Infrared Thermal Imager 红外热像仪

Infrared Thermal Imager 红外热像仪 Infrared Imaging 红外成像 structural deficiencies 结构性缺陷 Infrared Thermal Imaging 红外热像 infrared thermographic inspection technology 红外热像检测技术 红外热像技术是 20 世纪发展起来的新兴应用技术 9 一 5 它被广泛应用在医学 遥感 地球资源探测 工业探伤等方面 被检测的材料涉及金属 合金 塑料 陶瓷以及复合 材料等 从 1800 年红外线的发现开始至今 天气预报都应用了红外技术 电视气象预 报的云图是来自气象卫星对云层移动的观测 它是通过接收地球表面 海面和云层所辐 射的红外线而形成的一种热像图 从红外线的发现到红外技术在国民经济中的广泛应 用 这期间走过的路程 基本是从军用转向民用 工业领域的应用是从保安全生产渐渐 形成对设备寿命的预测 从初期的红外检测逐步发展到对设备的早期预测和诊断 从简 易诊断不断地上升到精密诊断 而且世界上各个国家几乎是从电力工业部门的应用扩展 到其他领域的多种应用 1 国外的研究现状 20 世纪 60 年代以后 计算机和电子技术的飞跃发展促使工业生产现代化和机器设 备的大型化 连续化 高速化 自动化 是设备本身的规模越来越大 性能越来越高 功能越来越多 结构越来越复杂 其结果是一旦发生事故 不仅会造成经济上的巨大损 失 而且还会污染环境 引起灾害 造成各种社会问题 因此 人民开始认识到发展故 障诊断技术的重要性和迫切性 美国的红外诊断技术应用广泛 在各行各业都利用红外仪器进行热故障检查和热状 态测量 主要使用研究内容包括设备故障诊断 无损探伤 节能检测 核电站安全检查 建筑物保温和渗漏检测等 此外还在治安中发挥出色作用 如追捕逃犯 寻找走失人员 等 美国的红外服务公司遍布美国各地 其起步也是从电器设备诊断开始 顾客认为付 出 1 美元的服务费用 可以收到 10 美元以上的效益 路易安娜州的一个石化公司用红 外检测电器设备 由于避免了停工和损坏设备 公司估计由此带来的经济效益是 找出 的每个 过热点 可节省 2200 美元 法国工业部门专门成立了一个机构 叫 Apave 用于保证安全和经济 红外测温技术 是他们的重要检测手段 如用于对各种大型工业设备 用于高 80m 直径 6m 的烟囱的热 像检测 英国钢铁协会 简称 B S C 认为 红外热像可以日夜不间断地提供 24h 服务 他们 的服务状况以 1975 年设为 100 到 1979 年己达到 700 以上 日本机械工业在 1968 年采用热像检测 其在电力和其他行业中的应用亦颇受重视 曾多次出版红外诊断技术专辑 前苏联 瑞士 科威特 挪威 委内瑞拉等过都在较早 期就开展了红外检测技术的应用 2 国内的研究现状 我国红外诊断技术的发展是和设备诊断技术发展息息相关的 对于设备诊断技术 从维修体制改革着眼研究这个问题 从设备综合工程学的观点 探求设备寿命周期费用 济性来研究这个问题 我国主要是从 1979 年开始的 当时有不少工业在熟悉前苏 联维修体制的基础上 开始研究美 日 德国及瑞典的各种维修体制 从中知道了一些 状态监测维修的优点 并开始进入了初步接触的阶段 到 1983 年时 全国有了更多的 企业从初步认识到进入到实践阶段 1985 年 1 月 原国家经委委托中国设备管理协会召 开了设备诊断技术应用推广会 全国各方面均有代表参加 交流经验和论文 广泛介绍 国内外的工作现状 使大家开拓了视野 提高了认识 从而为今后在全国大力推广设备 诊断技术 改进设备管理体制等工作 打下了一个良好的基础 3 研究目的和内容 3 1 研究目的 l 以混凝土结构为研究对象 以红外热像为技术手段 以损伤力学和导热学为研究 方法 以导热一损伤祸合为主题 试图从理论和实验两个方面系统地研究混凝土缺陷演 