建筑热工检测中红外技术的应用分析

罗辉

【摘要】本文主要红外技术在建筑热工检测中的应用进行了分析，希冀为同行带来借鉴和建议。

【关键词】红外热成像技术；建筑热工；检测；热像图

引言

随着建筑节能工作的不断推进，由原来主要是建筑节能设计的节能工作开始主要转向竣工验收和现场检测，因此也需要相应的新的节能检测方法来进行节能检测工作。目前红外技术也在不断的改进，如果红外技术和建筑节能检测手段相结合，则可以达到使建筑节能检测工作得开展得到更好的推动的效果。红外热成像技术进行检测工作的方法目前已被广泛应用于各个领域，其中在建筑物热工缺陷检测方面的应用尤为突出。和传统的热法、热流计法相比较，红外热成像方法具有对于需要检测的物体无影响、测温范围大、检测精度高、检测表面温度反应速度快等优点。我国开始在建筑工程领域研究红外线的诊断技术是在二十世纪八十年代初期，那时有关规定中指出红外热像仪检测在建筑围护结构的使用时，存在着热工不足，只能进行定性分析，而对于这种热工缺陷，在二十一世纪初便开始了定量分析，以及开始对红外热像检测技术展开相关的研究。本文主要是对红外技术在建筑热工检测中进行了进一步研究分析。

1 红外热成像技术概述

19世纪初，英国科学家W.Herschel发现了红外线，又称为红外热辐射。红外线一般是指波长为 0.78～1 000 μm 的电磁波，是能量的一种形式。自然界中，绝对温度零度（-273 ℃）以上的所有物体都以红外能量的形式向环境中持续的辐射能量，然而我们用肉眼是看不到这种能量的。红外线成像检测归于无损检测的范围，其主要原理是对材料、设备以及关物质的表面采用红外辐射技术测量和检测的专业技术。红外热成像仪就是在当红外探测器接受了被测目标的红外辐射能量后，在红外探测器的光敏组件上反映出能量分布，并转换为视频图像，从而获得红外热图，其颜色与物体表面的温度相对应，以可以显示出建筑物不同位置的能量散失状。在建筑物中，考虑到室内、室外所有因素，内部结构自身存在的区别，由于建筑物维护结构由于受到内部自身结构存在的差异，以及室内室外因素的影响，使得其物质表面可产生不同的传热速度，从而使得围护结构的表面温度出现不均匀的情况，而红外热像仪将红外辐射的原理通过伪彩方式表现出温度不均匀的物体表面，并且主要是从红外热图中逐步探测出物体表面上任何点所达到的辐射温度大小进行运算，就很好的解决了这一问题。由于在热传递的过程中，相同材质的物体在热传导时物理性质是相同的，因此呈现在热像图中的颜色也是相同的，所以在目前行业内部，如果经过红热成像技术的彩图区域出现不均匀，就说明在热传导过程中出现了阻滞，可以认为是在物体的表面温度出现了“热区”和“冷区”，进而可以找到热工性能薄弱的部位， 以便对其进行改造。这说明了红外热成像仪检测呈现出的不同颜色的图像，可以评估其热传导的质量或状态。

2 建筑热工检测中红外技术的应用

2.1红外热像仪工作原理

由于内部分子而导致自身运动的任何物体，都可以产生红外热能并且不断向外辐射，并且会逐渐的产生“热像”，即在物体表面构成一个温度场体系。在红外图像的帮助下大多数的信息会被反映出来，而只有红外成像可以实现这些信息的快速可视化，并且可以进行验证式诊断。在自然界中，由于物体的组成单位分子或者原子的转动、 振动，会导致红外线辐射的产生，所以所有温度大于零摄氏度的物体都可以发生红外辐射。所以从另一个方面来说，红外辐射功能率的大小与物體自身的表面温度大小之间有着不可分割的联系，材料在传热时材料自身的内部结构、它的热工性质以及表面状况的对热分布情况都可以通过各种物体的表面温度场很好的反应出来。可以用以下公式来表示出一般材料的表面温度和红外辐射功率，其中M表示红外辐射在单位物体面积上的大小；T表示物体表面上的绝对温度；σ表示斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε表示物体的发射率，其大小和物体的表面情况、性质及种类有关。

