目標(biāo)的距離起到了很重要的作用，需要距離系數(shù)來衡量。瞬時(shí)視場(chǎng)是可測(cè)量的最小目標(biāo)，熱像儀接收輻射亮度時(shí)受各種因素的影響，探測(cè)器接受包括目標(biāo)及目標(biāo)以外的輻射，所以要求目標(biāo)遠(yuǎn)大于瞬時(shí)視場(chǎng)，一般要求大3～5倍。

2.6 附近物體熱輻射的影響

在野外進(jìn)行紅外輻射時(shí)，除了檢測(cè)目標(biāo)，附近還會(huì)有很多不再測(cè)量范圍的物體對(duì)其觀測(cè)結(jié)果有影響。若兩者溫度或被測(cè)物體輻射率差異特別大，影響就會(huì)特別大。因此，在紅外輻射時(shí)，要特別注意選擇合理的測(cè)試角度，并且設(shè)置一些屏障，以避免附近物體的影響。

3 紅外檢測(cè)分析方法

混凝土結(jié)構(gòu)缺陷經(jīng)過紅外檢測(cè)后，熱像圖需進(jìn)一步分析，常用方法有表面溫度判斷法、絕對(duì)溫差判斷法、相對(duì)溫差判斷法、同類比較法、熱譜圖分析法和檔案分析法。其中，表面溫度判斷法可通過部位過熱的表面判斷是否出現(xiàn)故障，但是不能闡明其他問題，無法體現(xiàn)方法的優(yōu)越性；相對(duì)溫差法可通過不同點(diǎn)位的溫度差異，溫升比值來判斷故障情況；同類比較法為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)出缺陷問題，一般選取同類設(shè)備的對(duì)應(yīng)部位來分析，兩者溫度值通過比較來判斷缺陷；檔案分析法通過檔案記錄情況綜合分析當(dāng)前的問題，來判斷故障變化發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而得出準(zhǔn)確結(jié)論；熱譜圖分析法為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)出缺陷問題，選取同類設(shè)備不同狀態(tài)下的熱像圖，通過熱像圖分析異常與否；絕對(duì)溫差法取被測(cè)對(duì)象附近的正常區(qū)域的平均溫度為參考溫度來判斷缺陷情況，然后根據(jù)缺陷區(qū)域最高（最低）溫度與正常區(qū)域溫度差作為劃分缺陷等級(jí)的指標(biāo)，其表達(dá)式為：

式（4）中，正常區(qū)域的平均溫度記為T1，缺陷區(qū)域最高（最低）溫度記為T2。本文在分析混凝土結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，一般采取相對(duì)溫差法或者絕對(duì)溫差法來進(jìn)行紅外分析。因此，只需要知道紅外輻射的變化幅度，并不需要知道準(zhǔn)確的表面溫度。

4 結(jié)論

紅外熱像儀是一種新型的無損檢測(cè)工具，通過紅外熱像儀可以直觀全面地表征溫度分布情況。利用紅外熱像儀進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)，雖然其測(cè)溫精度受各因素影響，但在紅外分析時(shí)不一定需要目標(biāo)的真實(shí)溫度，可通過溫差法對(duì)溫度變化進(jìn)行評(píng)定，簡單方便，這對(duì)于紅外熱成像法應(yīng)用于交通土建檢測(cè)具有重要的促進(jìn)意義。

［1］楊立，寇蔚，劉慧開.熱像儀測(cè)量物體表面輻射率及誤差分析［J］.激光與紅外，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

張慧慧（1982-），女，碩士，副教授，研究方向：測(cè)繪遙感方向。