化及其对导热性能劣化和累积损伤的影响程度和相互关系 2 分析缺陷和热导率的关系 应用红外热像技术 对混凝土结构实现实时的损伤检 测 对于结构混凝土来说 其质量受到所用材料 配合比 工艺及环境等诸多 因素的影响 很难保证不出一点质量问题 根据大量工程的实际情况来看 常 出现质量缺陷问题 如 因漏振或石子架空造成的蜂窝空洞 因养护不及时或 混凝土内外温差过大造成的早期裂缝 冬季施工未采取有效防冻措施造成的混 凝土早期受冻等 这些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 另外 我国现有的构筑 物 大部分为混凝土结构 有的是多年没有检修的 因此 有效的做好混凝土 缺陷的无损检测 以便采取有效的防治 修补措施 无论是社会效益方面还是 经济效益方面都有广泛而深远的意义 目前 对于大量的混凝土高架公路 桥梁 堤防等土木构筑物及建筑物进 行大范围 快速 低成本的普查检测 常用的方法有超声波法 雷达法 声发 射法 冲击回波法及在日本常用的打音诊断和目视检查等 各种方法都有各自 的优点 其不足之处是以较少的取样分析反映整个结构工作性能 取样选点和 数据实测都与操作者人为因素有关 同时限制条件也比较多 且后两种方法存 在很大的局限性 检测结果又不可靠 因此寻求一种无损 快速 低成本 大 范围的普查方法是土木工程界极为关注的问题 具有非常现实的意义 红外热 像检测技术就是在这种情况下被引入土木工程领域的 红外热像检测技术在应用于土木工程领域之前 已广泛应用于电力设备 高压电网安全运转的检查 石油管道泄漏 冶炼温度和炉衬损伤 航空胶结材 料质量的检查 大地气象检测预报 山体滑坡的检测预报 医疗诊断等 总之 红外热像检测技术在其它很多领域已经得到广泛的应用 而用于土木工程质量 和功能的检查评估 在我国尚处于起步阶段 其应用范围极为广阔 红外热像 检测技术具有快速 大面积扫测 直观的优点 是其它无损检测技术无法替代 的 因而在土木工程诊断中研究推广是十分必要的 目前红外热像检测技术在检测混凝土缺陷中 多是定性的分析 而少定量的计算 这也是红外热像检测技术在土木工程领域没有被广泛推广的重要原因之 一 本文就是这种情况下提出从理论上建立红外热像检测技术检测混凝土内部 缺陷深度的公式和确立该公式的适用范围及条件 同时 针对现在国内大量建 筑物急需检测和加固的现状及红外热像检测技术的优点 故本文又研究了红外 热像检测技术在加固工程中的应用 Aetive IR applications in civil engineering 一 红外线的发现和分类 1800 年 英国物理学家赫歇尔研究单色光的温度时发现 位于红光外 用来对比的温度计 的温度要比色光中温度计的温度高 于是称发现一种看不见的 热线 称为红外线 红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外 介于可见光与微波之间 波长为 0 76 1000 m 不能引起人眼的视觉 在实际应用中 常将其分为三个波段 近红外线 波长范围为 0 76 1 5 m 中红外线 波长范围为 1 5 5 6 m 远红外线 波长范围为 5 6 1000 m 它们产生的机理不太一致 我们知道温度高于绝对零度的物体的分子都在 不停地做无规则热运动 并产生热辐射 故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线 如相机 红外线胶片自身等 在常温下 物体辐射出的红外线位于中 远红外线的光谱区 易引起物体分子的共振 有显著的热效应 因此 又称中 远红外线为热红外 当物体温 度升高到使原子的外层电子发生跃迁时 将会辐射出近红外线 如太阳 红外灯等高温物 体的辐射中就含有大量的近红外线 借助不同波段的红外线的不同物理性质 可制成不同 功能的遥感器 二 不同波段的红外线成像原理和特点 红外遥感是指借助对红外线敏感的探测器 