基于紅外熱成像技術(shù)的結(jié)構(gòu)表面裂縫識(shí)別研究

張澤群 要會(huì)濤 陳嬿婷 郭筱雨 俞毛寧

摘要：暴露在自然條件下的混凝土結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期的光照、雨水和風(fēng)力等多種環(huán)境荷載作用下，其結(jié)構(gòu)表面容易產(chǎn)生傷損裂紋，降低服役壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)安全問(wèn)題。目前，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的傷損檢測(cè)工作通常在夜間進(jìn)行，在弱光照條件的客觀(guān)因素影響下，結(jié)構(gòu)表面的傷損裂縫往往難以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)隱患不能得到及時(shí)有效地排除。基于此，本文提出利用混凝土缺陷處和非缺陷處的溫度差異特性，采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)混凝土表面?zhèn)麚p裂縫進(jìn)行準(zhǔn)確有效地檢測(cè)并根據(jù)像素映射關(guān)系對(duì)裂縫尺寸進(jìn)行預(yù)估和計(jì)算。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像;表面裂縫;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);傷損識(shí)別

服役狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱性能差和傳熱不均勻，內(nèi)部溫度出現(xiàn)周期性的變化，使得結(jié)構(gòu)表面會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。現(xiàn)階段混凝土結(jié)構(gòu)表面?zhèn)麚p的檢查多采用人工方式，同時(shí)常在夜間進(jìn)行。但夜間光照條件差，人眼易受到光照條件限制，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傷損病害。采用紅外熱成像檢測(cè)的方式，可以極大地避免夜間受光照條件的限制，使檢修人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害，并對(duì)其進(jìn)行維修處理，減少事故發(fā)生的危險(xiǎn)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室制作邊長(zhǎng)為150mm的正方體混凝土試塊。首先將水泥、細(xì)砂、石子、水按一定配比進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛Ｍ瓿珊螅瑢韬衔锞徛⑷氲筋A(yù)涂凡士林的模具中，在注入拌合物達(dá)到二分之一模具高度時(shí)放入加熱墊片并進(jìn)行固定。繼續(xù)加入拌合物，直至模具表面。將一定長(zhǎng)度的細(xì)木條半埋在模具表面，以此模擬試塊表面?zhèn)麚p裂縫。在實(shí)驗(yàn)室條件下靜置養(yǎng)護(hù)，混凝土試塊制作完成。（見(jiàn)圖1）

混凝土試塊模型成品如圖2所示：

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集

利用預(yù)埋加熱墊片對(duì)混凝土試塊進(jìn)行加熱，在加熱過(guò)程中，利用普通可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱像儀分別對(duì)試塊進(jìn)行拍攝，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

從圖像中可以看出，在夜間條件下，用普通可見(jiàn)光攝像機(jī)模擬人眼進(jìn)行拍照，幾乎無(wú)法捕捉到試塊表面的傷損裂縫，也不能夠確定裂縫的具體位置，尺寸等相關(guān)信息。而通過(guò)紅外熱成像儀鏡頭，可以清楚地看到試塊表面有明顯的溫度分層，且出現(xiàn)一道形狀細(xì)長(zhǎng)，溫度較高的高亮區(qū)域，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析確認(rèn)該處即為預(yù)先設(shè)置的裂縫區(qū)域。因此，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，紅外熱成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確地在夜間條件下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面的傷損裂縫進(jìn)行識(shí)別與檢測(cè)。

三、數(shù)據(jù)分析

在紅外熱像圖中，每個(gè)像素點(diǎn)即對(duì)應(yīng)一區(qū)域溫度。利用這一特性，將所攝紅外熱像圖的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用origin軟件繪制溫度分布等溫線(xiàn)圖。通過(guò)像素映射關(guān)系可以確定混凝土試塊表面預(yù)裂縫的位置，并通過(guò)相關(guān)數(shù)抓計(jì)算預(yù)估裂縫的相關(guān)尺寸信息。（見(jiàn)圖4）

對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得的效果圖：（見(jiàn)圖5）

通過(guò)擬合軟件對(duì)溫度數(shù)據(jù)分析，從溫度分布圖中可以觀(guān)察到溫度最高的紅色區(qū)域大致為一條斜線(xiàn)段，即混凝土試塊表面的斜裂縫。從導(dǎo)入的溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，紅外溫度圖像為：640*480像素點(diǎn)矩形，通過(guò)計(jì)算可知，斜裂紋的長(zhǎng)度為135.8mm，與實(shí)際用鋼尺所量取的長(zhǎng)度148.4mm相比，誤差僅為8.5%，可滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。通過(guò)進(jìn)一步的完善賣(mài)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，可實(shí)現(xiàn)更好的分析效果。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)試塊進(jìn)行地?zé)岢上駥?duì)比實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

（一）利用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)能夠在夜晚光照條件差，視線(xiàn)不良情況下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物表面進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，并準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)相關(guān)傷損病害。

（二）通過(guò)對(duì)熱成像檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以確定傷損裂紋的位置及尺寸大小，效果較好，誤差僅為8.5%。可實(shí)現(xiàn)非接觸式的高效檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生重點(diǎn)科研平臺(tái)創(chuàng)新訓(xùn)練資助項(xiàng)目（cs1810009）。