对目标物体的观察工作可应用红外热成像技术，通过红外热成像技术可以将其表面的红外辐射转化为可见的热图像， 并且物体的表面各点温度大小的分布情况也能够被观察到，从而可以发现物体表面的结构情况。这种无损检测方法主要通过对材料性质以及破坏情况的判断而得出。如果物体内部有缺陷，它的外表热度场也将会随之改变。因此，物体自身内部的情况可通过物体表面所受到的热波的接受判断出。若物体内部存在缺陷或裂痕，物体热传导就会做出反应，因此可通过红外热像检测仪对其表面热辐射程度的测量发现热工缺陷。它的工作原理如图1所示：

图1 红外热成像仪工作原理

2.2检测方法

根据《建筑围护结构节能现场检测技术规程》 （DG/TJ08-2038-2008），并结合多年工作经验，得到的具体拍摄图像的步骤有以下几点：一、在检测前，要做好准备工作。首先应该熟悉被检测对象相关的节能设计图纸，以了解被检测对象的基本情况。其次应该考虑被检测建筑以及相邻建筑物的高度和宽度、检测距离和角度等因素，并确定相邻建筑的房顶、安全出口、阳台和窗台等可以利用的位置，以确定实施检测的最合适的位置。最后要为仪器选择最佳安放的位置，并使仪器处于正常的工作状态。二、进行拍摄时，拍摄距离一般要控制在10～50m的范围内，水平倾角一般不超过30°，仰角一般不超过45°；需分区域对建筑物的各个立面进行拍摄，上和下或者左和右相邻的图像之间应有重合部分；拍摄时也应同时对被检测部位拍摄可视照片，并且对红外照片所在位置和编号做好记录；应分别在不同时间对检测外围护结构表面同一个部位的红外热像图进行拍摄，并且在与目标距离相等的不同方位扫描同一个部位。三、应该先对围护结构进行普测，然后对围护结构再用红外摄像仪进行检测，再详细地对可疑部位进行检测，从而找出可疑部位的温度值。四、通过对现场实际检测的热像图进行分析后再确定异常部位。对于异常部位的确定，一般以主体区域的平均温度作为比较基础，若不是因为围护结构设计或冷（热）源、测试干扰因素、测试方法、测试条件等原因使异常部位温度差超过0.5℃，则将其视为热工缺陷。五、可通过与参考热像图对比进行计算、判断来分析实测热像图，并判断是否存在热工缺陷以及缺陷类型和严重程度。在建筑热工检测中红外热成像技术的工作原理如图2所示：

图2 红外建筑热工检测系统工作原理

3 应用实例

本实验仅选取一个普通写字楼的办公间其中的东墙和西墙作为实验对象进行红外热工检测，此写字楼墙壁的内层为混合砂浆，外层为贴面砖墙，属多层框架剪力墙。为了增加检测的精确性，在检测时，将每个墙面都以九宫格形式划分九小块，然后再对每一小块分别进行检测。

3.1实验结果

用图4和图6的横轴表示图3和图5中每个像素点的温度，纵轴表示图3和图5中每个像素点的温度相同点的个数。东墙红外建筑热工检测实验结果如3图所示：

3.2结果分析

通过对图3和图4分析得出，东墙墙面温度分布不均，最低温度为15.2℃，最高温度为21.5℃，而且还可看出墙面涂料空鼓严重。通过对图5和图 6分析得出，西墙墙面温度分布大致均匀，其最低温度为16.2℃，最高温度为22.4℃。

4 结语

国内对红外热成像技术的应用还不够成熟，对热工缺陷研究还大多停留在定性判断上，因此在以后的研究中，还需将计算机数字图像处理技术与其相结合，将红外热成像技术转向定量分析，从而使红外热成像技术得到更好的发展和应用。

参考文献

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[2]孙成明，袁艳，黄锋振，王潜.空间目标红外成像特性建模与仿真[J].红外与激光工程，2012，41（3）：563-568