不直接接触物体 来记录物体对红外线的辐射 反射 散射等信息 通过分析 揭示出物体的特征及其变化的科学技术 红外遥感技术中 能获得图像信息的仪器有 使用红外线胶片的照相机 具有红外摄影功能的数码相机 热 像仪等 虽然它们都利用红外线工作 但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别 红外摄影通常指利用红外线胶片和数码相机进行的摄影 前者属于光学摄影类 后者属于 光电摄影类 1 光学摄影类 红外胶片是一种能够感应红外线的胶片 有黑白红外胶片和彩色红外胶片两类 其成像原 理与普通胶片相似 曝光时 卤化银发生化学变化 记录景物反射到胶片上电磁波的信息 通过显影 定影等技术获得景物图像 普通胶片记录的是波长为 0 4 0 76 m 范围内的可 见光 由于红外胶片中加入了红外增感染料 使得它能记录波长在 0 4 1 35 m 间的可见 光和近红外线 为了获得景物纯粹的红外像 需要在镜头前加装一个红外滤镜 滤掉可见 光 只通过近红外线 那么 这部分近红外线是不是景物发出的呢 显然 日常摄影中的 人体 树木等景物达不到能辐射近红外线的温度 它们的热辐射也不能使胶片形成足够清 晰的像 所以应该是景物反射太阳辐射中的近红外线 故近红外线也称为摄影红外 红外胶片成的像与普通胶片成的像有较大的差异 人体 草地对红外线反射较强 它们的 黑白红外像就较白 河流 天空对红外线反射较弱 成的黑白红外像就较黑 由于彩色红 外胶片的感光光谱 成色剂和普通彩色胶片的不同 彩色红外相片上的颜色也就不是景物 真实颜色的反映 所以又称它为假彩色红外胶片 例如 健康绿色植物反射近红外线 它 的红外像为红色 清澈的河水的红外像是深蓝色 虽然在肉眼看来病态的植物和健康的植 物都为绿色 文件涂改前后的墨迹也没什么区别 但它们对红外线的反射强弱不同 成的 红外像就有明显的差异 因此 它常用于刑侦 国土资源调查 环保等领域 红外线较强的穿透能力和红外胶片易受热辐射影响的这些特点决定了在用红外胶片摄影时 对操作有较高的要求 红外胶片对波长为 0 76 0 9 m 的近红外线有最佳的感光性能 随 着能感应的波长增大 感光药剂受温度的影响越来越显著 感光药剂化学稳定性也随之下 降 例如 感光波长上限为 1 1 m 的红外胶片能保存三个月 当感光波长上限达到 1 35 m 时 只能保存 8 天 所以无论是保存还是携带都需要冷藏 装卸胶片都需要在暗 室或者专用防红外线的暗袋中进行 由于红外胶片的曝光时间较长 出厂时没有标感光度 需要根据经验手动调整感光度 且自动相机的红外计数器发出的红外线能使其曝光 所以 最好使用手动金属机身的相机 红外摄影调焦时须注意 有的相机物镜上有红外线聚焦指 数 其标记为 R 若没有此标记 则要先对可见光调焦后 再将镜头前移可见光焦距的 1 250 左右 2 光电摄影类 自然界中的一些物质在受到辐射后 会引起它的电化学性质变化 例如温度升高后 电阻 变小 产生电压 利用它们的这种物理性质可制成光电探测器 遥感仪器的光学系统收集 到的辐射能量通过探测器实现光电转换 根据电磁波和探测器的作用机理不同 分为光子 探测器和热电探测器 光子探测器是利用光敏感材料的光电效应 把一定波长的电磁波信号转化为电信号输出 如一些具有红外摄影功能的数码相机的光电耦合器 CCD 能响应的波谱为 0 4 1 1 m 同样在进行红外摄影时要加装红外滤镜 CCD 所感应到的是景物反射太阳 辐射中的或者是相机自带的红外灯发出的近红外线 热电探测器是利用目标辐射的热效应对热敏电阻的电学性质的影响而工作 例如热红外成 像装置 它是被动地接受目标的热辐射 通过其中光学成像系统聚焦到探测元件上进行光 电转换 放大信号 数字化后 经多媒体图像技术处理 在屏幕上以伪色显示出目标的温 度场 热红外图像 热图 热像 热图像色调的明暗决定于物体表面温度及辐射率 它 反映了目标的红外辐射能量分布情况 但是不