摘要：红外热成像技术是混凝土质量检测的新技术。该方法的主要特点是灵敏度高、检测速度快，大面积非接触法检测混凝土表面测量，测试结果是可视化的、实时的和自动化的，并且不会损坏混凝土。介绍了红外热成像技术在混凝土检测中的应用。阐述了应用现状及其发展趋势。
关键词：红外热像技术混凝土检测土木工程应用
前言
随着我国交通事业的迅猛发展，公路、桥梁、隧道等混凝土结构的质量要求日益提高，因此暴露出来的问题越来越多，路面出现沉陷、裂缝、松散和坑槽、车辙、泛油及拥包、疲劳开裂等现象，存在的质量缺陷将会从不同程度上影响混凝土构件的耐久性，严重时会影响到构件的承载力，甚至会造成工程事故。因此，有效的做好混凝土结构缺陷的无损检测，以便及时采取有效的防治、修补措施，具有广泛的社会效益和经济效益。目前，国内外传统的结构质量检测方法主要包括超声法、声发射法、雷达法、冲击回波法等，但都存在各自的缺点，具有片面性，难以满足交通土建工程事业发展的需要。红外热成像检测技术就是在这种情况下被引入土木工程领域的。
1红外热像技术现状和进展
1.1应用情况
红外热成像检测技术是依据自然界中物体均会连续辐射红外线的这一物理现象，通过被测物体的热量和热流，非接触式地检测被测物体质量的一种方法。最初应用在军事领域，近年来随着高灵敏度<0.03℃、高速红外热像仪的出现，以及数字热图像处理软件功能完善，使得该技术的应用瓶颈已经突破，目前该技术主要成功应用于①电力设备老化，②石化管道渗漏，③冶炼温度和炉衬损伤，④航空胶结材料质量，以及⑤医疗诊断等。
在混凝土缺陷检测方面的应用包括：①利用缺陷与完好混凝土热容与导热性能的差异，对混凝土裂缝、疏松、空洞等缺陷进行检测；②渗漏处混凝土含水量较高，利用水对混凝土热容和导热性能的影响，对隐蔽的渗漏点进行探查；③利用过火后混凝土的热学参数的变化来检测混凝土的过火温度；④利用空气导热系数较混凝土低，检测混凝土梁黏钢、黏碳纤维布或建筑外墙饰面层的粘贴质量；⑤通过检测热量泄出点评价建筑节能性能。总的看来，红外热像检测技术在混凝土缺陷方面的应用还不广泛深入，缺乏混凝土裂纹等微细缺陷的检测能力。
1.2激励方式
温差需要通过激励来生成，因此激励设计是热像检测的关键。目前混凝土工程中热像检测的激励方式主要有6种：①自然激励：利用环境温度或日照的自然变化实现激励；②辐射激励：外置热源如大功率的红外灯照射；③热风激励；④自激励：缺陷部位自发产生温度升高或降低；⑤电加热激励：混凝土中内嵌电热合金丝或表面粘贴的碳纤维本身通电加热；⑥加载激励：利用加载过程中混凝土红外辐射随应力变化而变化的物理现象。自然激励、辐射激励和热风激励是综合利用了热的辐射、对流和传导的热传递方式，从外部向被测构件传递热量，属于典型的外部激励。实际应用中，自然激励受天气限制。辐射和热风激励难以均匀，并且由于是外部激励，微缺陷与其基底温升差别不大，从而限制了细微缺陷的辨别能力。自激励、电加热激励和加载激励属于特定条件下的激励方法，仅应用于特定检测对象。
热像检测技术发展在混凝土材料领域相对滞后，在航空复合材料和金属材料领域热像检测的激励方式已经经历了三个阶段。第一阶段是1983年Busse提出利用强度调制的激光激发被测物使之温度升高，称为光热辐射激励。其缺点是光束聚焦照射被测物，必须快速扫描才能保证均匀激励；第二阶段1989年是Kuo提出利用氙灯闪光源大面积照射被测物，称为辐射激励。优点是实现了较大面积的激励，缺点是灵敏度和信噪比不高，因为微小缺陷与其基底对光热的吸收差别不大。第三阶段是1992年Busse提出将低频调幅超声波输入被测物和2000年Favro提出将高能脉冲超声波输入被测物，对缺陷实现选择性加热，称为超声激励。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆超声激励是目前最先进的激励方式之一，它利用声能在缺陷部位损耗大实现了激励的选择性，当前已成为研究的前沿热点。我国首都师范大学丁友福、张小川开展了飞机前起落架旋转臂微裂纹的超声热像检测试验，南京大学米小兵还研究了超声波引起固体微裂缝局部发热的理论计算，缪鹏程开展了超声热像检测铝合金板缺陷的试验和瞬态温度场的有限元分析。
