紅外熱像法原理及使用要求講解

 公司新聞     |      2019-10-16
紅外熱像法是一種簡單、快捷的無損檢測方式,能夠實時、連續、大麵積地測量物體表麵溫度,可幫助人們判斷建築物外牆表麵及內部存在的缺陷。因此,在建築物外牆質量檢測中,紅外熱像法受到越來越多的關注,但要引起注意的是,紅外熱像法的測試結果易受多種因素的影響,目前隻停留在定性分析階段。
 
本文主要介紹紅外熱像法的基本原理、優勢弊端、適用條件和操作要求,以及目前紅外成像發在建築外牆檢測領域,如裂縫、空鼓和滲漏等方麵的應用現狀。
 
1 紅外熱像法
 
1.1 紅外線輻射
 
紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射。在常規環境下,任何物體自身的分子和原子都會無規則地運動,並不停地向外輻射出紅外線。分子和原子的運動越劇烈,輻射的能量越大,相反,分子和原子運動越緩慢,輻射的能量也越小。溫度在絕對零度以下情況下,物體都會因自身的分子和原子運動而輻射出紅外線。
 
1.2 紅外熱像法特點
 
紅外熱像法是利用紅外熱像技術進行成像和檢測判斷的。
 
紅外熱成像技術通過接受物體發出的紅外輻射,將其熱像顯示在熒光屏上,從而幫助人們準確判斷物體表麵的溫度分布情況。該技術是一種教新的檢測技術,它集光電成像技術、計算機技術和圖像處理技術於一身,具有準確、實時和快速等優點。物體由於其自身分子和原子的運動不停地向外輻射紅外熱能,從而在物體表麵形成一定的溫度場,也稱“熱像”。利用熱成像技術將這種看不見的“熱像”轉變成可見光圖像,測試效果直觀,靈敏度高,可準確反映物體發熱情況,對發現物體表麵和內部的缺陷非常有效。
 
目前,商業化的紅外熱像儀已開始應用於建築和工業測試。這種儀器通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號後,成像裝置的輸出信號就可以一一對應地模擬掃描物體表麵溫度的空間分布,經電子係統處理傳至顯示屏上,得到與物體表麵熱分布相應的熱像圖。
 
1.3 紅外熱像儀工作原理
 
紅外熱像儀主要由兩部分組成,紅外攝像頭和處理器。其中紅外攝像頭包括光學係統、掃描係統和探測器等;處理器包括前置放大器及視頻處理器。紅外熱像儀利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描係統來接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形,並反映到紅外探測器的光敏元上。
 
在光學係統和紅外探測器之間有一個光機掃描機構對被測物體的紅外熱成像進行掃描,聚焦在單元或分光探測器上,探測器將紅外輻射能轉換成電信號,並由前置放大器將信息放大,轉換成標準字信號。
 
被掃描目標物體空間上的每個點都對應著某個數字信號,數字信號的大小對應著目標物體空間上點的溫度高低,以顏色來表達,從而構建出一幅紅外熱成像的偽彩色的圖像,並通過電視屏或監測器顯示出於物體表麵熱分布相對應的紅外熱像圖。這時的彩色圖像反映了不同溫度的分布,通常以紅和黃等暖色來表示較高的溫度,紫和藍等顏色來表示較低的溫度。
 
1.4 紅外熱像儀局限性及其使用要求
 
紅外熱像儀使用時可能受到多種因素的影響,如天氣、時間、氣溫、距離、牆麵朝向、表麵裝飾材料的種類和顏色及表麵凹凸情況等。此外,建築物室內冷熱,紅外熱像儀與牆麵之間有無障礙物,相鄰建築的方位、距離、高度以及陽光斜射時,牆麵上屋簷等突出部位遮擋部分麵積陽光等情況都會對最終的圖像產生影響。
 
因此紅外熱像儀使用時對環境有許多要求:環境溫度為0-40℃;無雨,相對濕度RH應不大於75%,無結露;無強電磁場;測定位置、角度對圖像處理精度應較小,拍攝方向與被拍攝表麵的垂直方向角度宜小於30度;室外平均風速不大於3m/s。測量時,應避免非待測物體進入成像範圍。同時,宜采用表麵式溫度計測量受檢部位表麵溫度,並記錄建築物室內、外空氣溫度及室外風速、風向。
 
基於上述局限性,紅外熱像儀使用時應滿足以下要求:
 
(1)紅外熱像儀的溫度測量範圍應符合實際測量要求;
(2)紅外熱像儀傳感器的使用波長應介於8.0-14.0um,傳感器溫度分辨率應不低於0.1℃,測量誤差應小於0.5℃;
(3)紅外熱像儀的瞬間可見區域應不小於2.5mrad;
(4)紅外熱像儀所得圖像的像素範圍應不小於300x240;
(5)紅外攝像儀應具有調節焦距、溫度中心點的功能;
(6)紅外熱像儀所得的熱圖像上應能顯示多點溫度及其輻射率;
(7)熱像圖及相關參數應能夠存儲,並傳輸到計算機上。
 
1.5 實際工程中的檢測要求
 
根據《CECS 201-2006 紅外熱像法檢測建築外牆飾麵層粘結缺陷技術規程》,使用紅外熱像法時應滿足以下條件:
(1)能夠避免季節、天氣、時間、溫度、牆立麵方位。飾麵材料色彩、建築物內空調等的影響;
(2)在晴天測量,室外風速、溫度沒有劇烈變化;
(3)被測牆麵和紅外熱成像儀之間沒有障礙物阻擋;
(4)四周建築物不遮擋照射在被測麵上的陽光;
(5)被測牆麵直接暴露在陽光下,不受到露台、屋簷等影響;
(6)被測牆麵不受煙霧、水蒸氣、粉塵等因素影響。
 
根據《JGT 269-2010 建築紅外熱像檢測要求》,紅外檢測要求和方法應符合下列規定:
(1)調試好儀器,使其處於正常工作狀態;
(2)記錄天氣、氣溫、牆麵溫度、日照情況、風速等環境條件;
(3)記錄拍攝時間和拍攝條件等信息;
(4)在同一部位拍攝一定數量的紅外圖像和可見光照片,缺陷部位紅外圖像數量應適當增加;
(5)所選的拍攝角度和拍攝距離及光學變焦鏡頭應能夠保證每張紅外圖像的最小可探測麵積在目標上不大於50mmX50mm,即在空間分辨力為1mrad時拍攝距離不大於50m,如果因為環境所限無法滿足此要求,則要在報告中的紅外熱像圖旁注明現場記錄異常的區域;
(6)檢測者需要在現場分析紅外熱像圖,根據分析結果判斷采用敲擊法、拉拔試驗或者其他方法進一步確認缺陷情況;
(7)紅外熱像儀觀察方向和被測物體表麵方向夾角不應超過45°,超過時需在報告中注明;
(8)拍攝時應選擇目標物體表麵發射物最少的角度進行拍攝;
(9)準確記錄和標示拍攝位置、對應地紅外圖像和可見光照片。
 
注:本文由同濟大學孫振平教授課題組麻哲瑜整理