1.3信号采集与分析
红外热像的检出信号是温度场，早期采用红外扫描仪采集，目前在缺陷检测领域主要采用热像仪采集。热像检测技术发展一直到20世纪90年代还受采集设备的制约，随着电子技术的迅速发展，目前热像仪温度分辨率已可达0.03℃、采集速度也显著提高，这一瓶颈已经打破。
在信号分析方面，也经过了三个阶段的发展。第一阶段是直观判断法，就是利用热图像的直观属性，直接判断图像中的高温或低温区为缺陷区域。表面缺陷等简单检测主要采用直观判断法。第二阶段是经验分析法，该方法一般建立在试验研究的基础上，利用试验总结的规律分析判断缺陷。如东南大学、北京航空航天大学对玻璃钢内部脱黏、复合材料内部分层缺陷的大小、深度、厚度与红外热图像特征之间的关系进行了试验，并得出了缺陷深度和大小的计算方法，如根据缺陷表面温差到达峰值时间与缺陷深度之间的关系计算缺陷深度的一维传热模型。第三阶段是数值反演法，对被测构件热激励和热量传播过程进行数值仿真，利用采集到的红外热图像反演出缺陷。经验分析法和数值反演法一般用于较复杂的内部缺陷检测。
2红外热像技术在混凝土检测中的发展趋势
红外热像技术混凝土检测的未来发展中，要着力解决以下问题：
2.1热源的改进
第一通过增加热源的数量，或者对热源的角度进行变换，促使热源能够在混凝土的检测区域内实现叠加，从而降低检测的误差。第二增加科研经费，深入技术研究，从而尽快寻找出一种新的热源，使其能够解决空间梯度小、时间梯度大的问题。
2.2定量化研究
就目前而言，在红外热像技术的应用过程中，进行试验的材料大多性质比较均匀，因而缺陷检测时，主要集中在面积较大、深度较浅的方面。如混凝土裂缝大小和温度的降低之间具有联系，但这种技术理论在缺陷的深度和大小的定量化分析上不到位，存在技术盲点。因此，应该研制出一套科学的缺陷计算模型，使其能够应用在各种复杂的工程中。
2.3红外图像的后期处理
对混凝土进行红外热像技术的检测后，通过检测数据的信息形成红外图像，在后期处理上存在以下问题：图像在几何方面的校正和拼装；温度梯度和背景的校正；对检测中出现的噪音进行分析，以及如何有效消除噪音；对监测数据的统计算法。以上问题在目前的技术应用中仍然没有良好的应对方案，亟待下一步的解决。
结束语
超声红外热像技术作为一项操作简单、结果直观形象的跨学科的新型无损检测手段，已经在军事、电力、铁道、航天航空、建筑节能等众多领域。综上所述，伴随着科学技术的进一步发展，学科之间的交叉和互动不断深化，各项研究能够得到突破，从而解决当前红外热像技术中存在的问题，进而更好地发挥出无损检测上的优势，提高混凝土检测的准确性，并最终推动我国土木建设的质量提升。
参考文献
[1]蒋济同,范晓义.红外热像技术在混凝土检测中的应用现状和发展趋势[J].无损检测,2017(2)：88-91.
[2]汤雷,蒋金平.超声红外热像技术进展及在混凝土应用的新探索[J].混凝土,2017(3)：109-110.
论文作者:韩东青
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/13
标签：混凝土论文; 缺陷论文; 技术论文; 热源论文; 超声论文; 图像论文; 温度论文; 《基层建设》2019年第11期论文;